Appunti bioingegneria chimica

INTRODUZIONE

 TRASCRIZIONE:

Il DNA è il depositario dell’informazione genetica. Le informazioni contenute nel DNA vengono copiate

sull’RNA che si dispone complementarmente ad esso attraverso la corrispondenza delle basi.

Abbiamo 3 tipi di RNA che svolgono ruoli diversi nella sintesi proteica:



RNA messaggero (mRNA) è lo stampo per la sintesi proteica o traduzione.

- 

RNA transfer (tRNA) trasportano gli amminoacidi in forma attivata sui ribosomi per la formazione

- di legami peptidici in una sequenza determinata dall’mRNA.



RNA ribosomiale (rRNA) è il principale componente dei ribosomi. Svolge ruolo strutturale e

- catalitico nella sintesi proteica. In ogni ribosoma è presente una sola molecola di ciascun tipo di

rRNA.

 SINTESI PROTEICA:

L’mRNA veicola le istruzioni copiate dal DNA, che specificano l’ordine corretto con cui devono essere uniti gli

amminoacidi durante la sintesi proteica. L’assemblaggio degli amminoacidi in proteine viene attuato

mediante la TRADUZIONE dell’mRNA che è solo il depositario dell’informazione copiata dal DNA. Le

informazioni contenute nell’mRNA vengono interpretate dal RNA di trasporto (tRNA) con l’aiuto dell’rRNA,

che è uno dei componenti dei ribosomi. L’rRna si

muove lungo una molecola di mRNA catalizzando l’assemblaggio degli amminoacidi in catena peptidiche.

 MEMBRANA CELLULARE:

La membrana cellulare, anche detta membrana plasmatica, è un sottile rivestimento che delimita la cellula

in tutti gli organismi viventi, la separa dall'ambiente esterno e ne regola gli scambi con questo.

Formata in prevalenza da lipidi, e più precisamente fosfolipidi, viene chiamata anche "doppio strato

fosfolipidico".

 PROTEINE:

Hanno una struttura tridimensionale.

Un enzima è una sostanza a base di proteina che funge da catalizzatore regolando la velocità delle reazioni

chimiche spontaneamente. Le

reazioni catalizzate enzimaticamente sono spesso molto più veloci rispetto a quelle catalizzate con agenti

chimici. La velocità di una reazione è dipendente dalla concentrazione delle sostanze.

 CARBOIDRATI:

sono dei composti chimici organici formati da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno. hanno numerose

funzioni di riserva energetica e trasporto dell'energia.

Le singole unità monomeriche dei sono dette "monosaccaridi".

 LIPIDI:

I lipidi, detti anche grassi, sono composti organici.

I lipidi sono insolubili in acqua, mentre sono solubili in solventi organici. I lipidi sono costituiti

prevalentemente da atomi di carbonio e di idrogeno uniti tra loro con legami covalenti scarsamente polari.

 CANALI E POMPE DI MEMBRANA:

La comunicazione e il trasporto di elementi tra le cellule è garantita dalle proprietà della membrana

citoplasmatica, dai canali e dalle pompe di membrana.

Un trasportatore di membrana è un polipeptide (singola catena di aminoacidi) transmembrana in grado di

mediare il trasporto di ioni o molecole polari di medie dimensioni all'interno della cellula.

 Meccanismo EPIGENETICO:

è lo studio dei cambiamenti mitotici e meiotici ereditabili che non possono essere spiegati tramite modifiche

della sequenza di DNA. Queste

mutazioni, dette epimutazioni, durano per il resto della vita della cellula e possono trasmettersi a

generazioni successive delle cellule attraverso le divisioni cellulari. Su fenomeni epigenetici si basa la maggior

parte dei processi di differenziamento cellulare.

 GENOMA= insieme di tutte le informazioni genetiche depositate nella sequenza del DNA contenuto nel

nucleo de cellule sottoforma di cromosomi.

 ACIDI NUCLEICI (DNA E RNA):

sono polimeri lunghi e lineari costituiti da unità (nucleotidi) legati l’una all’altra.

Ogni nucleotide è costituito da uno zucchero, un gruppo fosforico e una base. L’informazione genetica è

contenuta nella sequenza delle basi.

Nel DNA lo zucchero è il DESOSSIRIBOSIO

Nel RNA lo zucchero è il RIBOSIO (gruppo OH in posizione 2 → ciò rende possibile 2 legami)

Gli zuccheri sono legati tra loro da PONTI FOSFODIESTERESI.

 BASI NUCLEOTIDE:

La struttura portante è la stessa nel Dna e nell’RNA, la parte variabile è rappresentata dalle basi. L’RNA si

differenzia dal DNA perché presenta come zucchero il ribosio.

Un NUCLEOSIDE è costituito da una base purinica o pirimidinica legata ad uno zucchero.Il legame zucchero-

base è un legame ƁN-glicosidico.

Un NUCLEOTIDE è un estere fosforico di un nucleoside.

 LE CATENE DEL DNA:

Le 2 catene polinucleotidiche hanno direzionalità opposte

- Lo scheletro si trova all’esterno, mentre le basi sono all’interno della struttura ad elica.

- L’impilarsi delle basi l’una sull’altra conferisce stabilità alla doppia elica per 2 motivi →

- 1: le coppie di basi si attraggono con forze di Van Der Waals

2: esistono interazioni idrofobiche tra le basi

 RNA:

In un acido deossiribonucleico(DNA) lo zucchero è il deossiribosio.

Il prefisso deossi indica che all’atomo di carbonio 2’ di questo zucchero manca un atomo di ossigeno che è

invece presente sull’atomo di carbonio 2’ del ribosio(zucchero presente nell’RNA). La presenza di questo

gruppo funzionale nel ribosio rende possibile , oltre al legame standard 3’5’ , anche il legame 2’ 5’

Il DNA ha una maggiore resistenza all’idrolisi e quindi una maggiore stabilità rispetto all’RNA.

Negli acidi nucleici gli zuccheri sono uniti da ponti fosfodiestere.

Un’altra differenza tra RNA e DNA è data dalla presenza della base Uracile(U) invece della Timina(T).

 PROTEINE:

Sono i principali operatori delle cellule che partecipano a tutti i processi. Alcune proteine sono componenti

strutturali fondamentali mentre altre hanno funzioni di catalizzatori specifici (enzimi).

Le proteine sono polimeri lineari e sono combinazione di 20 differenti unità strutturali dette amminoacidi.

Una proteina può ripiegarsi spontaneamente in una struttura tridimensionale ben definita, dettata

interamente dalla sua sequenza amminoacidica.

EVOLUZIONE BIOCHIMICA

 CATALIZZATORI BIOLOGICI:

Un catalizzatore è una molecola che accelera una particolare reazione chimica senza che esso venga alterato

chimicamente nel processo.

Si è capito che alcune molecole di RNA potevano essere considerate potenti catalizzatori. Questi catalizzatori

di RNA sono conosciuti come ribozomi. Il potere catalitico delle molecole di RNA è correlato alla loro capacità

di assumere strutture specifiche e complesse.

 I polipeptidi sono più versatili chimicamente, possono assumere varie strutture tridimensionali ma non

sono auto replicanti.

 ATP:

L’ATP (adenosintrifosfato) è formato da legami che uniscono i gruppi fosforici.

SINTESI DI ATP :

• Per fosforilazione da ADP (adenosindifosfato)

• Da amminoacidi come la Glicina.

• Glicolisi : sistema complesso che estrae energia dal glucosio

• PARETE CELLULARE:

mantiene/determina la forma della cellula

- supporto e resistenza meccanica

- previene lo scoppio di cellule in soluzione ipotonica

- controlla la velocità, la direzione di accrescimento e il volume cellulare

- responsabile dell’architettura della pianta

- ruolo metabolico (numerosi enzimi)

- barriera fisica contro i patogeni o per ridurre la perdita di H2O

- ruolo nella segnalazione e riconoscimento di altri organismi

-

Le macromolecole crescono per polimerizzazione dei nutrienti.

I CATALIZZATORI MACROMOLECOLARI SI AUTORIPRODUCONO DURANTE LA CRESCITA.

CHIMICA ORGANICA

ENERGIA DI IONIZZAZIONE: l'energia che è necessario fornire ad una mole di atomi allo stato gassoso per

trasformarla in una mole di cationi monovalenti.

ENERGIA DI AFFINITA’ ELETTRICA: tendenza di un elemento ad acquistare elettroni

ELETTRONEGATIVITA’: è la forza con cui un atomo attira a sé gli elettroni condivisi.

• LEGAME IONICO:

completo trasferimento di elettroni da un atomo a bassa energia di ionizzazione a un atomo ad alta affinità

elettronica.

• LEGAME COVALENTE:

consiste nella messa in compartecipazione di una coppia di elettroni tra due atomi A e B. A seconda della

natura di A e B.

Legame covalente puro: (in genere tra atomi della stessa natura), in cui la coppia elettronica è condivisa

- allo stesso modo dai due atomi.

Legame covalente polare: (tra atomi di natura diversa), in cui gli elettroni coinvolti nel legame sono

- maggiormente attratti dall'atomo più elettronegativo. Il legame risulterà quindi polarizzato elettricamente.

Tipi di rottura :

Rottura omolitica : A ∙|∙ B da cui si generano specie radicaliche

Rottura eterolitica: A|∙ ∙ B da cui si generano specie ioniche

Se le rottura eterolitica interessa un atomo di carbonio il quale cede entrambi gli elettroni di legame si

forma un carbocatione. Si definisce CARBOCATIONE uno ione positivo la cui carica

risiede su un atomo di carbonio.

Se le rottura eterolitica interessa un atomo di carbonio il quale acquista entrambi gli elettroni

di legame si forma un carbanione. Si definisce CARBANIONE uno ione negativo la cui carica

risiede su un atomo di carbonio.

• LEGAMI INTERMOLECOLARI:

Le molecole polari sono soggette ad ulteriori legami deboli intermolecolari, di reciproca

attrazione elettrostatica, tra i poli opposti delle molecole stesse, detti legami dipolo-dipolo (o interazioni

dipolo-dipolo).

Il legame Idrogeno o ponte idrogeno è un caso particolare di legame dopolo-dipolo. Si presenta quando

l’Idrogeno si lega con un legame covalente polare ad uno dei tre

elementi più elettronegativi della tabella periodica: il Fluoro, l’Ossigeno o l’Azoto.

• ALCANI C H -ILE

( , LEGAME SINGOLO)

n 2n+2

METILE CH 3

ETILE CH CH

3 2

n-PROPILE CH CH CH

3 2 2

ISO-PROPRILE CH C.HCH

3 3

n-BUTILE CH CH CH CH

3 2 2 2

SEC-BUTILE CH CH CHCH

3 2 3

Principali reazioni degli alcani:

COMBUSTIONE:

C H + (3n+1)/2 O → nCO + (n+1)H O

n 2n+2 2 2 2

ALOGENAZIONE:

RH + X → RX + HX

2 C H

• ALCHENI (- )

ENE , DOPPIO LEGAME

n 2n

CH CH

ETILENE 2 2

CH CH CH

2 3

1-PROPENE CH CH CH

3 2

1-BUTENE CH CH CH CH

2 2 3

1,3 –PENTADIENE CH CH CH CH CH

3 2

ETENE CH =CH (vecchia nomenclatura: etilene)

2 2

PROPENE CH -CH=CH

3 2

1-BUTENE CH =CH-CH -CH

2 2 3

2-BUTENE CH -CH=CH-CH

3 3

1-PENTENE CH -CH -CH -CH=CH

3 2 2 2

I residui che si formano togliendo un idrogeno agli alcheni, conservano la stessa radice, ma

cambiano la desinenza da –ene in –enile e saranno pertanto, etenile, propenile, butenile,

pentenile etc

ETENILE CH =CH-

2

1-PROPENILE CH -CH=CH-

3

2-PROPENILE CH =CH-CH -

2 2

1-BUTENILE CH -CH -CH=CH-

3 2

2-BUTENILE CH -CH=CH-CH -

3 2

3-BUTENILE CH =CH-CH -CH -

2 2 2

Se sono presenti due o più doppi legami la desinenza diventa –andiene, -antriene, -

antetraene etc. Gli alcheni con due doppi legami sono noti come dieni. I dieni con i doppi

legami cumulati (-C=C=C-) sono noti come alleni.

PROPANDIENE CH2=C=CH2

1,2-BUTANDIENE CH2=C=CH-CH3

1,3-BUTANDIENE CH2=CH-CH=CH2

BUTANTRIENE CH2=C=C=CH2

PENTANTETRAENE CH2=C=C=C=CH2

C H

n 2n-2

ALCHINI (-INO , TRIPLO LEGAME)

ETINO CH≡CH

PROPINO CH -C≡CH

3

1-BUTINO CH≡C-CH -CH

2 3

2-BUTINO CH -C≡C-CH

3 3

1-PENTINO CH -CH2-CH -C≡CH

3 2

I residui che si formano togliendo un idrogeno agli alchini, conservano la stessa radice, ma

cambiano la desinenza da –ino in –inile e saranno pertanto, etinile, propinile, butinile,

pentinile etc

ETINILE CH≡C-

1-PROPINILE CH -C≡C-

3

2-PROPINILE CH≡C-CH -

2

1-BUTINILE CH -CH -C≡C-

3 2

2-BUTINILE CH -C≡C-CH -

3 2

3-BUTINILE CH≡C-CH -CH -

2 2

• COMPOSTI ALIFATICI CICLICI:

CICLOPENTENE

ETILCICLOEPTANO

1,4-dimetilcicloesano

• IDROCARBURI AROMATICI:

benzene

• ISOMERIA:

DENOMINAZIONE STRUTTURA

Alogenoderivato R-X

Alcol R-OH

Fenolo Ar-OH

Etere R-O-R’

O

R C

Aldeide H

O

R C

Chetone R'

O

R C

Acido OH

Carbossilico O

R C OR'

Estere R-NH2

Ammina O

R C NH

Ammide 2

R C N

Nitrile

• ALCOLI E FENOLI (-OLO , GRUPPO -OH):

I dioli sono alcoli in cui sono presenti due gruppi idrossido.

• ETERI ED EPOSSIDI: (il gruppo C-O-C formula generale ROR’)

,

Etere dietilico CH CH -O-CH CH

3 2 2 3

Etere etilmetilico CH CH -O-CH

3 2 3

1-Cloro-3-etossipropano CH CH -O-CH CH CH Cl

3 2 2 2 2

Etere 3-Cloropropiletilico

• ALDEIDI E CHETONI

Metanale (Formaldeide) HCHO

Etanale (Acetaldeide) CH CHO

3

Propanone (Acetone) CH COCH

3 3

Butanone CH CH COCH

3 2 3

2-Pentanone CH CH CH COCH

3 2 2 3

2-metilbutanale

• ACIDI CARBOSSILICI (-oico , -COOH):

• ESTERI:

 AMMIDI:

• AMMINE : LE PROTEINE

Le proteine sono le macromolecole più versatili dei sistemi viventi e regolano tutti i processi biologici.

Possono :

- agire da catalizzatori (ENZIMI)

- trasportare o conservare altre molecole come l’ossigeno (PROTEINE DI TRASPORTO: emoglobina ecc)

- fornire una protezione immunitaria (ANTICORPI)

- Fornire un supporto meccanico (PROTEINE STRUTTURALI: collagene, cheratina, etc).

- Generare un movimento (PROTEINE CONTRATTILI: miosina, actina etc)

- Trasmettere impulsi nervosi

- Controllare la crescita e il differenziamento (FATTORI DI CRESCITA)

• Le proteine sono polimeri lineari costituiti da unità monomeriche dette amminoacidi. La funzione della

proteina dipende dalla sua struttura tridimensionale che a sua volta è legata alla sequenza di amminoacidi

• Le proteine contengono diversi gruppi funzionali. I gruppi funzionali comprendono alcoli, tioli, tioesteri, acidi

carbossilici, carbossamidi e diversi gruppi basici. Questi gruppi determinano la funzione della proteina.

• Le proteine possono interagire tra loro e con le altre molecole biologiche per formare strutture complesse.

Le proteine all’interno di questi complessi reagiscono sinergicamente per generare proprietà non

riscontrabili individualmente.

• Alcune proteine sono rigide, mentre altre sono relativamente flessibili. Le unità rigide possono essere gli

elementi strutturali del citoscheletro o del tessuto connettivo. Le proteine flessibili possono agire da molle o

cardini per l’associazione delle proteine tra loro o con altre molecole e per la trasmissione dell’informazione

all’interno della cellula e tra cellula e cellula.

• UNITA’ MONOMERICA: α-amminoacidi.

Le proteine sono delle poliammidi dove le unità monomere sono costituite da

Gli alfa-amminoacidi sono molecole chirali, soltanto gli L-amminoacidi fanno parte delle proteine.

Lo stato di ionizzazione varia con il pH.

• STEREOISOMERI :

Per ogni amminoacido sono possibili due stereoisomeri: essendo immagini speculari l’una dell’altra non

sovrapponibili, i due stereoisomeri sono detti enantiomeri. Esiste un sistema di nomenclatura per

specificarne la configurazione assoluta dei 4 sostituenti: il sistema D/L basato sulla configurazione assoluta

dello zucchero a 3 atomi di C gliceraldeide (convenzione di Fisher 1891) e non sulle proprietà ottiche della

molecola.

• STEREOISOMERIA:

CARBONIO CHIRALE: IDENTIFICAZIONE DELLA CONFIGURAZIONE DEGLI STEREOISOMERI (arrangiamento

spaziale dei quattro sostituenti attorno al centro chirale)

Criterio D/L (applicabile solo a stereoisomeri il cui atomo di carbonio

asimmetrico risulti legato a un atomo di idrogeno) :

la molecola va disegnata applicando la proiezione di Fischer;

i quattro gruppi legati al centro chirale non vanno disposti a caso, ma

sistemando il gruppo più ossidato Rox in alto e quello più ridotto Rrid in

basso.

Di conseguenza ai lati del centro chirale si vengono a trovare un atomo di H

da una parte ed un atomo o gruppo atomico X dall’altra. Se il gruppo X si

trova a destra la molecola si dice avere configurazione D in caso contrario la

sua configurazione è L.

Ad eccezione della glicina, tutti gli amminoacidi sono otticamente attivi, ovvero ruotano il piano della luce

polarizzata.

La direzione e l’angolo di rotazione possono essere misurati con un polarimetro.

• AMMINOACIDI:

Gli amminoacidi utilizzati dall’uomo sono classificati in:

AMMINOACIDI ESSENZIALI: sono quelli che l’organismo non è in grado di sintetizzare e quindi bisogna

introdurli con la dieta.

Sono 8 nell’adulto : leucina, isoleucina, fenilalanina, lisina, metionina, treonina, triptofano e valina.

Mentre sono essenziali durante l’infanzia: arginina, cisteina, istidina e tirosina.

AMMINOACIDI NON ESSENZIALI: sono quelli che l’organismo è in grado di sintetizzare in quantità adeguate.

AMMINOACIDI SEMI-ESSENZIALI: sono tirosina e cisteina che possono venire sintetizzati dall’organismo a

partire da fenilalanina e metionina.

La forma cationica è presente a bassi valori di PH, quella anionica ad alti valori di PH.

• PROPRIETA’ ACIDO-BASE:

Lo stato di ionizzazione degli amminoacidi viene alterato da un cambiamento di pH.

Gli zwitteroni, che sono una specie chimica possedente cariche elettriche di segno opposto e situate su due

atomi non adiacenti, sono la forma predominante a pH fisiologico.

Il valore del PH al quale un amminoacido si trova nella forma con carica netta zero è detta PUNTO

ISOELETTRICO (pl) .

Per un α-amminoacido con catena laterale non ionizzabile, il punto isoelettrico (pl