Basi molecolari della vita_(1 anno)

A.A. 2015/2016
Insegnamento per
14
Crediti massimi
168
Ore totali
Lingua
Italiano

Struttura insegnamento e programma

Edizione attiva
Responsabile
Programma
Programma del corso:
La materia e la struttura dell'atomo Differenza tra sostanze pure (elementi e composti) e miscele. Struttura dell'atomo (natura del nucleo e caratteristiche degli elettroni), definizione di numero atomico (Z) e di massa (A) e concetto di isotopi. Concetto di massa atomica e massa molecolare delle sostanze pure e differenza da peso atomico e peso molecolare. Unità di massa atomica (u.m.a) e massa molecolare. La Mole. Definizione, numero di Avogadro N, massa molare e molecolare e semplici calcoli relativi per calcolare la quantità di sostanza n espressa in mol. Modello atomico semplice ed attuale. Numeri quantici, orbitali atomici; principio di esclusione di Pauli e regola di Hund per il riempimento degli orbitali.
Configurazione elettronica degli atomi elettronica degli atomi multielettronici a parire dal loro numero atomico. Tavola periodica degli elementi; significato di righe (periodi) e colonne (gruppi). Proprietà degli elementi in funzione della configurazione elettronica esterna. Variazione delle proprietà degli elementi (energia di ionizzazione, affinità elettronica, raggio atomico e ionico) spostandosi lungo un periodo o un gruppo. Elettronegatività: grandezza chimica di riferimento per descrivere legami ionico e covalente.
Concetto di ione (catione e anione).
I legami chimici tra atomi Giustificazione e definizione di legame chimico e perchè gli atomi degli elementi diversi dai gas nobili tendono a legarsi fra loro attraverso legami chimici.
Definizione di legame ionico e giustificazione della formazione dei reticoli cristallini invece della molecola nei composti ionici. Definizione di legame covalente semplice e multiplo omo e etero-polare come sovrapposizione di orbitali atomici a dare gli orbitali molecolari (σ e π). Spiegazione del perché gli atomi ibridano i loro orbitali atomici dello stato fondamentale per formare legami. Vari tipi di orbitali ibridi (sp3, sp2 e sp) e loro disposizione tridimensionale dalla quale deriva la forma e polarita' delle molecole.
Esempio di ossigeno nella molecola di acqua, azoto in quella di ammoniaca e carbonio nei suoi vari idrocarburi). Coppie elettroniche di legame e di non legame delle stesse molecole.
I legami chimici tra molecole Interazioni tra molecole (forze di van der Waals sia tra molecole polari sia tra molecole apolari, legame a ponte di idrogeno e interazioni tra molecole e ioni).
Composti di coordinazione e i leganti mono o pluridentati. Esempio della emoglobina e della vitamina B12.
Stati di aggregazione della materia. I tre stati di aggregazione (solido, liquido e gassoso) della materia e le interazioni tra molecole responsabili del diverso stato fisico dei composti. Equazione di stato dei gas ideali Principali proprietà dei liquidi: tensione superficiale (o energia superficiale), tensione di vapore e temperatura di ebollizione. Forze attrattive fra molecole che le causano e equilibrio dinamico del passaggio di stato liquido-vapore e delle forze attrattive fra molecole. Correlazione tra temperatura di ebollizione di un liquido e tensione di vapore. Stato solido e passaggi di stato cenni .
Le soluzioni acquose: Struttura e proprietà dell'acqua. Definizione di soluzioni, di solvente e di soluto/i. Unità di misura della concentrazione di una soluzione (molarità, molalità, frazione molare e percentuali p/p, p/v e v/v) e semplici esempi di calcolo della concentrazione. Concetto di solubilita' di un soluto, solido o gassoso, in un solvente e fattori che la influenzano (P, T, legge di Henry per le soluzioni di gas inerti in acqua). Concetto di saturazione. Differenza tra sostanze idrofile, idrofobe e anfipatiche e la loro attitudine a formare micelle. Definizione di sapone e loro comportamento in acqua come esempio di sostanze anfipatiche, relativamente all'azione tensioattiva e alla formazione di micelle. Meccanismo della detergenza.
Proprietà colligative delle soluzioni Fenomeno dell'innalzamento ebulloscopico, dell'abbassamento crioscopico e della pressione osmotica di una soluzione di un soluto non volatile.
Concetto di osmoli e osmolarità delle soluzioni e semplici calcoli numerici sulla pressione osmotica di soluzioni di soluti ionici e covalenti non ionizzati in acqua. Concetto di soluzioni isotoniche, ipotoniche ed ipertoniche riferite ad una soluzione rispetto a una seconda. Applicazioni cliniche della osmosi, proprieta' della soluzione fisiologica.
Le reazioni chimiche e l'equilibrio Generalita' sulle reazioni chimiche come processi di equilibrio più o meno spostati verso i prodotti (reazioni quantitative e reazioni di equilibrio). Definizione della costante di equilibrio di una reazione come risultato della uguaglianza del valore della velocità diretta ed inversa di una reazione (legge di azione di massa di Guldberg e Waage). Significato quantitativo della costante di equilibrio di una reazione per prevedere se l'equilibrio della reazione è più spostato verso i reagenti o verso i prodotti.
Parametri che possono modificare una composizione all'equilibrio (concentrazione dei reagenti e dei prodotti, temperatura, pressione), secondo il principio di azione e reazione (Le Chatelier-Brown).
Acidi-basi- Equilibrio di autoionizzazione dell'acqua, prodotto ionico e concetto di neutralità. Soluzioni acquose acide o basiche in funzione della concentrazione idrogenionica. Significato di pH. Accenni alla determinazione sperimentale del pH mediante l'uso di indicatori acido-base o di piaccametri. Definizione di acidi e basi secondo Arrhenius e secondo Brǿnsted-Lowry. Concetto di coppie acido-base coniugate.
Differenza tra acidi e basi forti e deboli. Reazione di acidi e basi deboli in acqua e definizione di costante di dissociazione acida o basica Ka o Kb. Relazione tra Ka e Kb.di acidi e basi coniugate (KaKb=Kw). Proprieta' dei sali. Calcolare in modo approssimato, in semplici esempi, il pH di soluzioni acquose di acidi e basi forti, di acidi e basi deboli e di ioni a carattere basico o acido che compongono un sale.
Acidi poliprotici (acido carbonico e acido fosforico) e relativi andamenti delle costanti di dissociazioni.
Concetto, composizione e meccanismo delle soluzioni tampone. Forza del tampone. Accenno ai principali modi di regolazione del pH da parte dell'organismo: tampone bicarbonato, fosfato, proteine plasmatiche. Sistema CO2-bicarbonato e curve di compensazione; Equazione di Henderson-Hasselbalch; significato di alcalosi o acidosi metabolica e respiratoria e difese dell'organismo contro CO2 e H+.
Calcoli approssimativi del pH di soluzioni tampone. Teoria acido-base di Lewis e differenze da quella di Broensted e Lowry.
Cenni di Termodinamica e bioenergetica. Concetto di energia e sue diverse forme. Definizione di sistema termodinamico in generale e di sistemi isolati, chiusi e aperti. Differenza fra variabili di stato e funzioni di stato termodinamiche. Significato delle principali funzioni termodinamiche (energia interna, entalpia, entropia ed energia libera). Previsione dell'aspetto energetico di un processo in base alle variazioni di entalpia. Concetto di spontaneita' di un processo in base alla variazione di entropia nei sistemi isolati e di energia libera nei sistemi chiusi. Differenza tra reazioni esotermiche/endotermiche e esoergoniche /endoergoniche. Variazione di energia libera standard ∆G° e sua relazione con la costante di equilibrio di una reazione. Significato di accoppiamento di reazioni per rendere possibili processi metabolici non spontanei.
Cenni di Cinetica. Significato di velocita' di reazione, legge di velocità e ordine di una reazione. Fattori che influenzano la velocita'. Teoria delle collisioni o degli urti di Arrhenius , equazione di Arrhenius, e significato dei singoli termini. Teoria del complesso attivato e dello stato di transizione di Eyring, diagramma di reazione, variazione di energia libera e significato di energia di attivazione per spiegare l'aumento della velocità di reazione con la temperatura.
Caratteristiche e funzione dei catalizzatori e influenza sulla velocità di reazione e sulla posizione dell'equilibrio. Introduzione agli enzimi e alle loro caratteristiche.
Principi di Elettrochimica. Definizione e calcolo del numero di ossidazione di un atomo in una molecola o in uno ione. Concetto di ossidazione e di riduzione, agente ossidante e agente riducente. Elementi strutturali essenziali di una pila, dispositivo che permette di trasformare in energia elettrica l'energia chimica associata a reazioni redox. Significato di potenziale standard di riduzione di una coppia ossidoriduttiva in relazione all'elettrodo standard di idrogeno. Potenziale standard a pH 7.0 per le reazioni biochimiche (E°') e valori per le coppie NAD+/NADH + H+, FAD/FADH2, H2O/O2
Calcolo del potenziale ossidoriduttivo di una coppia ox/red in condizioni diverse da quelle standard (equazione di Nerst). Calcolo della forza elettromotrice di una pila (fem). Definizione e descrizione di una pila a concentrazione. Calcolo della fem di una pila a concentrazione applicando la equazione di Nerst.

CHIMICA ORGANICA

Introduzione Concetti generali sulla chimica del carbonio e definizione di gruppo funzionale. Cenni di nomenclatura per le seguenti classi di composti organici, dei quali si deve saper scrivere la formula generale: idrocarburi (alcani, alcheni, ciclici, aromatici), alogenocomposti, alcooli, fenoli, eteri, analoghi solforati (tioalcooli, tiofenoli, tioeteri, disolfuri), aldeidi e chetoni, acidi carbossilici, derivati degli acidi (alogenuri, anidridi, esteri, tioesteri, ammidi), ammine, semplici composti bifunzionalizzati.
Differenza fra una scissione omolitica e una eterolitica di un legame covalente e tra una reazione ionica e radicalica. Definire e riconoscere un reagente nucleofilo e uno elettrofilo, una reazione nucleofila e una elettrofila.
Reazioni di ossidazione in biochimica. Concetto di redox in biochimica e concetto di stato di ossidazione del carbonio nelle diverse strutture esaminate. Meccanismi di riduzione (somma di due atomi di idrogeno o perdita di un atomo di ossigeno) e ossidazione (deidrogenazione o introduzione di un atomo di ossigeno) in biochimica. Ossidazione di alcoli primari e secondari ad aldeidi e chetoni. Differenza tra ossidazione degli alcoli e dei tioalcoli: formazione del ponte disolfuro. Equilibrio redox tra chinone e semichinone.
Alcani ed alcheni. Utilizzo di orbitali ibridi nei legame covalenti semplici (legami) e doppi (legami e ). Semplici strutture di idrocarburi saturi (alcani e cicloalcani) e insaturi (alcheni e cicloalcheni). Stabilità e conformazione dei cicloalcani in riferimento alla tensione d'anello. Conformazioni a sedia e a tino per il cicloesano, legami assiali ed equatoriali nella conformazione a sedia. Sistemi policiclici: il colesterolo. Proprieta' fisiche e caratteristiche principali di reattivita'.
Isomeria Definizione. Isomeria costituzionale (di catena e di posizione) e stereoisomeria (conformazionale e configurazionale o geometrica negli alcheni) (nomenclatura cis, trans, E, Z).
Aromatici. Condizioni necessarie per riconoscere in composti semplici la presenza di un sistema aromatico (regola di Huckel). Concetto di aromaticità applicato al benzene e alle strutture aromatiche che compongono le basi puriniche e piridiniche.
Alcoli e tioalcoli Cenni di nomenclatura per le strutture piu' semplici. Principali prodotti di ossidazione e disidratazione di alcooli.
Aldeidi e chetoni Reattività del gruppo carbonilico nelle aldeidi e nei chetoni e le loro reazioni di addizione nucleofila. Reazione fra aldeidi e acqua o alcoli e ammoniaca o ammine con formazione di semiacetali, acetali e immino derivati. Tautomeria cheto-enolica di un composto -dicarbonilico (es. -dichetoni e -chetoesteri). Reazione di condensazione aldolica.

Isomeria Concetto di chiralità e di atomi stereogenici. Rappresentazione secondo la convenzione di Fischer di molecole con uno o più centri stereogenici (D,L). Definizione di enantiomeri, forme meso, racemo. Attività ottica e potere ottico specifico ([a]D).
Acidi carbossilici Comportamento acido degli acidi carbossilici, espressione della Ka, stabilizzazione per risonanza dello ione carbossilato e forma predominante a pH fisiologico.
Caratteristiche chimiche di acidi grassi saturi e insaturi: strutture e simbolismo Cx:Ny,z utilizzato in biochimica. Comportamento anfipatico (anfifilico) degli anioni corrispondenti (basi coniugate), concentrazione micellare critica e formazione di micelle. Differenze strutturali e chimico-fisico fra oli e grassi. Definizione di sapone e comportamento in acqua di saponi (come esempio di sostanze anfipatiche) relativamente all'azione tensioattiva e alla formazione di micelle.
Ammine Comportamento basico delle ammine, espressione della Kb, e forma predominante a pH fisiologico.
Struttura e formazione di sali di tetraalchilammonio a partire da una ammina terziaria e da un alogenuro alchilico. Esempio della colina.
Derivati degli acidi Derivati degli acidi e loro reazione di formazione e idrolisi (alogenuri, anidridi, esteri, tioesteri, ammidi). Esatta stechiometria, della reazione di un estere con acqua in assenza e in presenza di H3O+ o di OH.. Reazione di idrolisi del legame ammidico in presenza di H3O+ o di OH- .
Risonanza del legame ammidico e le sue conseguenze. Struttura e caratteristiche dell'acido fosforico e dei mono e diesteri fosforici.
Polifunzionali Semplici composti polifunzionali (acidi carbossilici insaturi, idrossiacidi, chetoacidi, acidi bicarbossilici) utilizzando come esempio gli intermedi del ciclo di Krebs.

PROPEDEUTICA BIOCHIMICA

Struttura e funzione dei carboidrati: Definizione e classificazione dei carboidrati. Formula generica di un di un aldoso o chetoso. Definizione di serie D e L dei monosaccaridi a partire da gliceraldeide.
Formule di monosaccaridi secondo la convenzione di Fischer, in particolare gliceraldeide, diidrossiacetone, ribosio e desossiribosio, glucosio, mannosio (epimero in 2 del glucosio), del galattosio (epimero in 4 del glucosio), del fruttosio. Ciclizzazione del glucosio e del ribosio (strutture piranosiche o furanosiche), rappresentazione secondo Haworth e definizione di anomeri alfa e beta. Reazione di ossidazione di monosaccaridi con ossidanti selettivi delle aldeidi (Ag+ e Cu2+).

Disaccaridi e polisaccaridi. Definizione di disaccaride e differenza fra disaccaridi riducenti e non riducenti. Proprietà e reazione del gruppo semiacetalico. Formazione di legame glicosidico: O- e N-glucosidi. Differenza fra legami glucosidici 1,4-α (maltosio) e 1,4-β(cellobiosio). Legame 1,6-α glicosidico e ramificazione dei polisaccaridi. Caratteristiche strutturali essenziali dell'amido, del glicogeno, della cellulosa e dei mucopolisaccaridi.
Struttura e funzione dei lipidi: Definizione, classificazione e importanza biomedica dei lipidi semplici e complessi: ruoli strutturali, ruoli energetici, ruoli funzionali (precursori di ormoni, tensioattivi, secondi messaggeri). Struttura di un lipide semplice (triacilglicerolo): reazioni di esterificazione diretta (disidratazione) da acidi grassi e glicerolo; e di idrolisi in presenza di H3O+ e di OH- .
Elementi strutturali di un lipide complesso (fosfolipide). Glicerofosfolipidi, sfingolipidi, terpeni (steroli e colesterolo), altri derivati dell'unità isoprenica attivata (Vitamine A, D, E, K, ubichinone, dolicoli).
Membrane Biologiche Strutture ed organizzazione di fosfolipidi in ambente acquoso. Architettura delle membrane biologiche: il modello a mosaico fluido e (lipid rafts). Proprietà e ruolo delle membrane biologiche nel definire la compartimentazione cellulare. Fluidità delle membrane biologiche: effetto dei doppi legami e del colesterolo. Proteine di membrana: integrali, periferiche, proteine GPI modificate
Struttura e funzione di amminoacidi e proteine: Definizione di amminoacido, struttura generale degli a-amminoacidi secondo la convenzione di Fischer e classificazione chimica: acidi, basici e neutri. Serie D-L e loro importanza biologica. Equilibri fra la forma cationica, anfiionica e anionica e forma predominante a pH fisiologico per un amminoacido neutro, acido e basico. Definizione di punto isoionico e punto isoelettrico.
Definizione di peptidi e di proteine. Definizione di peptidi e proteine. Caratteristiche chimiche del legame peptidico (in cosa consiste, risonanza, zone di rigidità) e reazione di biosintesi a pH 7.4 attraverso l'intervento di ATP, Mg2+ e t-RNA. Conformazioni dello scheletro polipeptidico, diagramma di Ramachandran. Elementi strutturali che motivano la distinzione tra struttura primaria, secondaria, α elica e foglietto β (parallelo e antiparallelo). Struttura terziaria e quaternaria di una proteina. Il folding delle proteine: denaturazione, agenti denaturanti e rinaturazione.
Enzimi e catalisi biologica: Meccanismo d'azione degli enzimi; Energia dl attivazione; Componenti strutturali e funzionali; Nomenclatura e classificazione; Specificità dl substrato ed azione; Modello Lock and Key; Coenzimi principali; Principio di additivìtà dell'energia libera in reazioni accoppiate.
Cinetiche Chimiche e Enzimatiche. Ordine di reazione; Ipotesi per l'azione degli enzimi; Equazione di Michaelis-Menten; Velocità massima e Km; Trasformazione di Lineweaver-Burk; Rappresentazione grafica delle reazioni enzimatiche.
Regolazione dell'attivita' Enzimatica. Necessità fisiologica; Catene enzìmatiche; Controllo del livello di enzima; Ubiquitina; Fattori fisici e chimici di modulazione dell'attività; Inibizione competitiva e non competitiva; Compartimentalizzazione intracellulare; Modificazioni allosteriche e covalenti; Allosterismo e cooperatività; Cinetica degli enzimi allosterici e cooperativi.
Nucleosidi e nucleotidi: Definizioni e caratteristiche strutturali dei nucleosidi e nucleotidi pirimidinici e purinici con particolare attenzione ai legami chimici che li caratterizzano. Differenze tra DNA e RNA. Struttura primaria secondaria e terziaria del DNA e legami che le caratterizzano. Formazione del legame 3',5'-fosfodiestereo che porta alla formazione di un dinucleotide e quale elemento strutturale che caratterizza la natura polimerica dell'RNA e del DNA. Residua acidità del gruppo ossidrilico legato al fosforo come caratteristica acida degli acidi nucleici. Struttura a doppia elica del DNA e diverse caratteristiche dei legami a idrogeno tra basi appaiate (A-T e C-G). Struttura a elica singola dell'RNA. Elementi strutturali dei coenzimi nucleotidici (NAD, FAD, coenzima A) e siti di ossidoriduzione. Struttura dell'ATP: legami anidridici e estereo. Concetto di legame ad alta energia.
Prerequisiti e modalità di esame
Modalità di erogazione del corso di insegnamento:
Lezioni frontali.
Modalità di svolgimento dell'esame di profitto:
L'esame consiste in un test con domande a risposta multipla e domande a risposta aperta e colloquio finale sull'elaborato.
Materiale didattico e bibliografia
Bibliografia:
· F. A. Bettelheim, W. H. Brown, M. K. Campbell, S. O. Farrell Chimica e Propedeutica Biochimica. Ed. Edises
· Binaglia Luciano; Giardina Bruno. Chimica e propedeutica biochimica. Ed. McGraw-Hill Education
· M. Samaja, R. Paroni - Chimica e Biochimica per le lauree triennali dell'area Biomedica - Ed. Piccin
· Santaniello - Alberghina - Coletta - Marini Principi di chimica generale e organica. Ed. Piccin
Periodo
annuale
Docente/i
Ricevimento:
previo appuntamento da concordare via mail
Ricevimento:
Su appuntamento
9 piano, Blocco C, Via A. di Rudinì, 8 - Milano
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previo appuntamento da concordare via e-mail
H San Paolo -9 piano Blocco C
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previo appuntamento da concordare via e-mail