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Corso di Biologia, Biochimica e Genetica - Modulo di Chimica e Biochimica (1 CFU)

• Il corso è tenuto dalla Dott. ssa Giuseppina Arbore.
• L'esame è scritto con domande a risposta multipla.
• Il voto di questo modulo è integrato con quello degli altri moduli del Corso.
• I testi di riferimento sono: "Chimica e biochimica", "Le basi della biochimica" di Denise R. Ferrier, "Chimica di base per le scienze della vita" e testi classici di Biochimica come "Lehninger".
• Il programma completo è disponibile nell'introduzione al corso.

Lezione 1 - Concetti Generali di Chimica

• La chimica studia le proprietà della materia e le trasformazioni a cui può andare incontro.
• La Biochimica studia i fenomeni chimici alla base della vita.
• Gli approcci biochimici sono fondamentali per comprendere le cause delle malattie e sviluppare terapie.

Modulo di Chimica e Biochimica (1 CFU)

• Concetti generali di chimica, molecole e legami chimici
• Reazioni chimiche ed equilibrio chimico, soluzioni acquose, acidi e basi, pH e sistemi tampone
• Composti organici e gruppi funzionali, biomolecole: carboidrati, lipidi, acidi nucleici, proteine
• Amminoacidi, proprietà e funzioni delle proteine, mioglobina ed emoglobina, trasporto di ossigeno e anidride carbonica
• Enzimi, vie metaboliche, catabolismo e anabolismo, ATP come scambiatore di energia
• Digestione e assorbimento dei nutrienti, cenni al metabolismo di carboidrati, lipidi e proteine, regolazione ormonale delle vie metaboliche

Materia

• Sostanze pure: elementi e composti
  • Elementi: sostanze pure non scomponibili in altre sostanze più semplici (es. azoto, ossigeno, oro)
  • Composti: sostanze pure formate da due o più elementi combinati in rapporti fissi (es. biossido di carbonio, emoglobina)
• Miscele: sostanze non pure dove le sostanze che le formano mantengono le loro caratteristiche.
  • Omogenee: miscele uniformi in cui le sostanze sono distribuite in modo uniforme (es. soluzioni).
    • La dimensione delle particelle in soluzione è inferiore a 1 nm
  • Eterogenee: miscele non uniformi in cui le sostanze non sono distribuite in modo uniforme (es. miscugli, dispersioni colloidali, sospensioni)
    • La dimensione delle particelle in miscele eterogenee è superiore a 1 nm ed inferiore a 1000 nm, si ha la dispersione colloidale, mentre la dimensione delle particelle in sospensione eccede 1,000 nm

Esempio di sospensione: Il Sangue

• Il sangue è una miscela eterogenea.
• Contiene una fase dispersa di cellule e una fase continua liquida (plasma).
• Le cellule (globuli rossi, globuli bianchi e piastrine) sono sospese nel plasma.
• Il sangue può essere separato in componenti tramite centrifugazione, separando il plasma dagli altri elementi.

Atomi ed elementi

• Gli elementi sono sostanze formate da atomi della stessa specie.
• Gli atomi sono le particelle più piccole che conservano le caratteristiche di un elemento.
• Gli elementi sono rappresentati nella tavola periodica.
• Carbonio (C), ossigeno (O), idrogeno (H) e azoto (N) costituiscono il 96% della materia vivente.
• Altri elementi importanti nelle macromolecole biologiche sono fosforo (P) e zolfo (S).

Atomi di un elemento

• L'atomo è la più piccola parte di un elemento che conserva le sue caratteristiche.
• L'atomo è composto da un nucleo (protoni e neutroni) e elettroni.
• Il numero atomico (Z) indica il numero di protoni nell’atomo.
• Nell’atomo neutro il numero di protoni è uguale al numero di elettroni.

Orbitali atomici ed elettroni di valenza

• Un orbitale è una regione dello spazio intorno al nucleo dove si ha una probabilità elevata di trovare un elettrone.
• In ciascun orbitale possono essere presenti uno o massimo due elettroni.
• Gli elettroni di valenza sono gli elettroni presenti nell'ultimo livello energetico di un atomo, ed intervengono nella formazione dei legami chimici.
• La regola dell'ottetto afferma che gli elementi tendono ad avere 8 elettroni di valenza.

Rappresentazione “a punti” degli elettroni di valenza

• La rappresentazione di Lewis (o a punti) mostra gli elettroni di valenza disposti intorno al simbolo dell'elemento.
• Ogni elettrone spaiato rappresenta un potenziale legame.

Molecole

• Le molecole sono formate da due o più atomi legati tra loro.
• La formula molecolare indica il numero di atomi di ogni elemento presenti in una molecola.

Composti

• I composti sono sostanze formate da due o più elementi combinati in rapporti fissi e costanti di massa.
• I composti possono essere molecolari (atomi legati da legami covalenti) o ionici (ioni legati da attrazione elettrostatica).

Ioni Cationi e Anioni

• Gli ioni sono atomi o gruppi di atomi con una carica elettrica.
• Cationi sono ioni positivi (perdono elettroni).
• Gli anioni sono ioni negativi (acquistano elettroni).

Legami chimici

• Le forze di attrazione che legano gli atomi nelle molecole o ioni negli aggregati cristallini sono chiamati legami chimici.
• Legame covalente: gli atomi condividono elettroni.
• Legame ionico: un atomo cede uno o più elettroni ad un altro atomo formando ioni con carica opposta.

Teoria del legame di valenza (VB)

• Il legame covalente si forma quando due orbitali atomici si sovrappongono.
• Si forma un orbitale molecolare.
• Gli atomi tendono a formare un numero di legami pari al numero di elettroni disaccoppiati nel loro livello energetico più esterno.

Legame covalente polare

• Avviene tra due atomi diversi con differenza di elettronegatività inferiore a due.
• Gli elettroni sono condivisi in maniera non uguale, creando un dipolo.

Influenze delle coppie di non legame sull'angolo di legame

• Le coppie di elettroni di non legame influenzano l'angolo di legame in quanto creano una maggiore repulsione rispetto alle coppie di legame.
• L'angolo di legame può quindi essere alterato.

Le molecole si distinguono in polari e non polari

• Una molecola polare ha un momento dipolare diverso da zero.
• Le molecole non polari hanno un momento dipolare uguale a zero.

Forze di interazione intermolecolari

• Forze di interazione idrofobica: le sostanze non polari tendono ad aggregarsi tra di loro per minimizzare le interazioni con l'acqua.
• Legami a ponte di idrogeno: sono legami che si formano tra un atomo di idrogeno legato ad un elemento fortemente elettronegativo (N, O o F) e un altro atomo elettronegativo di una molecola vicina.
• Interazioni ione-dipolo: si verificano tra un ione e una molecola polare (dipolo).

Importanza biologica delle interazioni idrofobiche

• Le interazioni idrofobiche sono fondamentali nel folding delle proteine.
• Mantengono la forma delle proteine.
• Le membrane cellulari sono costituite da un doppio strato fosfolipidico.
• Le interazioni idrofobiche si verificano nella formazione delle micelle.