Sbobine di Biochimica - A.A. 2023/2024 - Semestre I PDF

Sbobine di BIOCHIMICA Prof.ssa Mariotto Sofia Giovanna A.A. 2023/2024 SemestreI INTRODUZIONE ALLA BIOCHIMICA La biochimica è lo studio della chimica della vita, per la quale si intendono composizione chimica e trasformazioni chimiche. È una materia strettamente legata all...

Sbobine di BIOCHIMICA Prof.ssa Mariotto Sofia Giovanna A.A. 2023/2024 SemestreI INTRODUZIONE ALLA BIOCHIMICA La biochimica è lo studio della chimica della vita, per la quale si intendono composizione chimica e trasformazioni chimiche. È una materia strettamente legata alla medicina, in quanto un corretto funzionamento dei tessuti (cellule, organismi) denota uno stato di benessere, al contrario, una disfunzione biochimica può indicare una patologia. Conoscere la biochimica può aiutare, nell’ultimo caso, a trovare delle risposte terapeutiche corrette. Tutti gli esseri viventi obbediscono alle leggi della chimica: Gli organismi viventi sono sistemi aperti,quindi scambiano materia e energia con l’esterno, rispondendo alle leggi della termodinamica; Si avvalgono di reazioni veloci grazie agli enzimi (cinetica chimica); Equilibrio chimico:reazioni legate tra di loro(flussi metabolici);spesso non all’equilibrio per usufruire di maggiori quantità di energia. A primo impatto potrebbe sembrare che le cellule non rispettino il secondo principio della termodinamica (secondo il quale tutti i sistemi spontanei tendono verso un aumento di entropia, quindi di disordine, nel nostro caso molecolare).Una cellula tenta di portare al suo interno delle molecole e organizzarle in maniera ordinata, il che andrebbe contro questo principio,in quanto, se il sistema tende ad ordinarsi, il livello di entropia diminuisce. In realtà quando si parla di organismi complessi,è necessario ricordare che la spontaneità di una reazione è data dall’aumento di entropia. La materia vivente è composta da una decina di elementi chimici e altri presenti invece in tracce che si rivelano però essenziali per la nostra vita. C, N,O,sono elementi vicini nella tavola periodica, in gruppi vicini e nello stesso periodo, con elettronegatività simile,hanno orbitali atomici che si possono facilmente incontrare. Formano legami covalenti, quindi forti, polari o apolari. (Legame covalente = orbitale molecolare, che analogamente a quello atomico,è uno spazio in cui è massima la probabilità di trovare i due elettroni che ruotano intorno ai due nuclei) Molecole costitutive della materia vivente: 20 aminoacidi>si organizzeranno in proteine,ormoni,porfirine,substrati energetici; 5 basi nucleotidiche>DNA,RNA,coenzimi,trasportatori di energia; Meno di dieci tipi di zuccheri>substrati energetici,elementi di riconoscimento cellulare (il glucosio si assembla in glicogeno, polimero di riserva delle cellule); Lipidi>costituenti delle membrane,substrati energetici. Le macromolecole sono composti multimerici assemblati a partire da un certo numero di sub unità più semplici. Acqua: Un altro componente fondamentale della materia vivente è l’acqua, in quanto è il composto più abbondante del nostro organismo(70%) e la maggior parte delle reazioni chimiche avvengono in ambiente acquoso.Si tratta inoltre di molecole polari con la possibilità di formare legami a idrogeno, tra loro o con altre molecole. L’ossigeno lega a sé i due atomi di idrogeno tramite legame covalente; È una molecola polare:polo parzialmente positivo sugli atomi di idrogeno e parzialmente negativo sull’atomo di ossigeno,questo Consente all’acqua di formare ponti H,interagire con le cariche, ecc.… 1 Energia: Per energia si intende la capacità di un corpo di compiere un lavoro, in chimica è la capacità di compiere una trasformazione, che è quello che avviene durante una trasformazione chimica. Ricorda: la cellula non può utilizzare il calore come fonte di energia e devono trasformare l’energia contenuta negli alimenti in una forma da loro utilizzabile, come l’ATP, in quanto “moneta di scambio” del nostro organismo. NOZIONI DI CHIMICA ORGANICA Il soggetto della chimica organica è l’atomo di carbonio. Quarto gruppo, secondo periodo della tavola periodica:la sua posizione dà tutte le informazioni necessarie per comprendere la sua natura e i suoi comportamenti. Per comprendere la sua reattività è necessario partire dalla sua configurazione elettronica. È una rappresentazione schematica dell’ordine energetico dei suoi orbitali, (i numeri quantici si ricavano dall’equazione di Schroedinger): Il numero che precede la lettera è il numero quantico principale, che dà il valore del livello energetico; La lettera rappresenta il numero quantico secondario, che descrive la forma dell’orbitale(s di forma sferica, p di forma lobata e poi esiste un numero quantico indica i tre tipi di orbitali p); Il numero atomico indica gli elettroni(ma anche i protoni); In ogni orbitale possono esserci al massimo due elettroni; Ogni elettrone può essere caratterizzato al massimo da tre numeri quantici uguali e uno diverso, ne consegue che in ogni orbitale ci siano elettroni che hanno numero di spin opposto (+1/2 , - 1/2 ) Solo gli elettroni esterni per i quali il livello energetico non è completato, determineranno la reattività. Il carbonio può formare quattro legami, ma da questa configurazione non è deducibile:quello che avviene nella realtà si spiega immaginando, innanzitutto, che l’energia che si trova nell’ambiente possa promuovere facilmente un elettrone dall’orbitale 2s all’orbitale 2p. In questo modo l’atomo di carbonio passa dallo stato “fondamentale”allostato“eccitato”(cosacheavvienepertantielementi). L’orbitale 1s, nel caso nell’esempio, non è rilevante in quanto si tratta di un orbitale completo che quindi non può formare legami chimici. Il risultato sono quattro orbitali semi-occupati in grado di legarsi ad altri atomi. Dopo questo spostamento, gli orbitali hanno caratteristiche differenti rispetto alla loro condizione precedente e tra di loro. Per poter giustificare queste differenze, occorre parlare di ibridazione: rimescolamento/ricombinazione di due o più Orbitali diversi da un punto di vista di forma e energia,per ottenerne due nuovi identici,per forma ed energia. Quindi: Il carbonio può formare 4 legami covalenti perché nel suo stato eccitato presenta quattro orbitali semi-occupati; Si lega con altri atomi di carbonio o con atomi come H,O,N; Forma legami semplici, doppi o tripli. Ibridazionesp3 Deriva dal mescolamento di un orbitale sedi tre orbitali p,per dare origine ad altri quattro orbitali atomici Ibridi sp isoenergetici. Hanno un livello di energia intermedio tras e p. Avranno inoltre forma diversa rispetto a quelle di partenza:infatti, sempre prendendo in esame il Carbonio che ha un orbitale s e tre orbitali p(p;;), quandox py pzsi rimescoleranno, avranno forma identica tra loro, non simmetrica,ma isoenergetica e con una geometria tetraedrica (angoli di 109,5°). 2 Ibridazionesp2 Deriva dal mescolamento di un orbitale s e due orbitali p, il risultato sono tre orbitali atomici ibridi sp2 isoenergetici (o degeneri). Quando si passa quindi, dallo stato fondamentaleaquelloeccitato,mescolandol’orbitaleseidueorbitalip,viene escluso un orbitale p. In questo caso la geometria sarà trigonale,planare,coni tre orbitali ibridi rivolti vero i vertici di un triangolo equilatero, formando angoli di 120°. Gli orbitali ibridi hanno energia maggiore dell’orbitale2s, ma minore dell’orbitale 2p. L’orbitale p che resta fuori da questo meccanismo e rimane quindi non ibrido,rimane perpendicolare al piano, cioè mantiene la tipica forma lobata dell’orbitale s, con una zona sopra e una sotto al piano, nel qualel’elettrone si muove tranquillamente. Gli atomi di carbonio con ibridazione sp2possono formare tra loro doppi legami: caratteristica degli alcheni. Il fatto che uno degli orbitali non si ibridi è fondamentale per la formazione dei doppi legami, in quanto,se si pensa a due atomi di carbonio nello spazio, questi non resteranno isolati (comportamento proprio dei gas nobili che sono stabili perché completi), anzi, proprio perché instabili, si avvicineranno tra di loro fin quando avranno raggiunto una certa distanza (che sarà poi la lunghezza del legame) in cui l’energia avrà il minor valore possibile, dando così il maggior grado di stabilità. La distanza ottenuta è ottimale per la condivisione di elettroni: avvicinandosi mettono in comune un elettrone e un nuovo spazio. Il nuovo orbitale molecolare si chiama “sigma” σ. Anche i due orbitali p si avvicineranno fino a sovrapporsi e a condividere gli elettroni: formeranno il legame “pigreco”π. Quindi, quando due atomidicarbonioibridatisp2si avvicinano, formano un legame doppio che sarà formato da un legame sigma σ e un legame pigreco π. La zona azzurra del legame pigrecoπ è una zona di massima reattività da parte degli elettroni. Ibridazionesp Il nome suggerisce già la composizione del legame: un orbitale s e un orbitale p, che mescolandosi formano due orbitali atomici ibridi sp isoenergetici (o degeneri) e due orbitali non ibridi rimangono fuori.Gli orbitali ibridi hanno energia intermedia maggiore dell’orbitale 2s e minore dell’orbitale 2p. 3 La disposizione di questi orbitali ibridi tra loro, avrà un’angolazione di 180°, mentre i due orbitali che non si sono ibridati saranno perpendicolari tra di loro. Per capire la reattività di un atomo ibridato sp, basta prendere in esempio i due atomi di carbonio, sempre ibridati sp, e avvicinarli: si incontrano innanzitutto i rispettivi orbitali ibridi sp e formano il legame semplice σ, poi dall’incontro dei due orbitali non ibridi tra di loro, si formano due nuvole elettroniche diverse, due legami π, che danno origine al secondo e al terzo legame: struttura tipica di un alchino. ISOMERI Gli atomi all’interno delle molecole si possono concatenare in maniera diversa, quindi esistono molecole che sono formate dallo stesso tipo e dallo stesso numero di atomi ma che hanno una geometria diversa. Gli isomeri non sono altro che molecole con la stessa formula molecolare ma diversa formula di struttura, sia legata ad una diversa concatenazione degli atomi, sia ad una diversa forma geometrica. Tramite la formula molecolare si ricavano quali e quanti atomi formano la molecola, mentre con la formula di struttura viene definito come sono disposti gli atomi nello spazio e come sono legate tra di loro (bisogna fare attenzione perché le formule di struttura non danno una reale rappresentazione della disposizione nello spazio dei singoli atomi). Es. n°1 metano CH4(formula molecolare) La sua formula di struttura potrà essere scritta in maniera semplice, come nel primo caso,oppurerispettandolageometriasp3 della molecola. Es. n°2 etilene C2 H4(formula molecolare) Queste sono due diverse formule di struttura, nel secondo caso è ovviamente rispettata l’ibridazione sp2 SCHELETRI CARBONIOSI Gli atomi di carbonio possono formare tra loro legami semplici doppi o tripli, dando origine a catene lineari, ramificate o chiuse ad anello, la cui lunghezza può variare nettamente a partire da pochi atomi per finire con catene lunghissime,indicate come catene o scheletri carboniosi che rappresentano la struttura portante dei composti biologici. (Raramente sono presenti legami tripli). 4  IDROCARBURI Si tratta dei composti formati solo da idrogeno e carbonio e si dividono in aromatici e alifatici. Aromatici: il benzene è il capostipite, sono sempre ciclici, sempre insaturi, caratterizzati dalla risonanza degli elettroni e da una particolare struttura elettronica che coinvolge un preciso numero di elettroni. Alifatici: alcani, alcheni e alchini: Alifatici saturi:legame singolo carbonio-carbonio; Alifatici insaturi:doppio tripli legami carbonio-carbonio. Alchini Alcheni Ibridazione sp; Ibridazione sp;2 Insaturi; Insaturi; Almeno un triplo legame; Hanno almeno un doppio legame; Non hanno rilevanza apprezzabile in campo Il doppio legame è rigido e non consente rotazione; biologico Quando sono presenti sostituenti diversi sui carboni coinvolti nel doppio legame si ha isomeria Configurazionale CIS-TRANS. Alcani Ibridazione sp;3 Composti aromatici: Saturi; Il capostipite è il benzene: No doppi legami; Ha 6 atomi di carbonio ibridati sp2performare Catene semplici o ramificate; Legami σ con gli altri atomi di C e gli altri atomi di Apolari,insolubili in acqua; H; ad ogni C resta l’orbitale p con l’elettrone; Le uniche forze di interazione che si generano son Struttura planare e angoli di 120°; quelle di Van der Waals che aumentano ogni atomo di C completa l’ottetto mediante legame all’aumentare delle dimensioni delle molecole; con un atomo di H; Da uno a quattro atomi di carbonio sono gas;da Il chimico Kekulè fu il primo ad identificarlo nel cinque a diciassette sono liquidi, gli altri sono solidi; 1865; Possono formare cicloalcani; Gli orbitali p sono perpendicolari al piano dell’anello; Il sistema è particolarmente stabile; La lunghezza dei legami è intermedia tra quella dei legami singoli C – C (1.54 Å) e quella dei doppi legami C = C (1.33 Å); Le proprietà chimiche delle biomolecole dipendono dalla presenza di piccoli gruppi di atomi particolarmente reattivi chiamati gruppi funzionali: alcoli, aldeidi e chetoni, acidi carbossilici, eteri, esteri, anidridi. Alcoli:R-OH Gruppo funzionale:-OH Desinenza-olo. Caratteristiche chimico-fisiche: sono dovute per la maggior parte alla possibilità di formare legami H Legame idrogeno o ponte a idrogeno: forza intermolecolare che si forma tra molecole diverse quando H è legato con legame covalente ad un atomo X molto elettronegativo (O; N, F..). In questo caso H acquista una carica parziale positiva con una elevata densità che gli permette di fare da ponte con atomi a parziale carica negativa di molecole circostanti; Pur non avendo la forza di un legame covalente, il legame H è relativamente forte (2-10Kcal/mol),più forte di tutte le altre interazioni deboli. La sua forzaè dovuta alle piccole dimensioni di H; È un legame direzionale in quanto gli atomi che formano il legame devono essere allineati; Un atomo di H forma al massimo un legame(un ponte H); Si può instaurare anche all’interno di una molecola; Legame fondamentale nelle strutture biologiche come proteine e DNA. Il legame O –H è fortemente polarizzato e H ha una parziale carica positiva che gli consente di stabilire interazione “legami H “con molecole vicine. 5  NB:Se-OH viene sostituito con-SH (gruppo sulfidrilico),si originano i tioli,importantissimi nella struttura delle proteine. Hanno reattività simile agli alcoli. Aldeidi e chetoni: Si trovano insieme perché hanno lo stesso gruppo funzionale: il gruppo carbonile, in cui l’atomo di carbonio è ibridato sp2, i quattro legami dell’atomo di carbonio sono due utilizzati per formare un doppio legame con l’ossigeno, e due sono saturati o da un radicale R- e da un –H nelle aldeidi,o da due radicali R-nei chetoni. Il gruppo carbonilico ha un doppio legame tra carbonio e ossigeno, che indica l’ibridazione sp ;2 I legami sono molto polarizzati per via della differenza di elettronegatività: la nuvola è leggermente spostata verso l’ossigeno, quindi sull’ossigeno si trova una parziale carica negativa; Può succedere che questo doppio legame sia facilmente trainato verso l’ossigeno carico negativamente; Rappresentando il legame come coppie di elettroni condivisi si capisce meglio:l’ossigeno ha due doppietti Elettronici ma ha un orbitale che può accogliere quei due doppietti elettronici del carbonio ches ispostano. Spostare gli elettroni significa da un lato rompere il legame, ma dall’altro trasformare le cariche da parziali a reali. Acidi carbossilici-RCOOH: Gruppo funzionale:carbossilico; Ibridazionesp2; Geometria trigonale planare; Il doppietto elettronico dell’ossigeno si può spostare sul carbonio, pur essendo l’ossigeno più elettronegativo,ma questo Succede perché a questo puntos ul carbonio si è formata una carica positiva che può facilmente attrarre gli elettroni e formare un doppio legame con cui il carbonio colma la carica positiva. Il carbonio ha adesso quattro legami e la molecola nella suaglobalitàèsempre neutra. Nomenclatura:Il nome deriva dall’alcano con lo stesso numero di atomi di C al quale si aggiunge la desinenza -oico Punti di ebollizione più alti degli idrocarburi corrispondenti(stesso numero di C); Gli acidi carbossilici a corta catena sono completamente solubili in acqua;quando la catena R si allunga la solubilità in acqua diminuisce perché prevalgono le forze di Van der Walls dovute a R. Acidolaurico(C11)è Completamente insolubile; Gli acidi carbossilici sono composti acidi e danno reazione acido-base; 6  REAZIONI ACIDO-BASE Arrhenius: gli acidi sono quelle sostanze chimiche in grado di cedere ioni H+ e le basi sono le specie chimiche in grado di acquistarli; o meglio una specie è acida se cede ioni H+ad un’altra specie,mentre è base se è in grado di accettare ioni H+da un’altra specie: questo paragone si fa solitamente con l’acqua. CH3COO-(acetato)è la base coniugata di CH3COOH(acidoacetico);H3O+(ioneidronio)è l’acido coniugato di H2O; Una sostanza agisce da acido solo in presenza di una base e viceversa; Reattività degli acidi carbossilici: Acido carbossilico+alcol:ESTERE Acido carbossilico+tiolo: TIOESTERE. Il legame tioestere è un legame ad alta energia, dalla sua rottura per idrolisi si libera molta energia (DG°=- 32,2 kJ/mol energia libera di Gibbs); molte reazioni dell’organismo avvengono grazie alla presenza di molecole che contengono legami tioestere (acetil coenzima A). Acido carbossilico+acido carbossilico:ANIDRIDE Composti ad alta energia che tendono a riprendersi l’H2O e staccare le due funzioni acide; molecola altamente instabile: nell’ATP ci sono FOSFOanidridi con la stessa reattività. Acido carbossilico+ammoniaca/ammide:AMMIDE. L’ammide è molto importante nel legame peptidico. Geometria planare e struttura rigida; 7 STATO DI OSSIDAZIONE DEI COMPOSTI OSSIGENATI Dall'ossidazione dei composti ossigenati il nostro organismo riesce a ricavare l'energia di cui ha bisogno. La maggior parte dell'energia, infatti, viene ricavata in questo modo. REAZIONI REDOX O OSSIDORIDUZIONI Un'ossidoriduzione è una reazione in cui si ha uno scambio di elettroni. Ci sarà una specie chimica che cede gli elettroni e così facendo si ossida=funziona da riducente perché riduce la specie che incontra. Ci sarà anche una specie chimica che prendeglielettroniedunquesiriduce=funziona da ossidante perché ossida la specie che incontra. Queste due non sono reazioni vere e proprie, ma semireazioni (di ossidazione o riduzione), perché non avvengono mai in maniera separata, ma insieme (sempre associate). Se c'è una specie chimica che cede gli elettroni(si ossida)ce ne deve essere per forza un'altra che li accetta (si riduce). Dunque l'ossidazione è la perdita di elettroni mentre la riduzione è l'acquisto di elettroni. Esiste un modo semplice per distinguere una reazione di ossidoriduzione da una qualunque altra reazione chimica=bisogna analizzare il numero di ossidazione dei vari atomi delle varie molecole. Numero di ossidazione=è una carica formale (non reale). Se io ho una molecola e voglio calcolare lo stato di ossidazione di un atomo X di quest'ultima, immagino di associare gli elettroni coinvolti nei legamidiquell'atomo,all'atomopiù elettronegativo. Dalla foto possiamo vedere quale delle due specie chimiche (ferro ed idrogeno) si ossida/riduce. Se la specie aumenta il proprio numero di ossidazione=si ossida. Se la specie diminuisce il proprio numero di ossidazione=si riduce. Nella chimica organica l'atomo di carbonio (colui che subirà ossidoriduzione durante il metabolismo) presenta 5 numeri di ossidazione (+4,+2,0,-2,-4)=capire il numero di ossidazione del carbonio in una macromolecola è molto difficile=per farlo in maniera più veloce abbiamo bisogno di diverse regole che ci servono appunto per capire se durante il metabolismo una specie si sta ossidando o riducendo (in realtà la maggior parte dei substrati si ossida). Per i composti organici,invece che calcolare lo stato di ossidazione, per vedere se si ossidano o si riducono possiamo dire che: Ossidazione:rimozione di atomi di idrogeno o introduzione di etero atomi(atomidiversidacarbonioedidrogeno). Riduzione:aggiunta di atomi di idrogeno o rimozione di etero atomi. Le foto rappresentano la sequenza ossido riduttiva dei composti ossigenati del carbonio (si passa dal composto più ridotto a quello più ossidato). 8 AMMINOACIDI E PROTEINE Le proteine sono macromolecole di peso molecolare molto grande compreso fra 5000 e 1000000 dalton e sono costituite da unità monomeriche (amminoacidi) legate tra di loro con delle sequenze caratteristiche (uniche)=ogni proteina all'interno del nostro organismo presenta una sequenza amminoacidica propria che non è altro che la struttura primaria (indica come si legano questi amminoacidi).Se io cambio anche solo un amminoacido della sequenza di una proteina potrebbe significare che io vado a costruire una proteina difettosa che potrebbe essere la base di qualche patologia. La sequenza degli amminoacidi determina quella che sarà la forma di quella proteina (ogni proteina ha una forma specifica) e dunque anche la funzione della proteina (poiché la forma determina la funzione). La catena di una proteina può cambiare notevolmente:da 2 soli amminoacidi(dipeptide) a molti più di 1000(anche se spesso