Chimica e propedeutica biochimica (Coordinatore: Prof. Alberto Spisni) (2014-15)

Anno accademico 2014/2015

Obiettivi formativi del corso

OBIETTIVO IRRINUNCIABILE 1. Dalla struttura dell'atomo derivare le proprieta' delle sostanze elementari, dei composti inorganici, organici e delle macromolecole di interesse biologico. OBIETTIVI SPECIFICI 1. Conoscere: struttura dell'atomo, proprieta' degli elementi, caratteristiche del legame chimico in composti inorganici, organici e macromolecole di interesse biologico. 2. Conoscere struttura e proprieta' dei composti inorganici (acidi, basi e sali), organici (idrocarburi, alcoli, composti carbonilici, carbossilici e derivati, ammine ed eterociclici) e macromolecole di interesse biologico (carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici). 3. Capire i principi che regolano la reattivita' dei composti, la cinetica e gli equilibri delle reazioni. 4. Comprensione ed uso degli equilibri in soluzione acquosa (pH, soluzioni tampone) e delle proprieta' colligative.

Risultati dell'apprendimento

1. Comprendere la struttura elettronica dell'atomo. 2. Conoscere le caratteristiche e le proprietà del legame chimico dei composti inorganici, organici e delle macromolecole di interesse biologico. 3. Saper descrivere la struttura dei composti inorganici (acidi, basi e sali), dei composti organici (idrocarburi, alcoli, composti carbonilici, ammine e composti eterociclici) e delle macromolecole di interesse biologico (glucidi, lipidi, proteine e acidi nucleici). 4. Discutere i principi che regolano la reattività dei composti, la cinetica e gli equilibri delle reazioni chimiche. 5. Saper interpretare ed utilizzare le relazioni matematiche che descrivono le reazioni reversibili in soluzione acquosa (equilibrio chimico): in particolare le reazioni acido-base (pH, soluzioni tampone) e le proprietà colligative delle soluzioni. 6. Saper applicare i principi che regolano la reattività dei composti inorganici ed organici, con particolare riferimento alle proprietà acido-base delle molecole ed ai meccanismi di reazione dei composti organici.

Note

Attivita' didattiche: Lezioni frontali Modalita' di esame: Prova scritta seguita da prova orale Docenti del Corso: Proff. Emanuela Casali, Elena Ferrari, Lorella Franzoni, Alberto Spisni BIO/10: BIOCHIMICA Indirizzi utili Dipartimento di Medicina Sperimentale, Via Volturno, 39; Parma - Tel. 0521 033801 - Fax 0521 033802 Coordinatore del Corso: Prof. Alberto Spisni - Tel. 0521 033801 - E-mail: alberto.spisni@unipr.it

Programma

 STRUTTURISTICA CHIMICA

- Atomi e molecole. Nucleo: protoni e neutroni; il numero atomico. Isotopi e pesi atomici. Grammo-atomo e grammo-molecola o mole.
- Radiazioni elettromagnetiche. L'elettrone. L'atomo di Bohr. La meccanica ondulatoria. I numeri quantici e gli orbitali atomici. Criteri per la costruzione della struttura elettronica di un elemento.
- La tavola periodica. Periodicità delle proprietà fisiche e chimiche degli elementi. Le dimensioni dell'atomo. Acquisto o perdita di elettroni: potenziale di ionizzazione e affinità elettronica. La elettronegatività. Struttura elettronica e proprietà chimiche: metalli, non metalli e metalli di transizione.
- Il legame chimico. Acquisto e perdita di elettroni: il legame ionico. Composti ionici e loro proprietà. Il reticolo cristallino. Condivisione di elettroni: il legame covalente. Molecole omonucleari apolari. Esempi e loro proprietà: idrogeno, azoto, ossigeno, fluoro. Molecole eteronucleari polari: il legame covalente polarizzato e il legame dativo. Il dipolo di legame ed il dipolo molecolare. Interazioni intermolecolari dipolo-dipolo; il caso particolare del legame di Van der Waals. Il legame ad idrogeno. Il legame metallico. Correlazione tra interazioni intermolecolari e stato fisico delle sostanze: stato gassoso, liquido e solido;  sostanze acide e basiche.
- Cenni di sistematica chimica. Stato di ossidazione e numero di ossidazione. I non-metalli ed i loro composti con l'ossigeno: gli ossidi acidi. I metalli (alcalini ed alcalino-terrosi) ed i loro composti con l'ossigeno: gli ossidi basici. Variazioni delle proprietà degli ossidi lungo i gruppi e lungo i periodi. Le reazioni di neutralizzazione. I sali neutri e acidi. Gli idruri. I metalli di transizione.
- Struttura molecolare. Il concetto di ibridizzazione degli orbitali atomici. Gli orbitali molecolari localizzati (teoria MO). Le molecole omonucleari ed eteronucleari secondo la teoria MO. I legami semplici e gli orbitali ibridi sp3. I legami doppi e gli orbitali ibridi sp2. I legami tripli e gli orbitali ibridi sp. L'aromaticità: la delocalizzazione degli elettroni ed il concetto di struttura di risonanza. Ibridizzazione degli orbitali ''d'' nei metalli di transizione: gli ioni complessi. Cenni sulla teoria del campo cristallino.

CHIMICA GENERALE ED INORGANICA
- Le soluzioni. Modi di esprimere la concentrazione delle soluzioni: molarità, normalità, percentuale p/p, percentuale p/v, densità. Soluzioni acquose elettrolitiche e non-elettrolitiche. Le proprietà colligative delle soluzioni acquose: a) innalzamento del punto ebullioscopico, b) abbassamento del punto di congelamento, c) origine e significato della pressione osmotica. Il coefficiente di Van't Hoff. La osmolarità.
- La conservazione della massa, della carica e dell'energia. Il principio di conservazione della massa nelle reazioni chimiche. Le reazioni di ossido-riduzione e la conservazione degli elettroni.
- Cinetica chimica. La velocità di una reazione. Leggi sperimentali della velocità. Ordine di una reazione. Molecolarità. Lo stadio limitante della velocità di una reazione. La teoria delle collisioni molecolari. I catalizzatori. Energia di attivazione e la teoria dello stato di transizione. Correlazione tra temperatura e la velocità di una reazione.
- L'equilibrio chimico. L'equilibrio chimico come processo dinamico. L'espressione generale della costante di equilibrio di una reazione chimica e suo significato. Fattori che influenzano l'equilibrio chimico: il principio di Le Chatelier. Correlazione tra temperatura e costante di equilibrio di una reazione. Correlazione tra energia libera e costante di equilibrio di una reazione.
- Termodinamica chimica: calore, energia e legame chimico. La energia interna. Il calore e le reazioni chimiche: principio di conservazione dell'energia. Calori di formazione. Energia di legame. Entalpia. Legge di Hess. Disordine e spontaneità. La misura del disordine: l'entropia. Il significato statistico dell'entropia. Entropia e reazioni chimiche. Le reazioni chimiche spontanee. Energia libera e spontaneità di una reazione chimica.
- Le reazioni di ossido-riduzione. Semi-reazioni redox ed il potenziale di riduzione. Le reazioni redox ed il potenziale elettrochimico. L'equazione di Nernst: correlazione tra potenziale elettrochimico ed energia libera.
- L'equilibrio acido-base. Acidi e basi forti. Acidi e basi deboli. Le costanti di dissociazione: Ka e Kb (pKa e pKb). Dissociazione dell'acqua. Il pH: significato ed intervallo di variazione. La neutralità. Acidi e basi poliprotici. Il concetto di acido-base coniugati. L'idrolisi salina. I tamponi ed il controllo del pH di una soluzione. Titolazioni acido-base. Gli acidi e basi di Lewis. Il prodotto di solubilità di un sale.
- Calcoli stechiometrici. Bilanciamento delle reazioni chimiche di neutralizzazione e di ossido-riduzione. Calcoli ponderali in una reazione chimica. Calcolo della concentrazione di una soluzione. Calcolo del pH di una soluzione. Calcolo del potenziale elettrico e dei parametri termodinamici delle reazioni chimiche.

CHIMICA ORGANICA

- Introduzione. Formule molecolari e formule di struttura. Diversi modi di rappresentare i legami.
Tipi di reazione (addizione, eliminazione, sostituzione, ecc.); tipi di meccanismi di reazione (radicalica e polare); tipi di reagenti (elettrofili, nucleofili e radicali). Effetti dei sostituenti sulla reattività: effetto induttivo e mesomero. Il concetto di isomeria strutturale ed ottica.
Le famiglie di composti del carbonio.
- Idrocarburi saturi: alcani e cicloalcani. Struttura e nomenclatura. Proprietà fisiche e reazioni caratteristiche: alogenazione e combustione. Un esempio di reazione radicalica: il meccanismo dell'alogenazione del metano. Isomeria strutturale e conformazionale. Isomeria geometrica nei cicloalcani.
- Idrocarburi insaturi: alcheni ed alchini. Struttura e nomenclatura. Composti insaturi ciclici. Isomeria geometrica (cis-trans). Proprietà fisiche e reazioni caratteristiche: reazioni di addizione. Il meccanismo dell’addizione elettrofila ad alcheni simmetrici: addizione di alogeni, acqua e acidi alogenidrici. Il meccanismo dell’addizione di reagenti asimmetrici ad alcheni asimmetrici: energia dei carbocationi e regola di Markovnikov (reazioni regioselettive). L’addizione elettrofila ai dieni coniugati. L’addizione radicalica.
- I composti aromatici. Il concetto di aromaticità e di energia di risonanza: la regola di Huckel. Struttura del benzene e nomenclatura dei suoi derivati. La sostituzione elettrofila aromatica: alogenazione, nitrazione e solfonazione. Meccanismo della sostituzione elettrofila aromatica. Effetti dei sostituenti sulla reattività e sull’orientamento. Idrocarburi aromatici policiclici. Composti aromatici eterociclici di interesse biologico.
- Le proprietà ottiche dei composti del carbonio: stereoisomeria, isomeria ottica e attività ottica. Concetto generale di simmetria delle molecole. La asimmetria molecolare: l'atomo di carbonio asimmetrico. La chiralità e gli enantiomeri. La luce polarizzata e l’attività ottica. La configurazione assoluta R e S e la convenzione D e L. Le proiezioni di Fisher. Composti con due o più centri chirali: i diastereoisomeri.
- I gruppi funzionali.
- Il gruppo ossidrile. Alcoli, fenoli, tioli ed eteri. Struttura, classificazione e nomenclatura degli alcoli. Nomenclatura dei fenoli e dei tioli. Proprietà fisiche. Proprietà acido-base di alcoli e fenoli. Reazioni degli alcoli: disidratazione intramolecolare ad alcheni; disidratazione intermolecolare ad eteri;sostituzione del gruppo –OH con un alogeno; ossidazione ad aldeidi, chetoni ed acidi carbossilici. Alcoli polivalenti. La reazione di sostituzione elettrofila aromatica sui fenoli. Ossidazione dei fenoli. I tioli: analoghi solforati degli alcoli. La nomenclatura degli eteri.
- Il gruppo carbonile. Struttura elettronica, struttura di risonanza e regioni reattive del gruppo carbonile. Aldeidi e chetoni: nomenclatura. Proprietà fisiche e reazioni caratteristiche: reazioni di addizione nucleofila: meccanismo di a) addizione di acqua, b) addizione di alcoli con formazione di semiacetali/acetali. Il meccanismo di formazione delle immine (e composti correlati). Reazioni di ossidazione e riduzione. La reattività del carbonio in alfa e l'acidità degli idrogeni in alfa al gruppo carbonile. Equilibrio tra forme chetonica ed enolica (tautomeria). Definizione di carbanione ed un esempio di reazione del carbanione: la condensazione aldolica.
- Il gruppo carbossile. Acidi carbossilici e loro derivati: esteri, anidridi, ammidi ed alogenuri acilici. Lattoni e lattami. Struttura e nomenclatura. Proprietà fisiche e acidità degli acidi carbossilici. I valori di pKa di alcuni acidi carbossilici. L’acidità degli acidi carbossilici e la risonanza. Confronto con l’acidità dell’acqua, degli alcoli e dei fenoli. Effetto della struttura molecolare sull'acidità: variazione dell'acidità in funzione dei sostituenti. La salificazione. La sostituzione del gruppo ossidrile e la preparazione di esteri, anidridi, amidi ed alogenuri acilici. Interconversione dei vari gruppi acilici: la sostituzione nucleofila acilica. Alcuni esempi: il meccanismo dell’esterificazione di Fischer/idrolisi acida degli esteri. Il meccanismo della saponificazione degli esteri (idrolisi basica). Ammonolisi degli esteri. Reattività degli idrogeni in alfa al gruppo carbossile: la condensazione di Claisen. Idrossiacidi, chetoacidi e poliacidi.
- Il gruppo amminico. Ammine. Classificazione e nomenclatura. Proprietà fisiche e basicità delle ammine. Effetto della struttura sulla basicità: variazione della basicità in funzione dei sostituenti, confronto fra basicità delle ammine alifatiche e aromatiche e ammidi. Reazioni caratteristiche. Composti di ammonio quaternario.

PROPEDEUTICA BIOCHIMICA

- Carboidrati. Definizioni, classificazione e nomenclatura: monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi. Isomeria ottica dei carboidrati. Struttura, proprietà e funzioni dei principali carboidrati: chiralità, proiezioni di Fischer. Ciclizzazione intra-molecolare e strutture cicliche: proiezioni di Haworth. Anomeria e mutarotazione. Ossidazione e riduzione dei carboidrati. Mutarotazione dei carboidrati in soluzione e loro potere riducente. Monosaccaridi: Glucosidi. Legame glicosidico. Disaccaridi: maltosio, cellobiosio, lattosio e saccarosio. Polisaccaridi: amido, glicogeno e cellulosa. Deossi-carboidrati e carboidrati complessi: carboidrati fosforilati o solforati, ammino-carboidrati.
- Lipidi. Classificazione dei lipidi. Acidi grassi naturali saturi e insaturi: proprietà fisiche.  I grassi o trigliceridi. Lipidi non polari; struttura, proprietà e nomenclatura dei trigliceridi. Il meccanismo della saponificazione (idrolisi basica) dei grassi. Lipidi polari: struttura, proprietà e nomenclatura dei fosfolipidi e dei glicolipidi. Organizzazione strutturale dei lipidi polari in acqua: le micelle, i liposomi ed il doppio strato lipidico. Gli steroidi: colesterolo e suoi derivati.
- Proteine. Gli alfa-amminoacidi: i 20 amminoacidi naturali costituenti le proteine, loro denominazione e struttura. Isomeria ottica degli amminoacidi. Classificazione: amminoacidi idrofili ed idrofobici; amminoacidi con gruppi ionizzabili. Proprietà acido-base degli amminoacidi. Il legame peptidico. I diversi livelli di struttura delle proteine: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Il punto isoelettrico degli amminoacidi e delle proteine.
- Acidi nucleici. I componenti dei nucleosidi e dei nucleotidi: carboidrati, basi azotate, acido fosforico. Struttura e nomenclatura dei nucleosidi e nucleotidi. I polinucleotidi: struttura primaria e secondaria di RNA e DNA.

Testi consigliati e bibliografia

Altre informazioni