Il corso fornisce i rudimenti di chimica organica essenziali alla comprensione della biochimica vegetale. Struttura di molecole organiche di interesse biologico, cinetica enzimatica, respirazione cellulare (glicolisi, catabolismo di lipidi e proteine, metabolismo dei pentosi fosfato, ciclo Krebs, fosforilazione ossidativa), anabolismo, sintesi e funzioni dei metaboliti secondari, fotosintesi C3, C4 e CAM, foto respirazione.
Bosetto - Lozzi Biochimica Agraria, Aracne Editore per la parte di biochimica e Solomons ‘Fondamenti di Chimica Organica’, Ed. Zanichelli
Obiettivi Formativi
Conoscenze: Proprietà atomiche e chimica del carbonio, struttura e proprietà principali chimica dei composti del carbonio, conoscenze di base su struttura e funzioni delle principali molecole biologiche, sulle principali vie metaboliche delle piante, sui meccanismi di produzione dei metaboliti secondari, sull’assimilazione radicale degli elementi, sui meccanismi biochimici della germinazione e delle interazioni tra le piante e l’ambiente..
Competenze acquisite. Comprensione della struttura dei composti del carbonio and delle biomolecole, delle loro funzioni e reattività. Conoscenze di biochimica di base, di enzimologia, e dei processi che regolano l’assimilazione degli elementi e le interazioni pianta-ambiente.
Capacità acquisite al termine del corso:
Applicare le conoscenze di chimica organica e biochimica al fine di migliorare la crescita delle piante, in particolare attraverso la gestione del biochimismo e dell’assimilazione dei nutrienti
Prerequisiti
Corsi vincolanti: nessuno
Corsi raccomandati: chimica generale e inorganica
Metodi Didattici
CFU: 9
Numero di ore totali del corso: 72
Numero di ore per studio personale e altre attività formative di tipo individuale: 144
Ore di lezione in aula: 56
Ore di esercitazioni di laboratorio: 26
Ore relative ad attività seminariali:
Numero di ore relative ad attività di stage: 0
Numero di ore per prove in itinere: 0
Altre Informazioni
Frequenza delle lezioni ed esercitazioni: non obbligatoria ma fortemente consigliata
Strumenti a supporto della didattica
Videoproiettore, PC, lavagna, laboratori di chimica
Modalità di verifica apprendimento
esame orale
Programma del corso
Elementi di chimica organica propedeutici allo studio della biochimica
Introduzione alla chimica organica cenni storici e importanza contemporanea.
Richiamo su tipi e proprietà dei legami chimici. Il carbonio, proprietà atomiche ed ibridazione.
l’ibridazione sp3 del C: geometria di legame. Gli alcani, proprietà del legame singolo, formula molecolare, principi di nomenclatura IUPAC di alcani lineari e ciclici.
L’ibridazione sp2 del C: geometria di legame. . Gli alcheni, proprietà del doppio legame, formula molecolare, principi di nomenclatura IUPAC di alcani lineari e ciclici.
L’ibridazione sp del C: geometria di legame. Gli alchini, proprietà del triplo legame, formula molecolare, principi di nomenclatura IUPAC di alcani lineari e ciclici. I doppi e tripli legami come gruppi funzionali.
Rappresentazione delle molecole organiche: formule di struttura e simbologia chimica. L’isomeria: isomeria di struttura, isomeri iso e neo di alcani e nomenclatura IUPAC e d’uso degli alcani ramificati e sostituenti ramificati. Rotazione intorno al legame sigma e isomeria conformazionale. Rappresentazioni degli isomeri conformazionali e loro rappresentazioni.
Cicloalcani: conformazioni e isomeri. Analisi conformazionale e configurazionale del cicloesano e cicloesani sostituiti. Isomeria geometrica e configurazionale degli alcheni: forme cis- e trans-, forme E e Z. chiralità e stereoisomeria: individuazione del C stereogenico. Rappresentazione degli enantiomeri: proiezioni a cuneo e tratteggio, proiezioni di Fischer, designazioni R, S degli enantiomeri e regole di Cahn-Ingold e Prelog (CIP). Multichiralita: identificazione e designazione dei diastereoisomeri, forme meso-. Stereoisomeria dei composti ciclici: isomeria geometrica e confgurazione cis- e trans- e R, S dei diastereoisomeri. Prochiralità delle molecole organiche. Relazione tra isomeria ed entropia.
Reattività dei composti organici: richiami sugli equilibri chimici, variazioni di energia e cinetica chimica. Il postulato di Hammon. Omolisi ed eterolisi dei legami chimici. I carbocationi: formazione e proprietà. La reazione idi sostituzione nucleofila: meccanismi SN1 e SN2 e i fattori che ne influenzano il decorso, influenza del nucleofilo, effetti sterici, effetto del solvente.
Reazioni al C saturo: esempi con alogenuri alchilici. Reazione SN2 ‘da retro’ ed effetti sulla geometria molecolare. Reazioni di eliminazione: meccanismi E2 e E1. Stereochimica e regioselettività nelle reazioni di eliminazione. Reazioni di eliminazione da composti ciclici. Competizione tra reazioni SN e E.
Reazioni di addizione degli alcheni: Addizione di acidi alogenidrici, di acqua e alcoli, di alogeni, di borano e idrogenazione. Reazioni di alcheni non simmetrici: regola di Markovnikov. Stabilità relative dei carbocationi: l’iperconiugazione. Reazione di addizione elettrofila: addizione di acidi alogenidrici, di acqua e alcoli, di alogeni, di borano e idrognenazione.
Reazioni di alchini semplici e complessi. L’addizione elettrofila agli alchini lineari: addizione di acidi alogenidrici, di acqua e alcoli, di alogeni, di borano e idrognenazione. Acidità degli alchini: formazione e reazioni degli ioni acetiluro.
Reazioni SN, E con molecole più complesse. Sintesi di acheni e alchini. Proprietà e reazioni e dei composti organo-metallici e dei reattivi di Grignard: esempi di reazioni con alogenuri alchilici ed epossidi.
Alcoli: ibridazione del C e geometria molecolare. Il gruppo ossidrilico. Classificazione e nomenclatura degli alcoli. Reazioni degli alcoli con: alogenuri alchilici, acidi alogenidrici. Reazioni di eiliminaione: disidratazione e prodotti, decorso stereochimico e la regola di Zaitzev.
Eteri: ibridazione del C e geometria molecolare. Il gruppo etereo. Classificazione e nomenclatura degli eteri. Reazioni E ed SN degli eteri. Sintesi degli eteri: esempio di sintesi di Williamson. Reazioni intramolecolari degli eteri.
Epossidi: ibridazione del C e geometria molecolare. L’anello epossidico. Classificazione e nomenclatura degli epossidi. Reazioni di apertura dell’anello e decorso stereochimico.
I tioli: ibridazione del C e geometria molecolare. Il gruppo tiolico.
I dieni: definizioni, tipologie, classificazione e nomenclatura. Isomeria dei dieni lineari. I dieni isolati, cumulati e coniugati: ibridazione del C. Reazioni di addizione dei diversi tipi di dieni: reazioni con alogeni, acqua. Diffusione e importanza dei dieni naturali: esempi.
L’aromaticità: concetto generale, gli orbitali delocalizzati, strutture limite di risonanza, requisiti per l’aromaticità, la regola di Kekulé.
La regola di Hückel e la non aromaticità. Confronto tra molecole aromatiche e non aromatiche (annuleni), ioni aromatici e non aromatici. Composti policiclici aromatici. Composti aromatici eterociclici, purine, pirimidine, furano, pirrolo.
L’aromaticità: implicazioni chimiche, acidità dei composti aromatici, reattività del benzene, sostituzione elettrofila aromatica, formazione e stabilità dell’intermedio carbocationico. Esempi di sostituzione elettrofila aromatica: alogenazione, nitrazione, solfonazione, alchilazione, acilazione.
Nomi d’uso di comuni benzeni sostituiti: toluene, fenolo, anilina, nitrobenzene, etilbenzene, gruppo fenolico, etilbenzene, difeniletere, cumene e benzeni con sostituenti ramificati. Effetto attivante e disattivante dei sostituenti. Effetto induttivo ed effetto di risonanza. Effetto orientante dei sostituenti: regole generali.
Aldeidi e chetoni: reattività e derivati dei composti carbonilici. Struttura, polarità e reattività del gruppo carbonilico e stabilizzazione per risonanza. Nomenclatura IUPAC. Sintesi di aldeidi e chetoni: ossidazione selettiva e non selettiva di alcoli. Reazioni di addizione nucleofila di alogenuri, cianuri, reagenti organo-metallici, acqua, alcoli e nucleofili azotati. Formazione e idrolisi di emiacetali e immine. Esempi di riduzione ad alcoli e metilene e di ossidazione ad acidi carbossilici dei gruppi carbonilici.
Enoli ed enolati: enolizzazione e tautomeria cheto-enolica, acidità degli idrogeni in α al carbonile. Reazioni con gli elettrofili: alogenuri alchilici, composti carbonilici, alcoli, la condensazione aldolica. Seterochimica ed epimerizzazione. I carbanioni: ibridazione del C e proprietà chimiche e stabilizzazione per risonanza.
Acidi carbossilici e derivati: richiamo delle teorie dell’acidità e basicità ed esempi di acidi e basi organiche protiche ed aprotiche. Acidità di alcoli e tioli.
Acidi carbossilici: il gruppo carbossilico, ibridazione del C, geometria, stabilizzazione per risonanza, acidità. Esempi di derivati: Sali, esteri, anidridi. Acidi carbossilici e derivati: Nomenclatura. Reazioni di sostituzione nucleofila acilica (SNA). Formazioni di acidi carbossilici: ossidazione di composti carbonilici e di alcoli. Sintesi dei derivati degli acidi carbossilici: anidridi, esteri e ammidi, trans esterificazione. Reazione tra acidi carbossilici e composti organo-metallici e idruri. Idrolisi dei derivati degli acidi carbossilici in ambiente acido e alcalino.
Carboidrati e proteine: zuccheri e proteine visti dal chimico organico. I carboidrati: monosaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi, rappresentazioni e stereochimica, serie steriche e nomenclatura. Le strutture cicliche dei carboidrati: epimeri, anomeri e muta rotazione. I monosaccaridi: la reattività, i glicosidi, effetto anomerico, esterificazione, ossidazione. Disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi: proprietà, lattosio saccarosio, amido e cellulosa. Idrolisi.
Aminoacidi e proteine: configurazioni L- e D-, aminoacidi polari, non polari, acidi e basici. Comportamento acido-base, zwitterioni e punto isoelettrico. Saggio della ninidrina. Il legame peptidico: proprietà fondamentali. I peptidi.
Biochimica vegetale
Richiami dei concetti fondamentali di termodinamica: le variabili di stato coinvolte nelle reazioni biochimiche.
Gli aminoacidi: proprietà e caratteristiche chimiche delle i radicali R. Aminoacidi tipici e atipici. Il legame peptico: proprietà e idrolisi. Le proteine: struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Alcune proprietà notevoli delle proteine.
Carboidrati: proprietà e caratteristiche chimiche. Aldosi, chetosi e forme emiacetaliche. Stereomeri e anomeri. I legami glicosidici e l’idrolisi. Monosaccaridi, disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi. Proprietà fisico-chimiche generali. Acidi grassi e lipidi: i gruppi funzionali coinvolti nelle reazioni biochimiche e proprietà generali dei lipidi funzionali e strutturali. Nucleotidi: i principali nucleotidi funzionali. ATP, NAD, FAD e i loro gruppi funzionali coinvolti nelle reazioni biochimiche. Le basi azotate e gli acidi nucleici.
Enzimologia e regolazione del metabolismo: principali caratteristiche degli enzimi. Principi di cinetica enzimatica. Attivazione e inibizione: esempi di vari meccanismi e ripercussioni sul biochimismo vegetale.
Fotosintesi: la fase ossidativa. Composizione molecolare ed organizzazione ultrastrutturale dei pigmenti fotosintetici. Le reazioni alla luce: fotolisi dell’acqua e trasporto degli elettroni fotosintetici, trasportatori, ed energetica della fase ossidativa, foto-fosforilazione non ciclica e ciclica.
Fotosintesi: la fase di sintesi. La reazione della RuBisCO e i suoi prodotti. Ciclo di Calvin-Benson: intermedi delle reazioni ed enzimi. Sintesi di glucosio, saccarosio e amido. La fotorespirazione: reazione di ossidazione delle RuBisco e prodotti di reazione. Via metabolica del gliossilato e resintesi dell’acido 3-fosfoglicerico. Fotosintesi C4 e CAM: principali caratteristiche e adattamenti fisiologici.
Il catabolismo: concetti generali e principali vie metaboliche nella pianta. Glicoslisi: intermedi delle reazioni, enzimi e regolazione della via metabolica, prodotti della glicolisi e bilancio energetico. Ossidazione del piruvato. Ciclo di Krebs: intermedi delle reazioni, enzimi e regolazione della via metabolica, prodotti e bilancio energetico. Fosforilazione ossidativa: ossidazione dei trasportatori di elettroni, intermedi trasportatori di elettroni mitocondriali, enzimi di ossido-riduzione, prodotti e bilancio energetico.
Via metabolica dei pentosi fosfati: intermedi delle reazioni, enzimi e regolazione della via metabolica, prodotti e bilancio energetico e significato adattativo della via metabolica. Reazioni di ossidazione e reazioni di epimerazione. Destino dei pentosi fosfati e interazione con altre vie metaboliche. Regolazione del metabolismo dei pentosi fosfati e intermedi. Un utilizzo particolare dei prodotti della via dei pentosi fosfati: la rigenerazione del glutatione ridotto.
Catabolismo dei lipidi: tipologie di lipidi. Azione delle lipasi sui trigliceridi. Attivazione degli acidi grassi e trasporto nei mitocondri. Meccanismo della beta-ossidazione: prodotti delle reazioni e loro destino. Alfa- e omega ossidazione: significato funzionale.
Catabolismo delle proteine: tipologie di proteine. Azione e classificazione delle proteasi. Reazioni di transaminazione: meccanismo. Destino degli scheletri carboniosi: aminoacidi glucogenetici e chetogenetici. Anabolismo: concetti generali e principali vie metaboliche nella pianta. La gluconeogenesi: intermedi delle reazioni, enzimi e regolazione della via metabolica, prodotti della e bilancio energetico.
Biosintesi degli acidi grassi e sua regolazione. Sintesi degli aminoacidi, via metabolica dell’acido scichimico. Metabolismo secondario: sintesi dei precursori della lignina, della cellulosa, delle pectine e dei polifenoli e biosintesi di specifici metaboliti secondari azotati. Sintesi della clorofilla e di pigmenti accessori.
Assorbimento radicale: concetti generali di trasporto. La rizosfera. Assorbimento ed organicazione dell’azoto. P, S e Fe.
Assorbimento radicale: assorbimento ed organicazione di P, S e Fe.