Corso di Laurea in Farmacia Insegnamento di BIOCHIMICA Angela Chambery Lezione 1 Materiale di consultazione AA 2014-2015 BIOCHIMICA Campbell & Farrel- Quarta Edizione- EdiSES FONDAMENTI di BIOCHIMICA Voet et al. Terza Edizione- Zanichelli I PRINCIPI DI BIOCHIMICA di Lehninger Nelson & Cox - Zanichelli BIOCHIMICA L. Stryer et al. - Zanichelli BIOCHIMICA CON ASPETTI CLINICO-FARMACEUTICI Thomas M. Devlin - EdiSES BIOCHIMICA C.K. Mathews, K.E. Van Holde, K.G. Ahern - Casa Editrice Ambrosiana APPUNTI DALLE LEZIONI OBIETTIVI FORMATIVI Conoscenze di base sulla struttura, proprietà chimico-fisiche e funzione delle macromolecole biologiche (proteine, acidi nucleici, carboidrati, lipidi) e dei relativi componenti (amminoacidi, basi azotate e nucleotidi, monosaccaridi ed acidi grassi). Struttura, funzione e regolazione degli enzimi. Metabolismo energetico Metabolismo informazionale. INDICAZIONI SUGLI STRUMENTI DA RAGGIUNGERE Applicare il metodo scientifico Conoscere le metodologie biochimiche di base per: Identificare, caratterizzare ed analizzare le biomolecole Chimica biologica La Biochimica (“Chimica della vita”) si occupa di studiare la “logica molecolare della vita” ovvero: i) le relazioni esistenti tra la struttura e la funzione delle molecole biologiche (molecole della vita); ii) gli organismi viventi a livello molecolare con particolare riferimento ai dettagli molecolari dei processi biologici (es. catabolismo ed anabolismo) che sono alla base del flusso di energia e della capacità di autoregolazione, riproduzione e regolazione degli organismi. Il fine ultimo è quello di scoprire le leggi che governano la materia vivente. Chimica biologica Lo studio della Biochimica da risposta ai seguenti quesiti: 1. Quali sono le strutture chimiche e tridimensionali delle molecole biologiche? 2. Come interagiscono le molecole biologiche? 3. Attraverso quali vie la cellula sintetizza e degrada le molecole biologiche? 4. In che modo la cellula conserva ed utilizza l’energia? 5. Quali sono i meccanismi che organizzano le molecole biologiche e coordinano le loro attività? 6.In che modo le informazioni genetiche sono conservate, trasmesse ed espresse? Programma INTRODUZIONE La biochimica: le molecole biologiche Gli elementi di importanza biologica Gli elementi elettronegativi I gruppi funzionali Le macromolecole Le unità monomeriche delle macromolecole Il legame tra le unità monomeriche Le unità di misura Programma L’ACQUA Struttura dell’acqua Importanza dell’acqua per i sistemi biologici Polarizzazione dei legami Interazioni deboli in ambiente acquoso Legame ionico Forze di Van der Waals Legame idrogeno Le interazioni idrofobiche Programma PROTEINE: STRUTTURA E FUNZIONE Le unità monomeriche: gli α-L-amminoacidi (Stereochimica - attività ottica - proprietà acido-basiche – Proprietà delle soluzioni acquose: pH - forza ionica - concentrazione) Separazione ed analisi degli amminoacidi: elettroforesi; cromatografia a scambio ionico; cromatografia a fase inversa. Peptidi e Proteine. Attività biologica di peptidi. Funzioni delle proteine. Proprietà principali delle proteine. Livelli di organizzazione strutturale delle proteine: struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria; ripiegamento delle proteine globulari. Funzione delle proteine: proteine strutturali (α α-cheratina – collageno fibroina della seta) e globulari (proteine di trasporto: mioglobina ed emoglobina). La denaturazione delle proteine. Rinaturazione. Determinazione della struttura primaria di peptidi e proteine con la reazione di Edman. Programma PROTEINE CATALITICHE: GLI ENZIMI Catalisi enzimatica: specificità di reazione e di substrato Classificazione degli enzimi Coenzimi La cinetica enzimatica. Il complesso Enzima-Substrato (ES) Modello di Michaelis - Menten Significato e determinazione sperimentale di KM e VMAX Le linearizzazioni Inibizione enzimatica Principi generali della regolazione enzimatica: allosteria, retroinibizione, modifiche covalenti, controllo a cascata, zimogeni, compartimentazione. Programma ACIDI NUCLEICI E METABOLISMO INFORMAZIONALE Organizzazione strutturale degli acidi nucleici: basi azotate, nucleosidi e nucleotidi; polinucleotidi. DNA e RNA: struttura primaria e secondaria degli acidi nucleici; la struttura a doppia elica. Denaturazione termica degli acidi nucleici: iper- ed ipo-cromismo, temperatura di fusione, denaturazione reversibile, ibridazione. Idrolisi enzimatica e chimica. La replicazione del DNA: le DNA polimerasi e altre proteine della replicazione Trasferimento dell’informazione: la trascrizione. La RNA polimerasi-DNA dipendente; fasi del processo di trascrizione; struttura e funzione del tRNA. La decodificazione dell’informazione: la traduzione (sintesi proteica). Il codice genetico, struttura e funzione dei ribosomi, attivazione degli amminoacidi, le fasi della sintesi proteica: inizio, allungamento e terminazione. Programma CARBOIDRATI E LIPIDI Stereochimica Monosaccaridi: struttura e proprietà, derivati dei monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi (strutturali e di riserva); Glicoproteine. Struttura e proprietà degli acidi grassi, cere, triacilgliceroli, fosfolipidi, glicolipidi, steroli. Le membrane biologiche: struttura e proprietà delle membrane, il modello a mosaico fluido, trasporto attraverso le membrane. Programma METABOLISMO Concetti generali di energetica: i composti ad alto contenuto energetico. Il metabolismo dei carboidrati: Glicolisi - Le vie fermentative del piruvato. Riossidazione del NADH citoplasmatico. La via dei pentoso-fosfati. Biosintesi dei carboidrati: la neoglucogenesi da piruvato e da intermedi del ciclo degli acidi tricarbossilici. Degradazione e sintesi del glicogeno. Metabolismo dei lipidi. La degradazione dei triacilgliceroli: la β-ossidazione degli acidi grassi saturi a numero pari di atomi di carbonio. La biosintesi degli acidi grassi saturi: il complesso dell’acido grasso sintetasi. Il catabolismo delle proteine: gli enzimi proteolitici. Destino del gruppo amminico degli amminoacidi: transamminazione, deamminazione ossidativa e ciclo dell’urea. La combustione completa degli atomi di carbonio e la produzione di energia in condizioni di aerobiosi: il ciclo degli acidi tricarbossilici (Ciclo di Krebs). Programma METABOLISMO Le reazioni anaplerotiche. Il ciclo del gliossilato. La catena di trasporto degli elettroni: gli elementi della catena, il meccanismo della sintesi di ATP. Bilancio energetico dei vari processi metabolici. Unità di base nel Sistema Internazionale Lunghezza Metro m Massa Chilogrammo Kg (g) Tempo Secondo s Quantità di sostanza Mole mol Multiplo Prefisso Simbolo 1012 109 106 103 Tera Giga Mega Kilo T G M K 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 milli micro nano Pico femto atto zepto m µ n p f a z Esempi di applicazione dei prefissi Lunghezza (m) Massa (g) Tempo (s) Quantità di sostanza Concentrazione (M) mm mg ms mmol mM μm μg μs μmol μM nm ng ns nmol nM 0,1nm= 1 Å Angstrom pg ps pmol pM Concentrazione: M = mol/L soluzione % = g/100 ml soluzione mg/ml Fondamenti di chimica e origini della vita Concetti chiave: • Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi. • I diversi tipi di biomolecole sono caratterizzati da determinati gruppi funzionali e legami. • Durante l'evoluzione chimica, i composti semplici si uniscono a formare molecole più complesse e polimeri. • Le molecole in grado di replicarsi da sole sarebbero state soggette alla selezione naturale. Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi Elementi essenziali per la vita e la salute degli animali D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi La materia vivente consiste di pochi elementi C, H, O, P, Ca e S ammontano a circa il 97% del peso secco del corpo umano La composizione della materia vivente è notevolmente differente da quella del mondo inanimato Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi Elemento Carbonio (C) Idrogeno (H) Azoto (N) Ossigeno (O) Presente in tutti gli organismi Presente in alcuni organismi Commento x x x x “Prima fila”; i più abbondanti in tutti gli organismi Calcio (Ca) Cloro (Cl) Magnesio (Mg) Fosforo (P) Potassio (K) Sodio (Na) Zolfo (S) x x x x x x x “Seconda fila”: molto meno abbondanti ma presenti in tutti gli organismi Cobalto (Co) Rame (Cu) Ferro (Fe) Manganese (Mn) Zinco (Zn) Alluminio (Al) Arsenico (As) Boro (B) Bromo (Br) Cromo (Cr) Fluoro (F) Gallio (Ga) Iodio (I) Molibdeno (Mo) Selenio (Se) Silicio (Si) Vanadio (Va) x x x x x “Terza fila”: metalli presenti in piccole quantità ma essenziali per la vita x x x x x x x x x x x X “Quarta fila”: presenti o richiesti in tracce da alcuni organismi Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi C’è differenza tra la composizione degli organismi viventi e quella della biosfera. Poiché la BIOSFERA è preesistente alla comparsa della vita, ne deriva che la scelta degli elementi che fanno parte degli organismi viventi obbedisce a due criteri: - DISPONIBILITA’ - ESSERE ADATTO (FITNESS) a svolgere una determinata funzione Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi Idrogeno Ossigeno Azoto Carbonio Sono i più piccoli atomi che raggiungono una configurazione stabile condividendo 1, 2, 3 e 4 elettroni rispettivamente. Formano, essendo, i più piccoli, i legami covalenti più forti di qualunque altro elemento con le stesse valenze (la forza del legame è maggiore se minore è il raggio atomico). O, N e C sono i soli elementi a formare legami multipli forti. Il requisito di stabilità viene così soddisfatto. Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi È un gas solubile in H2O È il secondo elemento più elettronegativo e quindi uno dei più avidi di elettroni dopo il fluoro. Di conseguenza è un accettore biologico di elettroni. Il trasferimento di elettroni da molte altre molecole all’ossigeno avviene con produzione di energia. Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi Dopo l’ossigeno è l’elemento più elettronegativo presente nelle biomolecole. Presente nelle proteine, ne determina proprietà strutturali e funzionali Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi È l’elemento più versatile nel formare legami. Può formare un numero enorme di molecole stabili con O, H e N (Es.: Con O forma la CO2, un gas stabile, solubile in H2O e adatto a far circolare il C tra gli organismi). Presenta 4 elettroni di valenza ed ha la capacità di formare doppi (C=C) e tripli legami (C Ξ C). E’ probabile che la capacità di formare legami con se stesso e con altri elementi sia stata un fattore essenziale che nell’evoluzione ha portato alla scelta dei composti del C come principali componenti delle strutture molecolari degli esseri viventi. Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi Il Silicio è tetravalente (come il Carbonio) È abbondante nella biosfera ma non negli organismi a causa del suo raggio atomico più lungo di quello del C. Tende quindi a formare legami più deboli. SiO2, al contrario di CO2, forma silicati insolubili o polimeri tridimensionali (silice) di biossido di silicio (quarzo) e tende quindi a sottrarsi alla circolazione in ambiente aerobico. Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi Fosforo e Zolfo I legami fatti da P e S sono spesso instabili in H2O quindi per formarsi richiedono energia. La stessa energia viene rilasciata quando il legame viene idrolizzato. Di conseguenza P e S si trovano in molecole ricche di energia come l’ATP e l’Acetil-CoA. Ioni Monoatomici Na, K, Ca e Mg servono per l’equilibrio osmotico, per la formazione di gradiente ionico nella conduzione nervosa e nel trasporto attivo e nella neutralizzazione di cariche con macromolecole. Mg+2 Elementi in traccia Fe Cu Sembrano essere scelti per la capacità a svolgere un certo ruolo. Ad esempio il ruolo di trasportatori di elettroni svolto da Fe e Cu. Le dimensioni di alcuni atomi Elemento Raggio Covalente (nm) Raggio di Van der Waals (nm) H F C N O Cl Si P S Br I 0.030 0.064 0.077 0.070 0.066 0.099 0.117 0.110 0.104 0.114 0.133 0.12 0.135 0.16 0.15 0.145 0.180 _ 0.19 0.185 0.195 0.215 “Raggio del gruppo metilico” 0.20 Spessore (1/2) delle molecole aromatiche 0.170 Le radici della Biochimica Inizio XIX secolo Sintesi dell’urea in laboratorio (a partire dal cianato d’ammonio). Pasteur (1865) Collega gli organismi viventi a processi specifici. Fratelli Buchner (1897) Dimostrano la fermentazione (un processo biologico) in estratti cellulari (cellule rotte e dunque morte). Embden e Meyerhof (1920) Descrivono la via glicolitica. Summer (1926) Dimostrò che la proteina ureasi, un enzima ottenuto dal fagiolo, poteva essere cristallizzato, come qualsiasi composto organico. Quindi la struttura degli enzimi poteva essere descritta in termini chimici. Le origini della vita Le origini della vita Microfossili di cellule batteriche filamentose Origine abiotica della vita 1953 Esperimento di Miller: la formazione dei “mattoni” L'esperimento di Miller rappresenta la prima dimostrazione che molecole organiche si possono formare spontaneamente a partire da sostanze inorganiche più semplici nelle giuste condizioni ambientali. Questo esperimento fu condotto da Stanley Miller e da Harold Urey per dimostrare la teoria di Oparin e Haldane i quali ipotizzavano che le condizioni della Terra primordiale avessero favorito reazioni chimiche che portarono alla formazione di composti organici a partire da componenti inorganici. Origine abiotica della vita Gli esperimenti di Urey e Miller, riproducendo le condizioni chimiche della Terra primordiale in laboratorio, dimostrarono che era possibile ottenere alcuni dei mattoni fondamentali per l'origine della vita. H2O, NH3, H2, CH4, H2S 80 °C, diversi giorni Scarica elettrica HCHO (formaldeide) HCN (acido cianidrico) Amminoacidi Successivamente fu dimostrata anche la presenza delle Basi Azotate Adenina e Guanina I polimeri biologici Nell’evoluzione chimica le molecole organiche semplici si condensarono per formare strutture complesse formando polimeri di unità ripetute. La combinazione di monomeri differenti e dei loro diversi gruppi funzionali in molecole di dimensioni maggiori determina un aumento della versatilità chimica di tale molecola. Proteine e acidi nucleici Attività catalitica (enzimi) Funzione strutturale Molecole segnale Conservazione e trasmissione dell’informazione genetica Funzione strutturale e catalitica (RNA) Polisaccaridi e lipidi Riserve di energia Componenti strutturali pareti cellulari (batteri e piante) Molecole segnale extracellulare Componenti strutturali delle membrane Riserve di energia e molecole segnale Molecole informazionali La sequenza di unità monomeriche in un polimero ha la capacità di contenere informazioni se la successione delle unità non è eccessivamente ripetitiva. Gli acidi nucleici e le proteine sono macromolecole informazionali mentre i polisaccaridi non lo sono. Complementarietà intramolecolare e replicazione L’accoppiamento specifico tra gruppi funzionali complementari fa sì che una macromolecola possa replicarsi o copiare se stessa dirigendo la produzione di una nuova molecola a partire da unità complementari più piccole. Nel corso del tempo la selezione naturale avrebbe favorito le molecole in grado di produrre copie più accurate di se stesse. Unitarietà biochimica Diversi processi biochimici sono gli stessi in organismi evolutivamente molto distanti tra loro “Quello che è vero per E. coli è vero per l’elefante” Jacques Monod, 1954 Architettura cellulare Concetti chiave: • La compartimentazione cellulare promuove l'efficienza delle reazioni mantenendo alta la concentrazione locale dei reagenti. • Le vie metaboliche si sono evolute per sintetizzare molecole e per produrre energia. • Le cellule più semplici sono i procarioti. • Gli eucarioti sono caratterizzati dalla presenza di numerosi organelli circondati da membrane, compreso il nucleo. • L'albero filogenetico della vita comprende tre domini: bacteria, archaea ed eucarea. • L'evoluzione avviene tramite la selezione naturale che agisce sulle variazioni casuali che avvengono negli individui. A occhio nudo Microscopio ottico Microscopio elettronico La maggior parte dei diametri cellulari (considerando cellule di forma sferica) si distribuiscono nell’intervallo 1-100 µm Essere umano Nervi e cellule muscolari Uova di pollo Uova di rana Cellule animali e vegetali Mitocondri Batteri Nuclei Batteri Ribosomi Virus Lipidi Proteine Piccole molecole Atomi Scala delle dimensioni di alcuni oggetti studiati dai biochimici Scala delle dimensioni di alcuni oggetti studiati dai biochimici Struttura Dimensioni (nm) M.W. (Dalton) Alanina (amminoacido) 0,5 89 Glucosio (zucchero) 0,7 180 Mioglobina 3,5 17.000 Emoglobina 6,8 64.000 Ribosoma di E. coli 18 Virus poliomelite 30 Miosina 160 Mitocondrio di epatocita 1.500 Cellula di E. coli 2.000 Globulo rosso (diametro) 7.000 Cloroplasto di spinacio 8.000 Epatocita 20.000 ≈ 200.000 L’unità biologica fondamentale: la cellula Tutti gli esseri viventi sono formati da un certo numero di cellule, unità strutturali e funzionali degli organismi viventi La compartimentazione comporta svariati vantaggi. Oltre a fornire protezione, un sistema chiuso è in grado di mantenere concentrazioni elevate di componenti che altrimenti diffonderebbero. Aumenta dunque l’efficienza delle reazioni chimiche e metaboliche Dipendenza del rapporto superficie/volume Se si suddivide un certo volume in elementi sempre più piccoli, il rapporto tra la superficie e il volume cambia drasticamente. La superficie aumenta mentre il volume rimane costante. A) B) C) A) Un cubo di lato pari a 4 mm B) Otto cubi di lato pari a 2 mm C) 64 cubi di lato pari a 1 mm Superficie esterna (mm2) 96 192 384 Volume (mm3) 64 64 64 Superficie/ Volume 1.5/1 3/1 6/1 Le dimensioni cellulari sono limitate dalla diffusione La cellula vive in dipendenza dallo scambio di alcuni materiali con l’ambiente esterno (incluso l’ossigeno), e ciò avviene mediante la membrana che ricopre la superficie della cellula. Se si aumentasse il volume della cellula, si aumenterebbe anche la quantità dei materiali da trasportare. Il limite superiore nella dimensione di una cellula è probabilmente dovuto all’indice di diffusione di molecole di soluto nei sistemi acquosi La cellula procariotica 1 µm 2 µm Dimensioni relative di una cellula procariotica I procarioti sono gli organismi più diffusi sul nostro pianeta per il loro metabolismo adattabile ad una vasta gamma di habitat. Le loro dimensioni variano da 1 a 10 µm. Le forme sono di tre tipi: sferoidale (cocchi), a bastoncello (bacilli) ed elicoidale (spirilli). Sezione trasversale di E. coli Proteine Ribosomi DNA Flagello La cellula eucariotica: una tipica cellula animale La cellula eucariotica: una tipica cellula vegetale Schema degli organelli delle cellule eucariotiche Confronto tra proprietà delle cellule procariotiche ed eucariotiche Confronto tra proprietà delle cellule procariotiche ed eucariotiche Cellule procariotiche Cellule eucariotiche Dimensioni (diametro) 0.2-5 μm 5-100 μm Compartimentazione No Si, con organuli Localizzazione del DNA Libero nel citoplasma come nucleoide Nel nucleo, condensato con proteine a formare cromosomi multipli Ploidiaa Generalmente aploide Quasi sempre diploide e poliploide Meccanismo di replicazione Semplice divisione a seguito della replicazione Mitosi nelle cellule somatiche, meiosi nei gametib a Il termine ploidia si riferisce al numero di copie dell’informazione genetica contenute in ciascuna cellula. Le cellule aploidi ne hanno una copia, quelle diploidi due e quelle poliploidi più di due. b Durante la mitosi lo stato diploide viene mantenuto grazie alla duplicazione dei cromosomi. Ciò accade nella maggior parte delle cellule somatiche, cioè “del corpo”, di un organismo. Nelle cellule che producono gameti (spermatozoi o cellule uovo) avviene un processo un po’ differente denominato meiosi e conduce a uno stato aploide. Gerarchia strutturale nell’organizzazione molecolare della cellula Classificazione a cinque regni Classificazione basata sulla sorgente di energia/fonte di carbonio Relazioni filogenetiche e classificazione a tre domini I tre domini corrispondono a tre branche evolutive che si dipartono da un progenitore comune. Gli eucarioti sono evolutivamente più vicini agli archea rispetto ai batteri. Termodinamica La vita obbedisce alle leggi della termodinamica Le attività degli esseri viventi (movimento, crescita, riproduzione) richiedono un rifornimento costante di energia. Lo studio dell’energia e dei suoi effetti sulla materia ricade nell’ambito della termodinamica (thermòn, calore; dynamis, forza). La termodinamica è utile per stabilire la spontaneità di un processo. Un processo spontaneo avviene senza alcun rifornimento di energia. La biosfera: flusso di energia in un sistema aperto • Gli organismi sono sistemi aperti, non all'equilibrio, che scambiano costantemente materia ed energia con l'ambiente circostante (Stato stazionario dinamico che richiede un continuo apporto di energia). Rappresentazione schematica della diminuzione di energia • Una palla rotola giù da un pendio rilasciando energia potenziale. • L’ATP è idrolizzato ad ADP e ione fosfato rilasciando energia chimica Termodinamica La prima legge della termodinamica: L’energia viene conservata e non può essere né creata né distrutta. • Nella maggior parte dei sistemi biochimici l'entalpia (enthàlpein, riscaldare) equivale al calore. La seconda legge della termodinamica: L’entropia di un sistema tende ad aumentare. • L'entropia, una misura del disordine presente in un sistema, tende ad aumentare. Distribuzione casuale delle molecole di un gas nobile: la distribuzione di molecole non dipende dal moto ma dal fatto che le probabilità di tutte le altre distribuzioni sono estremamente piccole. La spontaneità di un processo dipende dall'entalpia e dall'entropia • La variazione di energia libera di un sistema è determinata dalla variazione di entalpia ed entropia. • Un processo spontaneo avviene con diminuzione di energia libera (∆ ∆G= ∆H-T∆ ∆S<0). • I biochimici definiscono standard le condizioni corrispondenti ad una temperatura di 25 °C, una pressione di 1 atm e un pH di 7,0. Strategia di accoppiamento energetico • PROCESSO SPONTANEO ESOERGONICO (∆ ∆G <0) Rilascio di energia • PROCESSO NON SPONTANEO ENDOERGONICO (∆ ∆G >0) Viene assorbita energia • PROCESSO ALL’EQUILIBRIO (∆ ∆G =0) Variazioni energetiche di una reazione chimica • Gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni termodinamicamente favorite.