Chimica Bio-Organica

Anno Accademico 2023/2024

Programma del Corso (DEFINITIVO), valido per gli esami dal 1 Giugno 2024 al 31 Maggio 2025

Il programma è scritto in modo dettagliato affinché possa essere utilizzato anche come guida per lo studio e come mappa concettuale.

SI PRESUPPONE CHE GLI STUDENTI CONOSCANO LE NOZIONI DI ACIDO E DI BASE SECONDO BRONSTED E SECONDO LEWIS E CHE CONOSCANO GLI STATI DI OSSIDAZIONE DEL CARBONIO (REDOX ORGANICHE)

SI PRESUPPONE CHE GLI STUDENTI CONOSCANO LA STRUTTURA DEI 20 AMMINO ACIDI

SI PRESUPPONE CHE GLI STUDENTI CONOSCANO LE REAZIONI BIOCHIMICHE DELLA GLICOLISI E DEL CICLO DI KREBBS

• Breve riepilogo dei principali gruppi funzionali dei composti organici (struttura e reattività)

• Acidità degli idrogeni in alfa ai carbonili: tautomeria cheto-enolica, alchilazione di aldeidi e chetoni, condensazione aldolica, reazione retro-aldolica, condensazione di Claisen, decarbossilazione di beta-cheto acidi, reazione retro-Claisen, immine ed enammine (immina protonata come carbocatione mascherato, enammina come carbanione mascherato, cenni alla alchilazione di Stork). 

  • Glucosio-6P isomerasi: tautomeria cheto-enolica

  • Trioso-fosfato isomerasi: tautomeria cheto-enolica

  • Biosintesi degli acidi grassi (malonil-CoA + acetil-CoA)

  • Acetacetato decarbossilasi: decarbossilazione di beta-cheto acidi

  • Aldolasi: retro-aldolica

• Composti eterociclici aromatici e alifatici: furano, tiofene, pirrolo (pKa 16.5), tetraidrofurano, tetraidrotiofene, pirrolidina, anione ciclopentadienilico, indolo e triptofano, ossazolo, tiazolo, imidazolo (pKa 6.8 e 14.4) e istidina (pKa 6), acidità del tiazolo (pKa 12.7), pirilio, tiopirilio, piridina, ione piridinio (pKa 5.2), pirimidina, citosina, timina, uracile, purina, adenina, guanina, deamminazione della citosina (a dare uracile).

• Prochiralità: sistemi sp2 Cxyz (faccia re e faccia si), sistemi sp3 Cxxyz (pro-R e pro-S), acetaldeide, etanolo, NAD+, NADH, citrato, piruvato, 

  • alcol deidrogenasi (etanolo + NAD+ = acetaldeide + NADH + H+)

  • aconitasi (citrato = isocitrato)

  • citrato sintasi (ossalacetato + acetil-CoA = citrato)

  • succinato deidrogenasi (succinato + FAD = FADH2 + fumarato)

  • ciclo di Krebbs (molti esempi)

• Orbitali: atomici e molecolari, di legame e antilegame, energia degli orbitali, reazioni organiche come interazione tra HOMO e LUMO, allineamento e sovrapposizione degli orbitali, effetti stereoelettronici.

  • effetto anomerico (inattesa stabilità dell'alfa-D-glucopiranosio se confrontato con il cicloesanolo)

  • effetto gauche (forma elicoidale del PEG)

  • effetti stereoelettronici NADH (donazione dell'H pro-R o pro-S a seguito dell'allineamento degli orbitali e deformazione dell'anello nicotinammidico)

  • effetti stereoelettronici nella selezione del legame da rompere per reazioni catalizzate da PLP

  • triosofosfato isomerasi: effetti stereoelettronici impediscono la perdita di fosfato nell'intermedio endiolo

  • idrossilazione della prolina (prolina idrossilasi) rafforza la struttura del collagene conferendo stabilità all'anello della prolina per effetti stereoelettronici

• Legami delle biomolecole: ammidi (peptidi), esteri, fosfodiesteri. Stabilità dei fosfodiesteri (repulsione elettrostatica nei confronti di nucleofili, costo di re-ibridizzazione, presenza di sostituenti elettronattrattori), acido fosforico e costanti di acidità (pKa 2.12, 7.2, 12.3), ruolo del Mg2+, inversione piramidale come modello della re-ibridizzazione del fosforo, instabilità dell'RNA a causa del gruppo 2'-OH.

  • ribonucleasi A: idrolisi fosfodiesteri

• Termodinamica e cinetica: grafico della coordinata di reazione, deltaG° e deltaG#; significato e stima dell'entalpia (legami covalenti e non covalenti, energia e distanza di legame), significato e stima dell'entropia (gradi di libertà), effetto idrofobico e sua rilevanza biochimica; velocità di una reazione (primo ordine, secondo ordine, pseudo primo ordine), equazione di Arrhenius, teoria dello stato di transizione, equazione di Eyring, come ricavare A, Ea, DH# e DS# a partire dalle costanti di velocità (k) misurate a diverse temperature.

• Stato di transizione: natura dello stato di transizione, analoghi dello stato di transizione (TSA) (prolina racemasi, lisozima, proteasi, citidina e adenosina deamminasi, renina, triosofosfato isomerasi, glucosio-6-fosfato isomerasi, ossalacetato decarbossilasi, aspartato carbamoil transferasi)

• Inibitori covalenti (substrati suicida): trapaxin-A come inibitore dell'istone deacetilasi, 5-fluorouracile come inibitore della timidilato sintasi, gas nervini/insetticidi come inibitori dell'acetilcolina esterasi, penicillina come inibitore della DD-transpeptidasi, aspirina come inibitore di una cicloossigenasi.

• Catalisi (Introduzione): confronto tra reazioni non catalizzate e reazioni catalizzate. Esempi di catalisi acido-base (idrolisi degli esteri non catalizzata o base-catalizzata, idrolisi degli acetali (glicosidi) non catalizzata e acido-catalizzata, disidratazione della carbinolammina non catalizzata e acido-catalizzata); esempi di catalisi nucleofilica (piridina e all'idrolisi di anidridi, ioduro sulla sostituzione nucleofilica, imidazolo su idrolisi esteri).

• Classificazione dei meccanismi di catalisi (avvicinamento/orientazione/desolvatazione, catalisi covalente, catalisi acido-base, tensione/distorsione/cambiamenti conformazionali, catalisi ioni metallici)

  • avvicinamento/orientazione/desolvatazione (costo entropico dell'avvicinamento e orientazione, desolvatazione ed effetto idrofobico, modelli molecolari per tener conto dell'avvicinamento e orientazione: confronto tra reazioni uni- e bi-molecolari nell'idrolisi di esteri, "concentrazione effettiva", valore 55.6 M, cenni alla catalisi micellare, cenni al coefficiente di partizione e LogP, aspartato transcarbamilasi come enzima la cui azione è principalmente basata su avvicinamento/orientazione/desolvatazione).

  • catalisi covalente nucleofilica: un nucleofilo attacca il substrato elettrofilo rendendo più veloce la reazione complessiva (occorre che il catalizzatore sia un buon nucleofilo e un buon nucleofugo)

    • in chimica organica: piridina o imidazolo per le reazioni di trasferimento di acile (es. idrolisi di anidridi o di esteri)

    • biotina e carbossilazioni (piruvato carbossilasi, acetil-CoA carbossilasi)

    • fosfoglicerato mutasi (due istidine agiscono da gruppi nucleofilici per il trasferimento di fosfato)

  • catalisi covalente elettrofilica: 

    • Importanza delle immine protonate (basi di Schiff) come 'electron sink'. Esempio: decarbossilazione di beta-cheto acidi (es. acetacetato decarbossilasi) in ambiente acido oppure catalizzata dall'anilina

    • aldolasi (retro-aldolica): catalisi elettrofilica grazie a immina protonata (Lys) e catalisi basica generale (Tyr-O-)

    • tiamina pirofosfato (TPP): acidità C2-H e stabilizzazione dell'ilide; deprotonazione della TPP nella piruvato deidrogenasi; meccanismi di (1) piruvato decarbossilasi,  (2) piruvato deidrogenasi, (3) transchetolasi (C5+C5 = C3 + C7)

    • piridossal fosfato (PLP): struttura, principio di funzionamento di "viniloghi" dei gruppi funzionali, selezione stereoelettronica del legame da rompere; meccanismi di: transaminasi (amminotrasferasi) (rottura legame C-H) seguita da glutammato deidrogenasi, decarbossilasi (rottura legame C-COO-, es. istidina decarbossilasi, glutammato decarbossilasi), racemasi (rottura legame C-H), serina idrossimetil trasferasi (rottura legame Calfa-Cbeta e trasferimento al tetraidrofolato), serina deidratasi (rottura legame Cbeta-eteroatomo, meccanismo E1cB)

  • cenni alla catalisi non covalente elettrofilica: rilevanza degli ioni Mg2+ nelle reazioni che coinvolgono la rottura di legami fosfo-anidride o fosfo-(di)-estere, attacco al fosfato alfa, beta, o gamma

  • catalisi covalente per reazioni di ossidoriduzione: reazione di Cannizzaro, meccanismo di gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, glutatione riduttasi, diidrolipoammide deidrogenasi (solo meccanismo NAD/FAD, no meccanismo solfuri)

  • catalisi acido-base: riepilogo nozioni di base, Ka, pKa, calcolo delle concentrazioni di HA e A in base al pH, potere livellante del solvente (H3O+ e OH- acidi e basi più forti presenti in acqua), importanza della tempistica di trasferimento di protoni, trasferimento veloce tra eteroatomi, stadio lento delle reazioni coinvolge spesso la re-ibridizzazione del C,  esempi di meccanismi già noti in chimica organica, catalisi specifica e generale (SAC = pre-protonazione veloce seguita da stadio lento, SBC = pre-deprotonazione veloce seguita da stadio lento, GAC o GBC = protonazione o deprotonazione durante lo stadio lento), acidità/basicità nello stato di transizione, costo entropico della catalisi generale, grafici a coordinata di reazione, equazioni cinetiche (cenni), dipendenza dal pH della koss (cenni), grafici lineari e logaritmici, indistinguibilità tra GAC e pre-protonazione seguita daGBC, o GBC e pre-deprotonazione seguita da GAC (esempio: primo passaggio dell'idrolisi di immine)

    • Esempi di catalisi acido-base generale: formazione di THF base-catalizzata (borato, carbonato, fenato), esterificazione intramolecolare dell'acido 8-idrossi alfa-naftoico, idrolisi base-catalizzata di O-metilfosfodiestere , idrolisi di anidride acetica catalizzata da acetato, idrolisi di N-acetilimidazolo catalizzata da imidazolo, alfa-iodurazione dell'acetone catalizzata dal tampone acetato

    • Proprietà acido-base degli amminoacidi, valori di pKa di Asp, Glu, His, Cys, Tyr, Lys, Arg, Ser, NH3+ terminale, COO- terminale, alterazioni dovute al microambiente (tasca idrofobica, ponte salino)

    • Esempi di reazioni in cui avviene GAC o GBC o entrambe simultaneamente: serin proteasi e cistein proteasi (GBC + catalisi nucleofilica), carbossipeptidasi (GBC), lisozima (GAC), aldolasi tipo I (GBC + catalisi elettrofilica), RNasi A (GBC e GAC), glucosio-6-fosfato isomerasi (GBC e GAC), triosofosfato isomerasi (GBC e GAC), citrato sintasi (GBC e GAC), aconitasi (GBC e GAC). In chimica organica: catalisi della 2-idrossipiridina / 2-piridone nella apertura del D-glucopiranosio (mutarotazione), difenilprolinolo nella reazione di epossidazione, cenni al concetto di organocatalisi, organocatalisi & catalisi micellare, mini-enzimi.

    • Variazione di kcat con il pH dovuta alla ionizzazione di residui acido-base negli enzimi: modello semplificato di acido diprotico, modello basato su GBC/GAC, grafici lineari e logaritmici, cenni al fatto che una delle due ionizzazioni può essere dovuta al substrato e non ad un residuo amminoacidico dell'enzima.

  • tensione/distorsione/cambiamenti conformazionali: differente capacità di legame dell'enzima nei confronti del substrato e dello stato di transizione, tensione indotta nel substrato. Esempi: lisozima (deformazione da sedia a sofa dell'anello di acido N-acetilmuramico, trattamento dettagliato con i 6-sotto siti di legame), orotidina 5'-monofosfato decarbossilasi (COO- in tasca idrofobica), teorie che spiegano la specificità (adattamento indotto e/o tensione indotta dal substrato vs legame non produttivo di molecole che non sono substrato "naturale" dell'enzima, esempio della esochinasi e sua diversa reattività nei confronti del glucosio o dell'acqua)

• Equazione di binding (Kd), equazione di Michaelis-Menten (MM), MM a diversi pH, MM in presenza di inibitori,  Kd, Km, kcat, kcat/Km (efficienza catalitica), Ki, Ki', 

  • metodi per determinare: pKa1 e pKa2 da curve a campana; Kd: doppi reciproci  - Lineawer-Burk, Hanes, Scatchard; Km e Vmax: doppi reciproci - Lineawer-Burk, Eadie-Hofsteee, Hanes-Wolff); analisi basate su misure spettroscopiche e difficoltà di determinare la massima variazione di segnale DeltaSmax.

• Metodi spettroscopici di comune impiego

  • Spettrofotometria UV-Vis di proteine, cofattori, acidi nucleici

  • Turbidimetria

  • Dicroismo circolare di proteine

  • Spettrofluorimetria di proteine e cofattori, fluorocromi per acidi nucleici

  • Uso di derivati cromogenici e fluorogenici

• Lezione-seminario: Costruzione di sistemi artificiali simili alle cellule: dall'origine della vita alla biologia sintetica.

• Esercitazione 1 e 2: Utilizzo di Excel o analoghi programmi per la modellizzazione del binding e della catalisi chimica e bio-chimica (file Excel dei dati)

• Esercitazione 3: Utilizzo di COPASI per la modellizzazione di reazioni chimiche (link alla pagina web di COPASI)

• Esercitazione 3: Determinazione sperimentale di kcat e Km per la reazione di idrolisi di un peptide cromogenico catalizzata dalla alfa-chimitripsina - mediante spettrofotometria UV-Vis (link alla pagina Sigma-Aldrich del substrato)

Slides del corso in presenza a.a. 2023/24

• Slides del corso in presenza AA 2023-2024 -- mancano le prime 6 lezioni -- (link alla cartella Google-Drive)

Slides del corso telematico a.a. 2021/22

• Slides del corso telematico AA 2021-2022 (link alla cartella Google-Drive)

Slides del corso telematico a.a. 2020/21

• Slides del corso telematico AA 2020-2021 (link alla cartella Google-Drive)

Slides del corso telematico a.a. 2019/20

• Slides del corso telematico AA 2019-2020 (link alla cartella Google-Drive) 

Svolgimento dell’esame

Esame orale. La data viene fissata accordandosi con il docente. 

Testi di riferimento/approfondimento

E’ necessario far riferimento ad un qualunque testo (esteso) di Chimica Organica e di Biochimica.

• N. J. Leonard - Bioorganic chemistry-a scientific endeavour in continuous transition - Pure and Applied Chemistry, 1994, 66, 569-662 (link all'articolo pdf)

• P. Y. Bruice - Chimica Organica - EdiSES 2005 (traduzione della IV edizione inglese) (contiene una buona parte di materiale di bio-organica presentati con un taglio chimico) (disponibile in biblioteca DiSTeBA)

• McMurry, Begley - Chimica bio-organica - Zanichelli 2007; (descrive in dettaglio numerosi meccanismi enzimatici, i primi due capitoli sono molto utili per rinfrescare le nozioni di base) (disponibile in biblioteca DiSTeBA)

• Voet, Voet - Biochemistry - Wiley 1995; (un classico testo esteso di biochimica scritto con un buon ‘taglio’ chimico)

• Van Vranken, Weiss - Introduction to Bioorganic chemistry and Chemical Biology - Garland Science 2013; (un moderno testo di chemical biology che contiene numerosi argomenti)

• Copeland - Enzymes - Wiley 2000; (un testo sugli enzimi con spiccato taglio didattico)

• Jencks - Catalysis in Chemistry and Enzymology - Dover 1969; (un classico testo di chimica che approfondisce tutti gli aspetti della catalisi)

• Online textbook (si scarica gratuitamente, 2 volumi) Organic Chemistry with Biological Emphasis di Tim Soderberg (Univ. Minnesota)

• H. Dugas - Bioorganic Chemistry - Springer 1999, 3rd Edition (presenta numerosi meccanismi di reazione, ma con maggiore approfondimento "chimico" rispetto a McMurry, Begley) (disponibile in biblioteca DiSTeBA)

• J. C. Morris - Chimica Fisica Applicata alle Scienze Biomediche - Grasso 1987; (utile per ripassare la parte di termodinamica e cinetica) (disponibile in biblioteca DiSTeBA)

• V. Calò - Bio-Organica - Aracne 2014; (un breve testo di 100 pagine che riassume i principali meccanismi bio-organici, al costo di 8 euro) (disponibile in biblioteca DiSTeBA)

Dove reperire il materiale didattico da testi universitari

• acidità idrogeni alfa: qualunque testo di chimica organica

• composti eterociclici aromatici: capitolo 21 di Bruice “Chimica Organica” EdiSES 2005 (o analoghi capitoli in altri libri di chimica organica)

• chiralità: capitolo 5 di Bruice “Chimica Organica” EdiSES 2005 (o analoghi capitoli in altri libri di chimica organica)

• prochiralità: appunti delle lezioni

• orbitali molecolari, interazione HOMO-LUMO: capitolo 1 di Bruice “Chimica Organica” EdiSES 2005 (o analoghi capitoli in altri libri di chimica organica);  videolezioni (youtube, Prof. D. Van Vranken, UC Irvine, link)

• fondamenti di chimica del fosfato: appunti delle lezioni

• differenze DNA/RNA: testi di biochimica, appunti delle lezioni

• termodinamica e cinetica: appunti delle lezioni, capitolo 3 di Bruice “Chimica Organica” EdiSES 2005 (o analoghi capitoli in altri libri di chimica organica); capitoli 9,10, 11 di Morris "Chimica Fisica applicata alle Scienze Biomediche" 1987

• teoria dello stato di transizione: appunti delle lezioni, capitolo 10 di Morris "Chimica Fisica Applicata alle Scienze Biomediche"

• principi molecolari della catalisi: appunti delle lezioni, capitoli 24 e 25 di Bruice “Chimica Organica” EdiSES 2005 (o analoghi capitoli in altri libri di chimica organica, ad esempio McMurry-Begley “Chimica Bio-organica” Zanichelli 2007)

• metodi spettroscopici nel laboratorio bio-chimico: appunti delle lezioni, materiale didattico fornito dal docente (slides power-point)

• cinetica e binding: testi di biochimica, appunti delle lezioni, materiale didattico fornito dal docente

Materiale didattico preparato dal docente (link alla cartella Google-Drive)

E' in corso la preparazione di una dispensa ufficiale. 

Provvisoriamente, per facilitare lo studio, vengono forniti degli appunti in forma di bozza manoscritta, sui vari argomenti trattati a lezione.

• Acidità idrogeni alfa, enoli, enolati, enammine, condensazioni aldoliche e di Claisen

• Orbitali pieni e vuoti

• Composti eterociclici

• Prochiralità

• Stabilità fosfati bio-organici

• Diagramma della coordinata di reazione, stato di transizione, DH°, DH#, DS°, DS#, cinetica

• Analoghi dello stato di transizione

• Catalisi 1/4

• Catalisi 2/4

• Catalisi 3/4

• Catalisi 4/4

• Slides su metodi spettroscopici per la caratterizzazione di sistemi bio-organici

• Slides del corso in presenza AA 2023-2024 (link alla cartella Google-Drive) 

• Slides del corso telematico AA 2019-2020 (link alla cartella Google-Drive) 

• Slides del corso telematico AA 2020-2021 (link alla cartella Google-Drive)

• Slides del corso telematico AA 2021-2022 (link alla cartella Google-Drive)