AA. 2013 / 2014 (Prof. Adolfo Amici)
Modulo Didattico:
Biochimica
Corso integrato di: Scienze
Biomediche (Anno I - Semestre I)
Programma. :
Parte prima: le biomolecole
I carboidrati (classificazione, proprietà chimico-fisiche di monosaccaridi, disaccaridi,
polisaccaridi; caratteristiche del legame glicosidico ).
Gli aminoacidi e le proteine (caratteristiche strutturali degli aminoacidi, il punto isoelettrico,
gli aminoacidi essenziali, funzioni e struttura tridimensionale delle proteine).
I lipidi e le membrane biologiche (lipidi di riserva, lipidi strutturali e architettura delle
membrane biologiche).
Vitamine idrosolubili e vitamine liposolubili.
La cinetica enzimatica.
Parte seconda: il metabolismo
La glicolisi e il ciclo dell’acido citrico.
La fosforilazione ossidativa.
La degradazione degli aminoacidi e il ciclo dell’urea.
La beta-ossidazione degli acidi grassi.
testo consigliato: D.L.Nelson, M.M. Cox
Introduzione alla biochimica , (Zanichelli)
Gli elementi chimici presenti al giorno d’oggi
Che cosa distingue un organismo vivente da un oggetto inanimato?
Complessità chimica ed
organizzativa
Estrazione dell’energia
dall’ambiente
Capacità di autoreplicarsi
Le macromolecole
sono costituite
da pochi
composti semplici
Accoppiamento energetico
Fonte di energia
Vie metaboliche:
cataboliche
e
anaboliche
ATP
Classificazione degli organismi
in base alla fonte energetica
Evoluzione della vita sulla terra
CELLULE
PROCARIOTI
EUCARIOTI
Le biomolecole:
I legami chimici coinvolti
I gruppi funzionali
La struttura tridimensionale
La stereochimica
La reattività in funzione della struttura
Atomi - struttura
particella simbolo carica (coulomb, relativa)
• Protone
p+
1,6022 10-19
+1
• Neutrone
n0
0
0
• Elettrone
e1,6022 10-19
-1
Massa
1,67252 10-27 kg
1,67495 10-27 kg
9,10953 10-31 kg
• Atomo H
• “
U
1,6752 10-27 kg
3,94987 10-25 kg
0,0000
0,0000
raggio di un atomo circa 10-10m
raggio di una particella circa 10-14m
0
0
Esperimento di Rutherford
13.214
n=1
L’atomo quantistico :
Forme degli orbitali in
funzione dei numeri
quantici degli elettroni,
n, principale, 0, 1, 2, 3, …
l, secondario, 0 ÷ n-1
m, magnetico, -l ÷ 0 ÷ +l
spin, ±½
n=2
n=3
l=0
m=0
l=1
m = -1,0,1
l=2
m = -2,-1,0,1,2
Spettro della radiazione elettromagnetica
Rifrazione della luce bianca
Principali righe di emissione dell’idrogeno
Livelli energetici e righe di emissione
dell’atomo di idrogeno
Il legame covalente e la formazione di molecole
Ibridazione sp3 e la configurazione tetraedrica
delle molecole
carbonio
metano
109°
ossigeno
acqua
105°
azoto
ammoniaca
107°
Ibridazione sp2 e la configurazione planare
BF3
120°
Legame chimico ionico
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
+
-
+
+
-
+
-
+
-
+
-
Il legame metallico
Orbitali molecolari che coinvolgono tutto il volume del cristallo metallico
Forze interattive tra le molecole
Forze di van der Waals
Dipoli istantanei2-20kJ mole-1
Non direzionali
Forze interattive tra le molecole
Polarizzazione dei legami covalenti
L’elettronegatività
Cl
L’acqua e il legame idrogeno
Temperature di fusione di composti
e tavola periodica
Numero di molecole
Teoria cinetica della temperatura
Moto Browniano
La pressione è la conseguenza degli urti delle
molecole sulle pareti del recipiente, maggiore
è il numero o maggiore è la forza degli urti e
maggiore è la pressione
T1
T2
Ec =
1
mV2
2
Velocità
Ad ogni temperatura l’energia cinetica media delle molecole è la stessa per ogni tipo di gas e per qualsiasi pressione
Legge generale dei gas: legge di Avogadro
Combinando gli esperimenti precedenti si ottiene la
formula generica:
P V = kn T
Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di
pressione e temperatura contengono un uguale numero di
molecole
PV= nRT
H2 + Cl2 = 2 HCl
Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni
di pressione e temperatura contengono un uguale numero di moli
Tensione di vapore delle soluzioni
Psol = Pa · Xa + Pb · Xb
Se il soluto non è volatile
P sol =Pa · Xa
DP = Pa - Psol
DP
Xb = ----
Potere schermante dell’acqua
verso le cariche,
solubilizzazione dei sali,
solvatazione degli ioni.
Osmosi
Pressione Osmotica
P
P =cRT
P V=nRT
Soluzione salina fisiologica
NaCl 0,15 M
P =cRT
= 2 · 0,15 · 0.0821
Soluzione di
H2 O
saccarosio
Membrana
semipermeabile
· (273 + 37) = 7,64
La pressione osmotica dipende dal numero di particelle in soluzione
quindi bisogna tenere conto della dissociazione dei composti
L’acqua e la solubilità delle sostanze
Solidi
Strutture cristalline e amorfe
Esempi di strutture cristalline comuni
Esagonale
Cubica
Cubica a
corpo centrato
..S
..
..S..
..S..
..S.. . S . ..S.. S...
. .
.
..SMolecola
di zolfo
..
Grafite
Diamante
Quarzo
(biossido di silicio, SiO2)
Na
Cloruro di Sodio, NaCl Cl
Silicio
Ossigeno
CONCENTRAZIONE
Percentuale in peso, %
Percentuale in volume, %v/v
es. l’acido cloridrico concentrato
HCl al 36%
la soluzione contiene 36g di HCl
per ogni 100g di soluzione.
es. l’alcol etilico al 95%
la soluzione contiene 950ml di1
alcol per ogni litro di soluzione.
Molarità, M
(numero di moli di soluto
per litro di soluzione)
Molalità, m
(numero di moli di soluto
per 1000 g di solvente)
es. 2 M cloruro di sodio, NaCl
1 mole = 58,5g
2 · 58,5 g =117 g in un
volume finale di un litro d’acqua
es. 2 m cloruro di sodio, NaCl
1 mole = 58,5g
2 · 58,5 g =117 g da aggiungere
a 1000 g d’acqua
Solubilità
Solubilità (g soluto/100 g solvente)
La solubilità di un certo soluto in un certo solvente dipende dalla natura sia del soluto sia
del solvente e di solito, ma non sempre, aumenta all'aumentare della temperatura.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
CaCl2
NaI
KNO3
KCl
Na
Cl
10 20 30
40 50 60 70
Temperatura (°C)
80
Ce2(S
)3
90O4100
Teoria delle collisioni
H2O + CO2
Numero di molecole
O
C
H2CO3
O
C
O
O
T1
Ec =
1
mV2
2
Velocità
A + B
C
v = k[A][B]
k = costante di velocità
Equilibrio chimico
aA + bB
vd = kd [A]a [B]b
All’equilibrio si ha:
cC + dD
vi = ki [C]c [D]d
v d = vi
kd [A]a [B]b = ki [C]c [D]d
k d [C]c  [D]d

 K eq
a
b
k i [A]  [B]
Legge di azione di massa
Principio di Le Chatelier:
Quando l’equilibrio di un sistema viene variato, il sistema reagisce
in modo da annullare la variazione e ristabilire l’equilibrio
aA + bB
[C]c  [D] d
Q
[A]a  [B] b
cC + dD
[C]c  [D] d
K eq 
[A]a  [B] b
Legami chimici più comuni
Orientamento degli orbitali atomici
Ibridazione
Ibridazione
sp2
sp3
Gruppi chimici comuni nelle molecole organiche
Struttura tridimensionale
delle molecole
Stereochimica delle
molecole organiche
I carboidrati
• Formula empirica generale :
n(CH2O)
• Monosaccaridi (es. glucosio)
Zuccheri
• Oligosaccaridi
disaccaridi (es. saccarosio)
• Polisaccaridi (es. cellulosa, glicogeno amido)
Monosaccaridi
Vi sono due famiglie di monosaccaridi
aldotriosio
chetotriosio
I monosaccaridi hanno centri asimmetrici
Isomeri ottici
D-Gliceraldeide
L-Gliceraldeide
Proprietà ottiche degli stereoisomeri
Attività ottica: proprietà
di ruotare il piano
della luce polarizzata
Sorgente
di luce
Filtro
polarizzatore
La luce non
polarizzata oscilla
in tutti i piani
Potere ottico rotatorio specifico:
Tubo porta campione
contente la sostanza
otticamente attiva
La luce polarizzata
oscilla in un
solo piano
Angolo di
rotazione
Analizzatore
Luce
polarizzata
ruotata
 t   
cl
c  concentrazione
l  lunghezza
Famiglia dei D-aldosi
Famiglia dei D-aldosi
Famiglia dei D-cheosi
I monosaccaridi assumono forme cicliche
• Il glucosio cristallizzato in acqua, -D-glucosio,
ha proprietà ottiche diverse da quelle della forma
che si ottiene cristallizzandolo nel solvente
piridina, b-D-glucosio.
• Da un punto di vista della composizione chimica
sono invece identici.
• Esso ha assunto due diverse forme cicliche dette
piranosi
Il gruppo carbonilico di aldeidi e chetoni può reagire con un alcol
Se la funzione alcolica è nella stessa
molecola si ha la reazione di ciclizazione
Prospettiva di Haworth
Formule conformazionali
e = equatoriale
a = assiale
I monosaccaridi sono riducenti
Reazione di Fehling
Disaccaridi
Legame O-glicosidico
Estremità non riducente
Estremità riducente
Polisaccaridi
amilosio
Amilopectina e Glicogeno
• Altri polisaccaridi importanti sono:
• La cellulosa, nelle pareti cellulari delle
piante
• Glicosamminoglicani, nella matrice
extracellulare insieme a proteine fibrose
come collagene, elastina, fibronettina e
laminina
• Proteoglicani
• Glicoproteine
Peptidoglicano