Il corso si propone di evidenziare le reazioni comuni alla chimica organica e alla chimica dei sistemi biologici. Infatti, se da un lato le trasformazioni dei gruppi funzionali siano formalmente le stesse, i meccanismi di reazione differiscono in funzione delle condizioni sperimentali proprie della chimica di sintesi o della chimica dei sistemi biologici.
In questo contesto, il ruolo degli enzimi nelle trasformazioni biologiche sarà messo a confronto con il ruolo svolto, nelle corrispondenti reazioni di laboratorio, da temperatura, pressione, ph, presenza di catalizzatori e tipo di solvente.
A tale scopo, saranno esaminate alcune delle più note reazioni della chimica organica di base evidenziando, caso per caso, le somiglianze e le differenze con le analoghe trasformazioni presenti nei sistemi biologici.
In questo contesto, il ruolo degli enzimi nelle trasformazioni biologiche sarà messo a confronto con il ruolo svolto, nelle corrispondenti reazioni di laboratorio, da temperatura, pressione, ph, presenza di catalizzatori e tipo di solvente.
A tale scopo, saranno esaminate alcune delle più note reazioni della chimica organica di base evidenziando, caso per caso, le somiglianze e le differenze con le analoghe trasformazioni presenti nei sistemi biologici.
scheda docente
materiale didattico
Competenze metodologiche (Saper effettuare):al termine del corso, lo studente sarà in grado di analizzare e discutere il meccanismo di catalisi delle più importanti classi di enzimi, nonché di comprendere l’importanza della chimica organica applicata allo studio dei sistemi biologici, alla biocatalisi e allo sviluppo di molecole biologicamente attive.
Introduzione alla Chimica Bio-organica (brevissima panoramica dei gruppi funzionali più comuni in chimica biologica e loro caratteristiche principali).
Meccanismi della chimica organica applicati alle reazioni dei sistemi biologici:
• Reazioni di addizione elettrofila:
epossidazione regioselettiva degli alcheni; la squalene epossidasi nella trasformazione dello squalene in lanosterolo.
• Reazioni di sostituzione nucleofila
le alchilazioni mediante Sostituzione Nucleofila Bimolecolare (SN2) e il ruolo della S-adenosil metionina (SAM) nelle metiltransferasi;
la chimica dei carbocationi nelle Sostituzioni Nucleofile Monomolecolari (SN1) e il meccanismo della IPP isomerasi.
• Reazioni di eliminazione:
le reazioni di β-eliminazione e l’azione dell’enolasi per la formazione del fosfoenolpiruvato (PEP).
• Reazioni di addizione nucleofila al carbonile
formazione di immine ed enammine; il ruolo delle basi di Schiff nel meccanismo degli enzimi PLP-dipendenti;
la chimica degli acetali e la saccarosio sintasi,
le addizioni di Michael e l’azione dell’istidina ammoniaca liasi.
• Isomerizzazione ed epimerizzazione:
la tautomeria cheto-enolica e il meccanismo delle ribulosio 5-fosfato isomerasi ed epimerasi;
inversione e ritenzione della configurazione di un centro stereogenico e il meccanismo delle glicosidasi.
• Condensazione carbonilica:
la condensazione aldolica e le aldolasi di tipo I e II,
la condensazione di Claisen e l’acetil sintasi nella sintesi degli acidi grassi.
• Sostituzione nucleofila acilica
l’idrolisi degli esteri e il meccanismo d’azione della lipasi pancreatica umana.
le reazioni di esterificazione e la sintesi dei triacilgliceroli ad opera dell’acil-CoA sintetasi e dell’aciltrasferasi.
la formazione del legame ammidico; il confronto tra l’asparagina e la glutammina sintetasi.
l’idrolisi delle ammidi e il meccanismo della chimotripsina.
• Ossidazioni e riduzioni:
gli idruri metallici e la riduzione del carbonile chetonico dell’acetoacetil ACP ad opera della β-cheto tiestere riduttasi;
l’ossidazone di Bayer-Villinger e la 2-idrossiacetofenonemonoossigenasi;
le ozonolisi e il meccanismo di azione delle diossigenasi
• Carbossilazione:
la chimica dei reattivi di Grignard in presenza di CO2; il meccanismo di azione della piruvato carbossilasi
la decarbossilazione nelle sintesi malonica e acetacetica; la partecipazione della tiamina difosfato (TPP) nell’azione dell’1-deossi-D-xilulosio-5-fosfato sintasi.
• Casi Particolari: il complesso della piruvato deidrogenasi, il meccanismo della chinurenina e la degradazione del triptofano; le anomalie della degradazione dell’istidina
John McMurry, Tadhg Begley in “Chimica Bio-Organica”, Zanichelli Ed. spa
T.W. Graham Solomons; Craig B. Fryhle in “Organic Chemistry”, 10th Edition, Wiley.
John McMurry in “Chimica Organica”, Piccin-Nuova Libreria
Bruno Botta in “Chimica Organica” Edi-ermes
Saranno fornite dispense delle lezioni e riferimenti bibliografici.
La professoressa riceve il martedì dalle 17.00 alle 19.00 previo appuntamento via e-mail: tecla.gasperi@uniroma3.it
Programma
Competenze culturali (Conoscenza di): L’insegnamento si propone di fornire allo studente le basi chimiche della struttura, delle proprietà e della reattività delle molecole biologiche, nonché le nozioni principali per comprendere la logica che regola la chimica bio-organica.Competenze metodologiche (Saper effettuare):al termine del corso, lo studente sarà in grado di analizzare e discutere il meccanismo di catalisi delle più importanti classi di enzimi, nonché di comprendere l’importanza della chimica organica applicata allo studio dei sistemi biologici, alla biocatalisi e allo sviluppo di molecole biologicamente attive.
Introduzione alla Chimica Bio-organica (brevissima panoramica dei gruppi funzionali più comuni in chimica biologica e loro caratteristiche principali).
Meccanismi della chimica organica applicati alle reazioni dei sistemi biologici:
• Reazioni di addizione elettrofila:
epossidazione regioselettiva degli alcheni; la squalene epossidasi nella trasformazione dello squalene in lanosterolo.
• Reazioni di sostituzione nucleofila
le alchilazioni mediante Sostituzione Nucleofila Bimolecolare (SN2) e il ruolo della S-adenosil metionina (SAM) nelle metiltransferasi;
la chimica dei carbocationi nelle Sostituzioni Nucleofile Monomolecolari (SN1) e il meccanismo della IPP isomerasi.
• Reazioni di eliminazione:
le reazioni di β-eliminazione e l’azione dell’enolasi per la formazione del fosfoenolpiruvato (PEP).
• Reazioni di addizione nucleofila al carbonile
formazione di immine ed enammine; il ruolo delle basi di Schiff nel meccanismo degli enzimi PLP-dipendenti;
la chimica degli acetali e la saccarosio sintasi,
le addizioni di Michael e l’azione dell’istidina ammoniaca liasi.
• Isomerizzazione ed epimerizzazione:
la tautomeria cheto-enolica e il meccanismo delle ribulosio 5-fosfato isomerasi ed epimerasi;
inversione e ritenzione della configurazione di un centro stereogenico e il meccanismo delle glicosidasi.
• Condensazione carbonilica:
la condensazione aldolica e le aldolasi di tipo I e II,
la condensazione di Claisen e l’acetil sintasi nella sintesi degli acidi grassi.
• Sostituzione nucleofila acilica
l’idrolisi degli esteri e il meccanismo d’azione della lipasi pancreatica umana.
le reazioni di esterificazione e la sintesi dei triacilgliceroli ad opera dell’acil-CoA sintetasi e dell’aciltrasferasi.
la formazione del legame ammidico; il confronto tra l’asparagina e la glutammina sintetasi.
l’idrolisi delle ammidi e il meccanismo della chimotripsina.
• Ossidazioni e riduzioni:
gli idruri metallici e la riduzione del carbonile chetonico dell’acetoacetil ACP ad opera della β-cheto tiestere riduttasi;
l’ossidazone di Bayer-Villinger e la 2-idrossiacetofenonemonoossigenasi;
le ozonolisi e il meccanismo di azione delle diossigenasi
• Carbossilazione:
la chimica dei reattivi di Grignard in presenza di CO2; il meccanismo di azione della piruvato carbossilasi
la decarbossilazione nelle sintesi malonica e acetacetica; la partecipazione della tiamina difosfato (TPP) nell’azione dell’1-deossi-D-xilulosio-5-fosfato sintasi.
• Casi Particolari: il complesso della piruvato deidrogenasi, il meccanismo della chinurenina e la degradazione del triptofano; le anomalie della degradazione dell’istidina
Testi Adottati
Libri di testo:John McMurry, Tadhg Begley in “Chimica Bio-Organica”, Zanichelli Ed. spa
T.W. Graham Solomons; Craig B. Fryhle in “Organic Chemistry”, 10th Edition, Wiley.
John McMurry in “Chimica Organica”, Piccin-Nuova Libreria
Bruno Botta in “Chimica Organica” Edi-ermes
Saranno fornite dispense delle lezioni e riferimenti bibliografici.
La professoressa riceve il martedì dalle 17.00 alle 19.00 previo appuntamento via e-mail: tecla.gasperi@uniroma3.it
Modalità Erogazione
Il corso si svolgerà prevalentemente con lezioni frontali ed alcune esercitazioni di laboratorio durante le quali saranno messe a confronto alcune trasformazioni condotte in presenza di enzimi con le analoghe reazioni eseguite con i classici reagenti chimiciModalità Valutazione
La prova orale consiste nella presentazione (mediante proiezione di slide) di un enzima a scelta, del quale lo studente dovrà illustrare la struttura, le principali caratteristiche e la modalità di azione; tale presentazione verrà quindi discussa con il docente mettendo a confronto l’aspetto puramente chimico con il comportamento biologico.