Una nuova teoria sostiene che sia stata l'azione congiunta dì peptidi e RNA a dare il via ai diversi processi dai quali si è originata la vita. Questa nuova teoria in parte contesta in parte completa la cosiddetta ipotesi del mondo a RNA, secondo cui l'acido ribonucleico sarebbe bastato da solo a innescare la vita.
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sabato 13 dicembre 2014
domenica 27 aprile 2014
ENZIMI
Gli enzimi sono molecole biologiche con funzione catalitica
a livello cellulare, la loro capacità di rendere più veloci le reazioni è molto
maggiore rispetto ai catalizzatori inorganici, infatti riescono a trasformare
il reagente in prodotto circa 10^7-8 più velocemente di quanto non avvenga in
loro assenza.
Possiamo dividere gli enzimi in due categorie: proteine e
ribozimi. I più comuni sono comunque di origine proteica. Sono classificati in base al tipo di reazione
che catalizzano in sei categorie.
- Ossidoreduttasi: svolgono ruolo catalitico in reazioni di trasferimento di elettroni, anche sotto forma di ioni H- o radicali H.
- Transferasi: reazioni di trasferimento di gruppi.
- Idrolasi: reazioni di idrolisi di legami C=O,C-N,C-C,P-O-P ( in queste reazioni l’acqua è l’accettore del gruppo trasferito).
- Liasi: reazioni di lisi di un substrato che danno luogo alla formazione di un doppio legame
- Isomerasi: reazioni in cui vengono cambiamenti strutturali in una stessa molecola
- Ligasi: reazioni di condensazione di due substrati che richiedono l’energia chimica di molecole di ATP.
L’attività enzimatica si esplica abbassando l’energia di
attivazione della reazione intervenendo sul meccanismo di reazione senza però
prendere parte al fenomeno, infatti al termine della reazione non sono alterati
né fisicamente né chimicamente. Quindi in realtà influenzano la velocità con
cui la reazione giunge all’equilibrio senza modificare l’equilibrio stesso; per
esempio se dalla reazione otteniamo 2 moli in assenza di enzima, le stesse moli
le otterremo in presenza del catalizzatore biologico, in un tempo
significativamente minore.
Altre caratteristiche importanti degli enzimi:
- Presentano elevata specificità (possono essere attivi per un solo substrato o per una famiglia di substrati, ma in genere piccole variazioni della struttura chimica del substrato rende inefficace l’enzima)
- Accelerano specifiche reazioni senza formazione di sottoprodotti
- Funzionano in soluzione acquose diluite in condizioni blande di T e pH.
La ∆G°# rappresenta
l’energia di attivazione e le costanti cinetiche K sono correlate ad essa
tramite l’equazione: K= cost (e^(deltaG°#/RT)) quindi all’aumentare di ∆G°# la K
diminuisce.
In realtà in presenza dell’enzima abbiamo due tappe nel
diagramma: coordinata di reazione-energia.
Infatti la reazione che avviene ha tre fasi:
La convessità in viola esprime il primo “prodotto” della
reazione cioè il complesso enzima substrato, uno stato molto stabile chiamato
stadio intermedio.
Si possono verificare due casi
- Una sola delle tappe è responsabile della velocità con cui la reazione avviene.
- Le tappe hanno costante di equilibrio k simile e quindi entrambe condizionano la velocità della trasformazione.
Noi ci occuperemo del primo caso.
La tappa lenta sarà quella che porta dal complesso enzima
substrato a quello enzima + prodotto, la cui velocità sarà determinante per
tutta la trasformazione S ------> P.
perciò la velocità complessiva della reazione catalizzata dall’enzima deve
essere proporzionale alla concentrazione del complesso ES
V(tappa)=k2[ES]
Michaelis e Menten si occuparono della catalisi enzimatica
sviluppando un equazione che mette in relazione la velocità di una reazione
enzimatica e la concentrazione del substrato.
[s]vmax/(km+[s]) =vo
Gli enzimi che seguono la cinetica di Michaelis e Menten
mostrano una dipendenza della velocità iniziale (v0) dalla [S] di tipo
iperbolico.
Parametro importante dell’equazione è km che indica la concentrazione di substrato
quando l’enzima lavora a ½ vmax. Infatti sostituendo nell’equazione di MM al
posto di V0, ½ vmax ,otterremo che KM=[S].
km=((k-1)+(k2))/k1
La km si può ridurre a ([k-1])/k1)infatti essendo la
k2<<k1 è un fattore trascurabile. K2 è piccolo perché come abbiamo visto
sopra c’è una relazione di proporzionalità inversa tra energia di attivazione e
costante cinetica, e siccome k2 rappresenta la costante dell’equazione che
determina lo stadio lento, avrà un alto valore di ∆G°# e quindi un basso valore
di K2. (K= cost (e^(deltaG°/RT))
Km ci dice l’affinità dell’enzima per il substrato e
corrisponde alla costante di dissociazione del complesso [ES]. All’equilibrio la velocità di formazione del
complesso [ES] sarà uguale alla velocità di degradazione dello stesso e quindi potremo
dire che: k1 [E][S]=(K-1)[ES] perciò k1/(k-1)=([ES])/([E][S])=Kassociazione. Il
reciproco sarà la costante di dissociazione
Avremo la k1, che indica la costante di equilibrio di
formazione di ES, al denominatore, perciò quando km è piccola avremo grande
affinità verso il substrato.
- [S]>>10KM la reazione è efficiente ma non controllabile variando [S] (infatti se S è molto grande, km risulta trascurabile e praticamente tutto l’enzima risulta saturato, quindi la reazione procederà molto velocemente ma anche se aumentiamo la concentrazione di S non ci sarà più enzima da legare al substrato e la velocità sarà già massima)
- [S]<<0,1 KM la reazione non sarà efficiente ma la si può controllare variando [S] (ci sarà poco substrato legato all’enzima quindi avremo una bassa velocità ma si potrà facilmente aumentare regolando la concentrazione di substrato)
- [S] = KM questa situazione è riscontrabile all’interno della cellula e in questo caso avremo una velocità intermedia e allo stesso tempo regolabile a seconda di [S]
Altro parametro fondamentale è la Kcat che esprime quanto
velocemente un enzima può catalizzare una data reazione. Quindi ci dice quanto
efficiente è l’enzima, il numero di eventi catalitici nell’unità di tempo.
Kcat=vmax/[E]tot .
E poiché dall’equazione V(tappa)=k2[ES]
vista precedentemente possiamo dire che k2=v[ES] avremo che alle condizioni in
cui v=vmax e tutto l’enzima è saturato, k2 sarà uguale a kcat.
Sia km che kcat sono costanti specifiche per ogni reazione.
Nonostante ciò il loro rapporto è quasi sempre invariato e oscilla tra 10^7/8
M^(-1) s^(-1).
kcat/km tramite
questo parametro siamo in grado di valutare insieme l’efficienza e la
specificità di un enzima.
Orbitali Molecolari, teoria OM
La teoria OM combina la tendenza degli atomi a completare i
loro ottetti condividendo i propri elettroni con le loro proprietà ondulatorie.
I legami covalenti sono il risultato della combinazione di orbitali atomici per
formare orbitali molecolari. Un orbitale molecolare appartiene all’intera molecola piuttosto che
ad un singolo atomo e descrive la regione intorno alla molecola dove è più
probabile trovare l’elettrone.
Esempio:
sovrapposizione di due orbitali s
Il legame covalente che si forma quando due orbitali atomici
s si sovrappongono è detto legame
sigma, ϭ, ha simmetria cilindrica (ovvero gli elettroni sono disposti
simmetricamente intorno ad una linea immaginaria che unisce i due nuclei).
Durante la formazione del legame si libera energia, la
stabilità è quindi incrementata. Questo è dovuto al fatto che mentre gli
orbitali iniziano a sovrapporsi l’elettrone di ogni atomo è attratto non solo
dal suo nucleo ma anche da quello appartenente all’altra molecola.
L’energia minima e quindi la massima stabilità si ha quando
i due nuclei sono ad una certa distanza reciproca definita come lunghezza di legame.
La rottura del legame così formato richiede esattamente la
stessa quantità di energia che è stata liberata con la sua formazione perché le
due molecole dovranno acquistare l’energia sufficiente per tornare stabili
separatamente.
La forza del legame, detta anche energia di dissociazione
del legame, è quindi l’energia necessaria per rompere un legame o l’energia che
si libera per formarlo.
Ogni legame covalente ha la sua caratteristica lunghezza e
forza di legame.
Ma gli orbitali si conservano quando si legano tra
loro, perciò quando due orbitali atomici/molecolari interagiscono, per formare
un legame, non si forma un solo orbitale molecolare bensì due. Ciascuno di
questi si origina in maniera differente infatti proprio come le onde gli
orbitali possono combinarsi in maniera costruttiva o distruttiva, con
l’addizione costruttiva si sommano tra loro mentre addizionandosi
distruttivamente si cancellano.
Nel caso della combinazione di due orbitali sigma la combinazione costruttiva crea un orbitale ϭ di legame mentre la combinazione distruttiva crea un orbitale ϭ* di antilegame.
Gli elettroni dell’orbitale sigma di legame hanno elevata
probabilità di trovarsi tra i due nuclei, causano così un elevata densità
elettronica in quella regione che tiene uniti i due nuclei, costituisce il
legame.
Negli orbitali molecolari di sigma di antilegame gli elettroni hanno un’elevata probabilità di
non trovarsi tra i due nuclei, gli elettroni che si trovano in questo orbitale
ostacolano la formazione del legame, inoltre hanno uno stato energetico più
elevato, anche a causa della loro posizione, e quindi sfavorito, l’energia di
un orbitale sigma di antilegame è maggiore rispetto a quella degli orbitali
atomici presi singolarmente e sommati.
L’orbitale molecolare ϭ di legame invece ha energia minore rispetto ai due
orbitali atomici presi singolarmente e sommati ed è quindi decisamente favorito
infatti l’elettrone è tanto più stabile quanto maggiore è il numero di nuclei
con i quali interagisce.
Gli elettroni occupano sempre gli orbitali con minore
energia disponibili: principio dell’ aufbau.
Maggiore è la sovrapposizione tra gli orbitali atomici più
forte è il legame covalente. Il legame covalente più forte si forma quindi se
gli elettroni occupano l’orbitale molecolare ad energia minore.
I due elettroni dell’orbitale ϭ* molecolare di antilegame
sfruttano l’energia che avrebbero liberato quelli sigma di legame formandosi e
rendono così la molecola instabile. Per questa ragione non esiste la molecola
He-He.
Un atomo meno elettronegativo contribuisce di più
all’orbitale di antilegame mentre l’atomo più elettronegativo contribuisce
maggiormente a quello di legame. Ciò significa che in un legame C-O gli
elettroni tenderanno maggiormente a trovarsi sull’atomo di O piuttosto che su
C.
P.S. anche
gli altri orbitali atomici possono unirsi. Per esempio gli orbitali p possono sovrapporsi lateralmente
formando l’orbitale molecolare di legame П e l’orbitale molecolare di
antilegame П* che si forma con la sovrapposizione di orbitali p non in fase (
sottrazione).
Prossimamente aggiorneremo questo pezzo
sabato 26 aprile 2014
Le reazioni di Cannizzaro: la Cannizzaro e la Cannizzaro incrociata
ex. la benzaldeide
Catalizzando con basi forti concentrate la nostra aldeide subirà in parte
un’ossidazione ad acido carbossilico, in parte una riduzione ad alcool. Se non
aggiungiamo un acido a reazione avvenuta avremo il sale dell’acido carbossilico
e l’alcool. Aggiungendo l’acido otteniamo l’acido carbossilico voluto.
*se KOH non fosse
stato concentrato non sarebbe avvenuta alcuna reazione
Si noti che è possibile affrontare la reazione secondo due stadi:
1. Attacco nucleofilo dello ione ossidrile con formazione del dianione
2. Riduzione dell'aldeide per trasferimento di idruro con evoluzione del di anione ad acido carbossilico e dell'aldeide all'alcool corrispondente
Il meccanismo ci fa capire perché non sia possibile in aldeidi con idrogeni in alfa, infatti avverrebbe la reazione di condensazione aldolica che è molto più veloce.
venerdì 25 aprile 2014
Bioenergetica e Termodinamica
Le
cellule e gli organismi viventi devono produrre lavoro per vivere,
crescere, riprodursi, sono in grado di trasdurre l’energia
attraverso diverse forme convertendola nella forma più adatta alle
esigenze momentanee.
Possono
convertire l’energia chimica di diversi tipi di sostanze in
gradienti di concentrazione, gradienti elettrici, movimento e calore,
in alcuni casi in luce.
Le
trasduzioni biologiche di energia obbediscono agli stessi principi e
leggi fisiche che governano tutti i processi naturali.
Bioenergetica
e Termodinamica
La
bioenergetica è lo studio quantitativo delle trasduzioni
energetiche, ovvero dei cambiamenti dell’energia da una forma ad
un’altra che avvengono nelle cellule.
Le
trasformazioni biologiche dell’energia seguono le leggi della
termodinamica:
il
principio di conservazione dell’energia
secondo
principio, in tutti i processi naturali l’entropia tende ad
aumentare
Il
sistema che stà reagendo e l’ambiente che lo circonda
costituiscono l’universo. Le cellule e gli organismi viventi sono
sistemi aperti, cioè esse scambiano energia e materia con il loro
ambiente esterno per questo pur creando ordine al loro interno non
violano il secondo principio in quanto all’esterno l’entropia
aumenta.
3
entità termodinamiche descrivono le variazioni di energia in una
reazione chimica:
- l’Energia libera di Gibbs, G, esprime la quantità di energia in grado di produrre lavoro durante una reazione a temperatura e pressione costanti. Quando la reazione procede con il rilascio di energia libera cioè quando il sistema si modifica verso uno stato che possiede meno energia libera, la variazione di energia ha un valore negativo e la reazione viene detta esoergonica. Se la variazione di energia libera è positiva allora è il sistema a guadagnare energia e la reazione è detta endoergonica.
- L’Entalpia, H, è il contenuto termico del sistema che stà reagendo, riflette il numero e il tipo di legami chimici dei reagenti e dei prodotti. Quando una reazione rilascia calore viene detta esotermica e ha variazione di entalpia negativa, quando un sistema assume calore è detto endotermico e ha una variazione di entalpia positiva.
- L’Entropia, S, è un’espressione quantitativa della casualità e del disordine di un sistema. Le tre variabili sono regolate dall’equazione ∆G=∆- T∆S
Il
valore ∆G di un sistema che reagisce spontaneamente è sempre
negativo e non è necessario che l’aumento di entropia abbia luogo
nel sistema che stà reagendo.
Le
cellule hanno bisogno di fonti di energia libera, questa viene
trasformata in ATP e altri composti ricchi di energia, che poi
saranno in grado di fornirla per il lavoro biologico a temperatura
costante.
La
variazione di energia libera standard è direttamente correlata alla
costante d’equilibrio. Quando un sistema non è all’equilibrio,
la tendenza a spostarsi verso l’equilibrio diventa una forza
trainante la cui intensità è espressa dalla variazione di energia
libera ∆G della reazione.
In
condizioni standard la forza che spinge la reazione verso
l’equilibrio è la ∆G°, però nei sistemi biologici la
concentrazione degli ioni H+ non è 1 M quindi i biochimici hanno
definito lo stato standard in modo diverso: si considera lo stato
standard con [H+]= 10^-7, [H2O]= 55.5 M e per le reazioni che
convolgono lo ione magnesio Mg2+( la maggior parte delle reazioni che
usano ATP come substrato) con concentrazione 1mM.
Le
costanti cosi definite vengono dette costanti standard trasformate e
si indicano come ∆G’° e K’eq
∆G’°=
-RTln(K’eq) la variazione di energia libera standard è
semplicemente un modo alternativo per esprimere la costante di
equilibrio.
Se
K’eq=1 allora ∆G’°=0
Se
K’eq>1 allora ∆G’°<0
Se
K’eq<1 allora ∆G’°>0
Il
valore di ∆G’° corrisponde alla differenza tra il contenuto di
energia libera dei prodotti e quello dei reagenti.
Bioenergetica e Metabolismo
Il
metabolismo è un’attività cellulare altamente coordinata a cui
cooperano molti sistemi multienzimatici (le vie metaboliche) per
adempiere a diverse funzioni quali : ottenere energia dall’ambiente,
convertire molecole delle sostanze nutrienti in molecole della
cellula stessa, polimerizzare monomeri/precursori in polimeri utili
alla vita cellulare, sintetizzare e degradare le biomolecole
necessarie per le funzioni specializzate della cellula.
Gli
organismi si dividono in autotrofi ed eterotrofi.
Nelle
vie metaboliche le molecole di precursore vengono convertite in
prodotti attraverso una serie di intermedi metabolici chiamati
metaboliti.
Il
catabolismo è la fase degradativa del metabolismo in cui le molecole
organiche dei nutrienti vengono convertite in prodotti finali più
semplici, le vie cataboliche rilasciano energia parte della quale
viene conservata mediante la produzione di ATP e di trasportatori di
elettroni in forma ridotta.
Nell’anabolismo,
chiamato anche biosintesi, i precursori semplici vengono uniti tra
loro per costruire molecole più grandi. Le reazioni anaboliche hanno
bisogno di un rifornimento di energia sotto forma del trasferimento
del gruppo fosforico dall’ATP e del potere riducente dei
trasportatori di elettroni in forma ridotta come NADH NADPH FADH2.
Le
vie metaboliche possono essere lineari o ramificate ( si generano più
prodotti diversi a partire da un unico precursore). In genere le vie
cataboliche sono convergenti mentre quelle anaboliche divergenti,
alcune vie sono cicliche.
Le
vie anaboliche e cataboliche possono avere in comune composti di
partenza o prodotti finali, possono avere molti enzimi in comune ma
almeno una delle tappe deve essere catalizzata nella direzione
anabolica o catabolica da enzimi diversi che saranno sottoposti a
regolazione separata. Perché una via sia irreversibilmente
anabolica/catabolica è necessario che in ogni direzione esista
almeno una reazione termodinamicamente favorita in un senso e quindi
sfavorita nel senso opposto. Inoltre le diverse vie sono segregate in
compartimenti cellulari differenti, questo permette di mantenere
costanti e controllate le concentrazioni delle diverse specie che
prendono parte ad una via e quindi controllare l’esito delle
reazioni. Questo si spiega con il fatto che le vie metaboliche sono
sotto controllo cinetico da parte delle concentrazioni dei prodotti e
dei substrati.
Le
vie metaboliche sono regolate a livelli diversi sia dall’interno
che dall’esterno della cellula. La più immediata forma di
controllo dipende dalla disponibilità del substrato. Quando la
concentrazione di substrato intracellulare è minore di Km la
velocità della reazione dipende fortemente da lui. Un secondo tipo
di regolazione è la regolazione allosterica da parte di intermedi
metabolici o di coenzimi che segnalano lo stato metabolico della
cellula.
Negli
organismi pluricellulari le attività metaboliche di tessuti
differenti vengono regolate ed integrate tra di loro mediante
molecole quali fattori di crescita ed ormoni che agiscono
dall’esterno della cellula.
Benvenuti
Ciao a tutti,
Siamo due studenti dell'Università di Napoli Federico II
e dell'Università degli studi di Cagliari, durante gli studi
abbiamo riscontrato come molto spesso manchi il materiale
online e quanto sia difficile trovarlo nei libri per questo pubblicheremo
argomenti volti sopratutto agli studenti in modo che possano usufruire
di ciò che è mancato a noi.
e dell'Università degli studi di Cagliari, durante gli studi
abbiamo riscontrato come molto spesso manchi il materiale
online e quanto sia difficile trovarlo nei libri per questo pubblicheremo
argomenti volti sopratutto agli studenti in modo che possano usufruire
di ciò che è mancato a noi.
Come potete notare gli argomenti sono vari e non completi ma
ci stiamo lavorando. Per qualunque dubbio o richiesta
scriveteci, i consigli e le critiche sono sempre ben accetti.
ci stiamo lavorando. Per qualunque dubbio o richiesta
scriveteci, i consigli e le critiche sono sempre ben accetti.
Se avete delle richieste ricordate che siamo aperti
a qualunque suggerimento ;)
Chimico Nato
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Per ultimo alleghiamo un immagine che può servire da guida all'utilizzo del blog:
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