Molecole biologiche 3 PDF

Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Elementi più abbondanti nei organismi vivi: ossigeno (O), carbonio (C), idrogeno (H), azoto (N), zolfo (S), fosforo (P). Se l’acqua è l’ambiente per la vita, il carbonio è lo scheletro per la materia organic...

Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Elementi più abbondanti nei organismi vivi: ossigeno (O), carbonio (C), idrogeno (H), azoto (N), zolfo (S), fosforo (P). Se l’acqua è l’ambiente per la vita, il carbonio è lo scheletro per la materia organica, e arriva alla materia organica tramite la fotosintesi. Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Per ché il carbonio per le molecole organiche? E’ tetravalente e altamente versatile Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Gli atomi di C possono legarsi covalentemente formando diversi tipi di Lineari strutture carboniose Le catene carboniose Ramificate possono essere: Cicliche  Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Struttura e funzione delle molecole: la forma determina le interazioni Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Secolo XIX: il vitalismo sostiene che ci sono i composti inorganici e i composti organici (basati sul C), prodotti solo dai esseri viventi, che possiedono una forza vitale al di là delle leggi della fisica e la chimica. Chimica del CARBONIO: chimica organica 1828, Wölher: sintesi d’urea, inizio della fine del vitalismo 1953, Miller: primo esperimento per la sintesi chimica di composti nel ‘brodo primordiale’. E possibile che la vita sia cominciata da elementi tutti inorganici? Si passa dal vitalismo al meccanicismo: tutti i fenomeni naturali sono governati dalle leggi fisiche e chimiche Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi IDROCARBURI Fatti da soli C e H Costituenti dei combustibili fossili e presenti come ‘code’ nei grassi: magazzino d’energia Possono formare tante strutture diverse: lineari, ramificate, con singoli e doppi legami, ad anello, anche con doppi legami alternanti: composti aromatici, con risonanza degli elettroni, molto stabili (amminoacidi, nucleotidi) Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Isomeri Composti con lo stesso tipo e numero di atomi, pero con strutture diverse: proprietà diverse (struttura e funzione): EQUIVALENTI da un punto di vista della composizione chimica NON EQUIVALENTI dai punti di vista FISICO e BIOLOGICO - Isomeri di struttura: diversa disposizione dei legami covalenti - Isomeri geometrici: hanno una struttura simile ma i gruppi sono disposti diversamente rispetto a un doppio legame covalente. Forme cis e trans. Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi - Stereoisomeri Hanno la stessa formula chimica, gli atomi sono legati nello stesso ordine, ma sono orientati diversamente nello spazio. Un caso particolare: gli enantiomeri: immagini speculari non sovrapponibili attorno a un C centrale asimmetrico (con quattro radicali diversi). Ci sono due forme chirali (forme che non si possono sovrapporre alla propria immagine speculare): D (destrorotatorio) ed L (levorotatorio), a seconda di come fanno girare la luce polarizzata. Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Tante molecole biologiche sono enantiomeri: gli aminoacidi che formano le proteine sono di tipo L (gruppo amminico a sinistra nella rappresentazione) Anche molecole medicinali come l’ibuprofene Ricordate perché è tanto importante la forma delle molecole? Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi GRUPPI FUNZIONALI Nelle molecole biologiche il C forma legami con: H, O, N, P, S. Alcuni gruppi di atomi contenenti C presentano proprietà chimiche costanti e si raggruppano in gruppi funzionali, che impartiscono certe caratteristiche chimico-fisiche alle -SH solfidrilico polare e solubile in acqua molecole che li -CH3 metilico apolare, idrofobo contengono. Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Le molecole più importanti per tutti gli esseri viventi appartengono a solo quattro tipi, e tre sono macromolecole: molecole grandi formate dall’unione di molecole più semplici: - carboidrati – formati da zuccheri semplici detti monosaccaridi - proteine – formate da amminoacidi - acidi nucleici – formati da nucleotidi - lipidi – formati da acidi grassi, glicerolo e altre molecole; si possono associare tra di loro ma non sono macromolecole Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Per tutte le macromolecole, è importante il rapporto struttura- funzione. Tre di loro sono polimeri: fatte di unità concatenate (monomeri, a volte anche essi funzionali): carboidrati, proteine e acidi nucleici. Formazione del polimero: si crea un nuovo legame covalente per disidratazione Distruzione del polimero: si rompe un legame covalente per idrolisi La varietà della vita si bassa su variazioni nell’ordine dei monomeri lungo le catene polimeriche di acidi nucleici. Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi CARBOIDRATI Unità monomerica: monosacaccaride (zucchero elementare o semplice) Monosaccaridi: 3a7C Più frequenti: 3, 5 e 6 C: triosi, pentosi, esosi Possono essere: aldosi chetosi Alcuni sono isomeri Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Zuccheri: - fonte d’energia (respirazione) - fonte di C per biosintesi (aminoacidi, acidi grassi, nucleotidi) In acqua, i zuccheri formano anelli: Formule lineare e ad anello del alfa-glucosio Formula ciclica abbreviata Dopo la chiusura ad anello: gruppo –OH del C1 verso il basso: forma alfa gruppo –OH del C1 verso l’alto: forma beta Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Primo livello di polimerizzazione: DISACCARIDI: due zuccheri semplici uniti da un legame glicosidico (covalente, formato per disidratazione) Alfa-glucosio Legame glicosidico Beta-fruttosio Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Saccarosio glucosio + fruttosio (tavola) Lattosio galattosio + glucosio (latte) Maltosio glucosio + glucosio (birra) Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi POLISACCARIDI: catene di zuccheri, da centinaia a migliaia di unità. La loro struttura e funzione sono determinate dal tipo di monosaccaride e della posizione dei legami glicosidici tra le unità. Legame (1-4) alfa-glicosidico Legame (1-4) beta-glicosidico α β Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi - Polisaccaridi di deposito: magazzino d’energia Glucosio polimerizzato in forma elicoidale: legame alfa 1 - 4 Glucosio polimerizzato in forma ramificata: legame alfa 1 - 6 Piante: amido, polimero di glucosio alfa: - elicoidale lineare: amilosio - ramificato: amilopectina Animali: glicogeno, polimero di glucosio alfa ramificato (cellule epatiche e muscolari) Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Glicogeno: polisaccaride di riserva animale Si trova sottoforma di granuli come riserva energetica nelle cellule del fegato e dei muscoli. Struttura ramificata. Il glucosio captato dai muscoli e dai tessuti viene utilizzato a scopo energetico o immagazzinato come glicogeno. Se le riserve di glicogeno sono sature, il glucosio viene trasformato in grasso e immagazzinato nelle cellule adipose. Glicogenosintesi -Polisaccaridi strutturali: materiale di costruzione; polimeri di glucosio beta. Piante: cellulosa, polimero lineare di glucosio beta a orientamento alternante: - per l’uomo: non digeribile (fibra); carta, cotone - per i ruminanti: fonte d’energia grazie ai batteri che la degradano Animali e funghi: chitina, polimero di glucosio modificato, esoscheletro degli artropodi Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi LIPIDI Categoria molto eterogenea definita in termini di solubilità piuttosto che di struttura chimica; importanti nelle cellule: grassi, fosfolipidi e steroidi Non formano polimeri, non sono vere macromolecole Sono generalmente idrofobi dovuto a le loro catene idrocarburiche costituite da C e H: non polari e insolubili in acqua Solubili in solventi organici non polari (benzina) e liquidi non polari (olio): liposolubili Talvolta presentano pochi gruppi funzionali (O, P e N), non completamente idrofobici (lipidi anfipatici) Non formano polimeri, ma strutture sovra-molecolari: le membrane cellulari Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Funzioni dei lipidi Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi GRASSI Fonte d’energia a basso peso, ma anche protezione e isolamento termico. Si trovano in piccole quantità in diversi tessuti e attorno agli organi, concentrati nelle cellule adipose. glicerolo + 3 acidi grassi (eguali o no) = triacilglicerolo (trigliceride) Gli acidi grassi sono anfipatici: - piccola regione idrofila (-COOH) - lunga catena idrofoba (fatta da C e H) Ci sono diversi tipi, caratterizzati dalla loro lunghezza (da 4 a 24 atomi C, più comuni 16, 18 e 20 C) e dalla presenza di doppi legami tra gli atomi di C Si legano al glicerolo per legame covalente di tipo estere Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi I grassi possono essere monogliceridi, digliceridi e trigliceridi; i trigliceridi sono i più comuni nei grassi animali e vegetali legame estere Acidi grassi saturi: Senza doppi legami tra C (saturi di H) Grassi animali, solidi a temperatura ambiente Acidi grassi insaturi: Con doppi legami tra C, in cis (si piega) Grassi vegetali e di pesce, liquidi a temperatura ambiente Idrogenazione artificiale -> saturi + insaturi trans, nocivi per la salute FOSFOLIPIDI Formati da: glicerolo + 2 acidi grassi + gruppo fosfato + gruppo variabile Sono anfipatici: struttura e funzione per fare le membrane biologiche testa idrofila code idrofobe Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Fosfatidilcolina Fosfatidilserina Fosfatidiletanolamina Fosfatidilinositolo Fosfatidilglicerolo Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi GLICOLIPIDI I glicolipidi consistono di due catene idrocarburiche legate ad una testa polare che contiene carboidrati. Sono molecole anfipatiche. Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi STEROIDI Il colesterolo e molti ormoni sono steroidi Tanti ormoni, come gli ormoni sessuali, si producono partendo dal colesterolo (che va sintetizzato nel fegato) Contengono un caratteristico scheletro con quattro anelli carboniosi e un piccolo gruppo polare, sono anfipatici Il colesterolo è anche componente strutturale delle membrane biologiche Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Gli altri due gruppi di macromolecole sono polimeri fatti di piccole unità, e la loro funzione è così complessa che la studieremmo più avanti in lezioni dedicate a ogni gruppo: acidi nucleici, fatti da nucleotidi proteine, fatte da aminoacidi Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi AMINOACIDI Carbonio alfa Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Glicina (Gly, G) Alanina (Ala, A) Valina (Val, V) Leucina (Leu, L) Isoleucina (Ile, I) Non polari Metionina (Met, M) Fenilalanina (Phe, F) Triptofano (Trp, W) Prolina (Pro, P) Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Polari Serina (Ser, S) Treonina (Thr, T) Cisteina (Cys, C) Tirosina (Tyr, Y) Asparagina (Asp, N) Glutammina (Gln, Q) Acidi Basici Elettricamente carichi Acido aspartico (Asp, D) Acido glutammico (Glu, E) Lisina (Lys, K) Arginina (Arg, R) Istidina (His, H) Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Polipeptidi e proteine Si formano per legame peptidico tra un gruppo carbossilico e un gruppo amminico, per disidratazione La catena può contenere pochi aa (peptidi) o centinaia di aa (proteine), ma ha sempre una estremità C- terminale e una N-terminale: ha un orientamento Si forma uno scheletro polipeptidico, dal quale si estendono le catene laterali degli amminoacidi La sequenza de catene laterali dona alla proteina le sue caratteristiche Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi  Pirimidine NUCLEOTIDI Nucleoside Base Citosina (C) Timina (T, DNA) Uracile (U, RNA) azotata Purine Gruppo fosfato Zucchero (pentoso) Adenina (A) Guanina (G) Nucleotide Desossiribosio (DNA) Ribosio (RNA) Polinucleotide Componenti dei nucleotidi Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Base Nucleoside Abbreviatura Nucleotide adenina adenosina A AMP, ADP, ATP (adenosina trifosfato) guanina guanosina G GMP, GDP, GTP (guanosina trifosfato) citosina citidina C CMP, CDP, CTP (citidina trifosfato) uracile uridina U UMP, UDP, UTP (uridina trifosfato) timina timidina T TMP, TDP, TTP (timidina trifosfato) Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi ATP: adenosina tri-fosfato Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Acidi nucleici Nucleotidi uniti da legami fosfodiestere, fra un gruppo fosfato e due zuccheri, formando una catena alternante di zucchero e fosfato che ha una direzione a senso unico, con una estremità 5’ (carbonio 5 dello zucchero) dove c’e un gruppo fosfato, e una estremità 3’ (carbonio 3 dello zucchero) dove c’e un gruppo ossidrile libero. Da questa catena si proiettano le basi azotate: codificazione del messaggio genetico. Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi Le molecole non sono ferme dentro la cellula random_walk Tecniche di studio degli acidi nucleici Elettroforesi dei acidi nucleici: le molecole di DNA o RNA vengono separate in gel di agarosio, e poi colorate con bromuro di etidio o altri coloranti in grado di incastrarsi nel DNA, visibili con luce ultravioletta Tecniche di studio degli acidi nucleici Tecniche di studio degli acidi nucleici Southern and northern blot: analisi di DNA e RNA dopo elettroforesi e trasferimento a un filtro Tecniche di studio degli acidi nucleici Tecniche di studio delle proteine Tecniche biochimiche Frazionamento cellulare: permette l’isolamento dei componenti cellulari in funzione della sua dimensione e densità. Tecniche di studio delle proteine Elettroforesi delle proteine: le proteine vengono separate in base alla loro grandezza in gel di poliacrilamide, che poi si colorano con Coomassie blue o con sali d’argento. Tecniche di studio delle proteine Tecniche di studio delle proteine Colorazione con sali d’argento Colorazione Coomassie blue Tecniche di studio delle proteine ANTICORPI Proteine prodotte dal sistema immunitario dei vertebrati come difesa contro le infezioni. Sono prodotte in miliardi di forme diverse ognuna con un sito di legame diverso che riconosce una molecola bersaglio specifica (antigene). la precisa specificità antigenica degli anticorpi li rende strumenti potenti per essere usati in biologia cellulare. Tecniche di studio delle proteine Western blot: analisi di proteine dopo elettroforesi e trasferimento a filtro usando anticorpi. Tecniche di studio delle proteine Tecniche di studio delle proteine Marcatura metabolica: si usano metionina e cisteina che contengono 35S per marcare le proteine di nuova sintesi Tecniche di studio delle proteine Visualizzazione tramite autoradiografia di proteine dopo marcatura metabolica radioattiva: tramite immunoprecipitazione ed elettroforesi. time 0 time 45 min cells cells medium EndoH - + - + - + PC12-WT NS PC12-G392E NS Tecniche di studio delle proteine ELISA (enzyme linked immunoassay, colorimetrico) e RIA (radio immunoassay, radioattivo): per rilevare e quantificare una proteina in un campione complesso.