Propedeutica alla Biochimica: elementi di chimica organica, Università Cattolica

Propedeutica alla Biochimica: Elementi di Chimica Organica

UNIVERSITA
CATTOLICA
del Sacro Cuore
EWA
Gemelli
Fondazione Policlinico Universitario A. Gemelli
Università Cattolica del Sacro Cuore
Facoltà di Medicina E Chirurgia "A.GEMELLI"
Corso di Laurea in Terapia della neuro e psicomotricità dell'età evolutiva
Insegnamento: CHIMICA e BIOCHIMICA
Corso Integrato: SCIENZE BIOMEDICHE
Anno accademico: 2023/2024
Lezione 4/10/2023
Docente: Prof.ssa VIVIANA GRECO
viviana.greco@unicatt.itPROPEDEUTICA ALLA BIOCHIMICA:
ELEMENTI DI CHIMICA ORGANICALa CHIMICA ORGANICA
studia i composti organici, costituiti prevalentemente da carbonio

Il Carbonio

L'atomo di carbonio possiede 6 elettroni, due disposti sul primo livello e quattro nel
secondo.
Il suo numero di ossidazione varia da + 4 a - 4
Può essere ibridato sp3, sp2 o sp
Il carbonio è un elemento
del 4° gruppo e quindi ha una configurazione
elettronica esterna.
2s2 2p2

2p
t
energia superiore
2s
+
1s
energia inferiore
orbitale s
orbitale p
Avendo 4 elettroni negli orbitali più esterni, abbastanza vicini al nucleo,
l'atomo di carbonio non tende a perdere o ricevere elettroni effettuando
legami ionici, ma piuttosto a formare legami di tipo covalente.

Molecole Organiche

I-
I-
-
H-C-C-C-H
-
エ
I
Etano
Propano
(a) Catene
HHH
H
-
H-C=C-C-C-H
I
I
H
H
H
H
1-Butene
2-Butene
(b) Doppi legami
H
H
H
-
-
H-C-C-C-H
I
H
-I
H-C-H
H
Isobutano
Isopentano
(d) Anelli
H
H
0
C-C-C'
1
O
C=
C
H
N
1
1
H
N
N
H
H
C
H
H
Istidina (un aminoacido)
(e) Anelli e catene uniti tra loro
FIGURA 3-1 Molecole organiche
Notare che ciascun atomo di carbonio forma quattro legami covalenti, producendo un'ampia varietà di forme.
H
H
H
H
H
C
-
H-C
G-H
1
C-C
H
H
H
H
Ciclopentano
H
C
C
C
C
C
H
C
H
H
Benzene
H
H
HH
エ ––
I
H-C-C-C-C-H
I
-I
I
H
H
H-C-H
-I
(c) Catene ramificate
H
H
H
-
-
I-
H-C-C=C-C-H
I-O-
HHH
H-C-C-H
-
HH
H
I-Carbonio primario
CH3
I
Carbonio terziario
Carbonio quaternario
CH
3
CH CH CH, CH CH CH.
I
2
C CH
3
Y
CH3 CH2
CH3
3
Carbonio secondario

Gruppi Funzionali

Gruppi funzionali
Gruppo
Struttura
Composti
Alcol
R-OH
Ossidrilico
Presente negli zuccheri e
in alcuni amminoacidi
0
Carbonilico
R- C.
H
Aldeide
Presente negli zuccheri
O
R-C-R
Chetone
Presente negli zuccheri
0
Carbossilico
R-C.
/
OH
Acido carbossilico
Presente negli acidi
grassi e negli amminoacidi
Amminico
H
R-N
H
Ammina
Presente negli ammino acidi
Solfidrilico
R-SH
Tioli
Forma legami disolfuro;
presente in alcuni amminoacidi
O
Fosfato
R-O-P-OH
1
OH
Fosfato organico
Presente nei nucleotidi e
nei fosfolipidi
I gruppi funzionali sono
combinazioni specifiche di
atomi
e conferiscono alle
molecole proprietà
caratteristiche.

Biomolecole

Le Macromolecole

I carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici sono delle molecole di grosse
dimensioni (polimeri) formate da subunità molecolari unite tra loro.

Le Classi di Macromolecole

*Le macromolecole sono dei polimeri, costruiti unendo insieme un gran numero di
subunità dello stesso tipo (monomeri), di solito con legami covalenti.

I Polimeri

Per la sintesi di un polimero, la cellula usa una reazione di condensazione, in cui viene
liberata una molecola d'acqua. La reazione avviene grazie all'intervento degli enzimi,
che mettono a contatto diretto i monomeri.
Monomero
OH
H
Monomero
Reazione
di condensazione
H2O
Monomero
Monomero
Sintesi di un polimero

Il Metabolismo

Il metabolismo (dal greco cambiamento) è il complesso delle reazioni chimiche e
fisiche che avvengono in un organismo vivente per mantenerlo in vita
l'insieme di tutte le reazioni chimiche che hanno luogo negli organismi
viventi:
- sono reazioni integrate in un circuito complesso controllato da
sistemi di regolazione.

Metabolismo Cellulare

Il metabolismo è l'insieme delle migliaia di reazioni chimiche che avvengono in
tutte le cellule e che consentono la vita della cellula.
Tali reazioni hanno la finalità di:
- ottenere energia chimica dall'ambiente
- Convertire molecole esogene in molecole endogene
- Formare macromolecole utili alla sopravvivenza
** - Svolgere funzioni specializzate.

Energia Potenziale e Trasduzione Energetica

· Nutrienti nell'ambiente
(molecole complesse come
zuccheri e grassi)
· Luce solare
(a)
Trasformazioni chimiche
all'interno della cellula
La trasduzione
energetica
porta anche
alla produzione
di lavoro
Lavoro cellulare:
· sintesi chimiche
· lavoro meccanico
· gradienti osmotici ed elettrici
· produzione di luce
· trasferimento delle informazioni
genetiche
(b)
Calore
(c)
Aumento del disordine
(entropia) nell'ambiente
Il metabolismo produce composti
più semplici delle molecole iniziali
di combustibile: CO2, NH3,
H2O, HPO2-
(d)
Diminuzione del disordine
(entropia) nel sistema
I composti semplici polimerizzano
formando macromolecole ricche
di informazioni: DNA, RNA,
proteine
(e)

Metabolismo: Catabolismo e Anabolismo

Insieme delle reazioni chimiche che avvengono nel nostro organismo.
Metaboliti = reagenti, intermedi e prodotti delle vie metaboliche
Catabolismo = degradazione. Lo scopo principale è la produzione di energia.
I composti possono essere degradati completamente fino ai prodotti finali: H2O, CO2,
NH3 e urea.
Anabolismo = biosintesi. Lo scopo è la produzione di molecole complesse a partire
da precursori semplici

Relazioni Energetiche tra Vie Anaboliche e Cataboliche

Macromolecole
cellulari
Proteine
Polisaccaridi
Lipidi
Acidi nucleici
Sostanze
nutrienti
ricche di energia
Carboidrati
Grassi
Proteine
Relazioni energetiche fra
vie anaboliche e vie
cataboliche
ADP+ HPO2-
NAD+
NADP+
FAD
Catabolismo
Anabolismo
ATP
NADH
NADPH
FADH2
Energia
chimica
Molecole
di precursori
Amminoacidi
Zuccheri
Acidi grassi
Basi azotate
Prodotti
finali poveri
di energia
CO2
H2O
NH3

Vie Anaboliche

insieme delle reazioni di biosintesi di molecole a partire da precursori derivati, nella
maggior parte dei casi, dalle fasi del catabolismo.
I processi anabolici sono endoergonici e richiedono dunque
energia.
· Processi non spontanei: endoergonici
DG > 0

Vie Cataboliche

insieme delle reazioni di demolizione che liberano l'energia potenziale dei legami
chimici delle molecole coinvolte
I processi catabolici sono esoergonici e volti alla produzione
di energia.
Processi spontanei: esoergonici
DG <0

catabolismo e anabolismo sono comunque processi complementari,
in quanto i prodotti dell'uno vengono utilizzati nell'altro e viceversa.
Il catabolismo produce legami fosforici e equivalenti riducenti
(ATP e NADH o NADPH)
L'anabolismo utilizza l'energia in questi contenuti e li riconverte
nella loro forma ossidata (NAD+ e ADP) per poi essere nuovamente utilizzati dal
catabolismo.
Questa complementarità integrata consente un
ottimo livello di
efficienza metabolica

Una Mappa Metabolica

Biosintesi dei glicani
e metabolismo
Biodegradazione
degli xenobiotici
Metabolismo
dei nucleotidi
Metabolismo
dei carboidrati
Metabolismo di
altri aminoacidi
Metabolismo
dei lipidi
Metabolismo degli
aminoacidi
Metabolismo
energetico
Metabolismo dei cofattori
e delle vitamine
-PFFF
Biosintesi dei
metaboliti secondari

Vie Metaboliche

Una specifica sequenza di
reazioni prende il nome
di via metabolica
lineare
dal substrato al prodotto finale
ciclica
il prodotto finale è il substrato per
ricominciare la sequenza di reazioni

+
+
Precursore
Metabolita
Intermedio
Prodotto
Ciascuna reazione è
catalizzata da un enzima!

ATP come Molecola Energetica

Nucleotidi Adeninici

Adenosin trifosfato (ATP)
L'ATP (adenosin-trifosfato) è un nucleotide composto da tre parti:
la base adenina;
lo zucchero pentoso ribosio;
tre gruppi fosfato legati tra loro da legami covalenti.
Adenosina
Trifosfato
ATPα
14kj
130 kj
γ
β
Estere
1
O
0-P-O-P-O-P-O-CH2
Adenina
O
O
O
H H
H
H
Anidride
OH OH
ATP
Adenine
Ribose
Phosphate groups
legame
fosfoestereo
N
0
Ì
0
ŽÍ
-0-P-O-P-O-P-O-
0
1.
I
|
1
0
0
Y
B
a
OH OH
legami fosfoanidrici
ŅH
N
N
N
Anidride
-

Idrolisi di ATP

L'idrolisi dei due legami fosfoanidridici è altamente esoergonica. L'energia liberata può
essere utilizzata per far avvenire reazioni endoergoniche.
ATP
ADP + Pi + energia
ATP
$ AMP + PPi + energia
L'idrolisi dell' ATP ad ADP + Pi libera una quantità di energia libera standard pari a -30.5 KJ/mol
0 -7.3 kcal/mol.

Utilizzo dell'ATP

ATP viene utilizzato in numerosi processi:
· Trasporto attivo
· Contrazione muscolare
· Biosintesi
· Regolazione dell'attività enzimatica mediante fosforilazione
· Trasduzione del segnale innescato da ormoni

Nucleotidi come Molecole Regolatrici

NON SOLO MOLECOLE ENERGETICHE
NUCLEOTIDI COME MOLECOLE REGOLATRICI
Figura 8.42 Tre nucleotidi regolatori.
0-
5'
Guanina
O
O
H
H
H
H
3'
O
OH
-
H
H
H
H
H
H
Ò
3
O=P-
O
OH
O=P
C
OH
-0-P=0
O
Adenosina 3',5'-monofosfato ciclico
(AMP ciclico, cAMP)
5
0-CH 2
Adenina
0-CH2
Guanina
-
O
-
O
H
H
-0-P=0
I
I
0-
0-
Guanosina 3',5'-monofosfato ciclico
(GMP ciclico, cGMP)
Guanosina 5'-difosfato, 3'-difosfato
(guanosina tetrafosfato)
(ppGpp)
-0-P-O-P-O-CH2
Ö
5'
3'

Ruolo della Proteina Chinasi Attivata dall'AMP

Cervello
(ipotalamo)
1 [AMP]
V [ATP]
Leptina
adiponectina
Dercizio fisico
I
1
1
1
SNS
1 [assunzione
di cibo]
Trasporto e ossidazione degli acidi grassi
Trasporto del glucosio
Biogenesi dei mitocondri
Cuore
AMPK
-
Cellule pancreatiche B
1
1
1
1
1
1
Secrezione
dell'insulina
Ossidazione degli acidi grassi
Trasporto del glucosio
Glicolisi
Fegato
Tessuto adiposo
Sintesi degli acidi grassi
Lipolisi
Sintesi degli acidi grassi
Sintesi del colesterolo
Sintesi del glicogeno
serie di tessuti il metabolismo dai processi che conservano
Figura 15.8 Ruolo della proteina chinasi attivata dall'AMP
I
1
1
1
1
1
1
/
1
Muscolo scheletrico
1

Nucleotidi come Molecole di Segnale

Adrenalina
1 molecola
Complesso
adrenalina-recettore
1 molecola
Epatocita
Gsx
10 molecole
ATP
AMP ciclico
adenilil
ciclasi
200 molecole
PKA inattiva
PKA attiva
100 molecole
Fosforilasi
chinasi b
inattiva
Fosforilasi
chinasi b
attiva
1000 molecole
Glicogeno
fosforilasi b
inattiva
Glicogeno
fosforilasi a attiva
10 000 molecole
Glicogeno
Glucosio-1-fosfato
100 000 molecole
Glucosio
Glucosio ematico
100 000 molecole

Nucleotidi e Reazioni Biochimiche

La maggior parte di reazioni che si svolgono nella materia vivente appartiene ad una
delle seguenti cinque categorie generali:
Reazioni che formano o che spezzano un legame carbonio-carbonio,
Riarrangiamenti interni, isomerizzazioni ed eliminazioni;
Reazioni che implicano la formazione di radicali liberi;
Trasferimenti di gruppi chimici;
Ossidoriduzioni