11262 - CHIMICA DELLE MACROMOLECOLE

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente ha conoscenze sulle principali classi di macromolecole naturali (polisaccaridi, polipeptidi e acidi nucleici) e sintetiche di interesse farmaceutico nonché dei rispettivi monomeri.

Contenuti

1. La frontiera della chimica biologica vede crescenti contributi da

a) nano-metodologie a singola molecola:
·        Quali sono le metodologie utilizzate?
·        Perchè voler studiare nella scala delle singole molecole la struttura e le funzioni delle macromolecole biologiche?
·        Quali informazioni non ottenibili attraverso esperimenti in-bulk posso ricavare per il DNA, la DNA polimerasi, le proteine intrinsecamente non strutturate, i motori molecolari come l' RNA polimerasi, la translocazione del DNA all' interno di un virus.

b) approcci e metodologie della chimica supramolecolare

·        La chimica supramolecolare nel mondo nanometrico della costruzione attraverso legami non-covalenti delle strutture cellulari.
·        Commensurabilità dell' energia termica delle molecole con le energie delle interazioni non-covalenti.
·        Contributi entropici ed entalpici nella definizione della stabilità di una costruzione supramolecolare
·        I meccanismi di riconoscimento, di assemblaggio, e di creazione della complessità supramolecolare sono codificati nelle strutture delle molecole biologiche coinvolte. Entrare nel mondo delle molecole e fare predizioni sulle loro associazioni sulla base della loro formula: esempi.

2. Il legame chimico e le interazioni intermolecolari, il ruolo dell'acqua

·        Le forze relative dei legami covalenti e delle interazioni non covalenti.  
·        Le interazioni ioniche
·        Le forze di van der Waals: Interazioni ione-dipolo, Interazioni dipolo-dipolo, Interazioni dipolo-dipolo indotto,  Forze di dispersione di London e loro dipendenza dalla forma molecolare. Polarizzabilità e sua dipendenza dalla simmetria della molecola. Il dipolo acqua, processi di solvatazione, e dissoluzione
·        Il legame idrogeno: diversa energia in funzione degli atomi coinvolti e dell' ambiente acquoso o meno, contributi entalpici ed entropici alla sua formazione e stabilizzazione. tempi di vita e alta deformabilità delle strutture sostenute da legami idrogeno.
·        Le interazioni idrofobiche pilotate da piccole modifiche entalpiche e pilotate entropicamente.
·        Le interazioni messe in gioco ed i codici stereochimici di assemblaggio sono codificati nella struttura delle molecole coinvolte: ruoli di codici chirali,  di modulazioni delle forze delle interazioni fra le molecole interagenti (es. il ruolo della forza ionica e del pH nell' assemblaggio delle ftalocianine e del tobacco mosaic virus), e di modulazioni della forma/bilanciamento  fra idrofilicità e idrofobicità (es. molecole amfifiliche )

3. Le Macromolecole

a)Polimeri di sintesi
·        Polimeri da reazioni di addizione, o da reazioni a catena: diversa distribuzione dei pesi molecolari risultanti.
·        Copolimeri. Polimeri supramolecolari e loro adattabilità. Polimeri termoplastici, termoindurenti, isotattici, degradabili.

b) Meccanica statistica delle catene polimeriche: che forma assume una catena polimerica?
Modello del polimero gaussiano: distanza fra le code come parametro per definire le dimensioni della struttura a matassa che la catena polimerica tende ad assumere
La dimensione della matassa cresce con la radice quadrata del numero dei monomeri; analogia con il moto browniano e con quello a zig-zag di un uomo disperso in una foresta.
Da questo modello si ricava il concetto di curvatura e di segmento di Khun o di persistence length: parametri che mi permettono di definire anche la curvatura e la flessibilità sia mediate su tutte le catene, sia locali e loro quantificazione dai profili molecolari in immagini AFM: vedi il caso del DNA e come queste proprietà pilotino i meccanismi di riconoscimento indiretto delle sequenze del DNA da parte delle proteine regolatrici che scorrono su di esso, o delle proteine strutturali come gli ottameri istonici.

4. Il polimero DNA

4.1 La struttura primaria del DNA
Struttura e elementi compositivi di una singola catena polinucleotidica.

4.2 La struttura secondaria del DNA

a) La formazione della doppia elica
·        Perché si forma una doppia elica esattamente con un passo di circa 11 coppie di basi e dimensioni quali quelle verificate dai diffrattogrammi di Rosalin Franklin e poi codificate nel modello B di Watson and Crick?
·        Transizioni  dalla forma canonica B alle forme A e Z da modifiche dell' ambiente.  Perché? Relative modifiche delle conformazioni degli anelli ribosidici.
·        La stabilità della struttura della doppia elica da interazioni di stacking fra le basi
·        Ruolo dei legami idrogeno: loro tautomeria e riconoscimento delle basi complementari
·        Contributi entalpici ed entropici nella chiusura a cerniera della doppia elica

b) La sequenza modula localmente la curvatura, la flessibilità della catena del DNA ed anche la sua struttura B-Watson/Crick
·        Parametri per definire la struttura secondaria locale del DNA e sue deformazioni: il roll, il twist, lo slide (+ rise, tilt, shift)
·        Il Roll: Creazione di una curvatura locale attraverso modulazione del roll in fase con l' avvolgimento della doppia elica: sequenze di DNA curvi e DNA rettilinei
·        Lo Slide: sua genesi da collisione di distribuzioni di cariche con lo stesso segno su coppie di basi contigue, e sua dipendenza da disidratazione e dal contenuto GC
·        Roll+Slide: conversione della struttura B alla A
·        Calcolo del profilo di curvatura intrinseco assunto da una catena di DNA in funzione della sequenza.  Genesi dei profili molecolari in immagini AFM o di microscopia elettronica di singole catene di DNA: l' energia termica sovrapposta ai profili di curvatura intrinseci. Flessibilità da dispersione dei valori di curvatura.

b) Le modifiche strutturali della struttura canonica B  e delle sue proprietà meccaniche pilotano meccanismi di riconoscimento DNA-proteina

·        Meccanismi di riconoscimento diretti ed indiretti:
·        Curvatura e flessibilità locale del DNA controllano l' attività della DNAsi I, la localizzazione degli ottameri istonici nella cromatina, il legame delle proteine TBP sulla TATA box e la relativa efficienza della trascrizione (Perché l'evoluzione ha selezionato la sequenza TATA ?)
·        Orientazione rotazionale della catena quando si curva: controllo dai valori intrinseci di roll.
·        La proteina Cro discrimina i siti di legame specifici da quelli non specifici sulla base della loro flessibilità.

4.3 La struttura terziaria del DNA

Il superavvolgimento: definizione dei numeri di legame (linking number) di twist e di write, loro fluttuazioni termiche. Topoisomerasi rese necessarie dall' aumento del supercoiling sul fronte della trascrizione.

5. Le proteine

5.1 Elementi strutturali e strutture delle proteine
·        Struttura primaria: gli ammino acidi, proprietà acido-base e loro ionizzazione, punto isoelettrico, pKa, chiralità.
·        Il legame peptidico e i diagrammi di Ramachandran
·        Strutture secondarie: alfa elica, elica 310, il collagene, foglietti beta, beta turn,.
·        Strutture terziarie: da interazioni non covalenti +  idrofobia + legami covalenti (ponti S-S)
·        Esempi di proteine fibrose, globulari, a domini multipli.
·        Selezione di proteine a domini multipli per facilitare il folding, e per assicurare proprietà meccaniche ed adesive molto particolari.
·        Strutture quaternarie: esempi

5.2 Il folding

·        Perché la predizione del folding dalla sequenza è un problema ancora aperto e forse mai risolubile? La contestualità nella formazione di strutture di ordine diverso e la scala dei tempi.
·        La termodinamica e la cinetica nel folding.
·        I contributi opposti di natura entropica e entalpica portano a strutture foldate marginalmente stabili: importanza di questa marginalità e suo ruolo nei processi biologici in cui queste proteine sono coinvolte.
·        L' esperimento di Afinsen dimostra che la ricerca della struttura nativa non è un processo randon (vedi paradosso di Levinthal) ma un processo cooperativo in cui la proteina durante il folding saggia i diversi contatti fra i singoli ammino acidi o fra segmenti di catena sulla base della loro capacità di accrescere la stabilizzazione della struttura in formazione.
·        Dal punto di vista energetico per la molecola proteica è come un precipitare all' interno di un imbuto ove posizioni più in basso corrispondono a stati più stabili a più bassa energia. Le pareti dell' imbuto sono più a meno frustrate sì che possono intrappolare in modo più o meno transitorio la molecola. Le singole molecole seguono traettorie tutte diverse fra loro. Il fondo dell' imbuto corrisponde alla struttura più stabile cosidetta nativa alla quale è associata la funzione a cui questa proteina è preposta. Il profilo dell' imbuto è codificato dalla sequenza
·        Le proteine intrinsecamente non-strutturate (40% delle proteine) hanno profili energetici di folding con al fondo più minimi separati fra loro da barriere energetiche commensurabili con l' energia del rumore termico.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Bruno Samorì