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Dispense del Corso di Biofisica, Dipartimento di Fisica, Università di Cagliari. A.A.: 2015/2016 Docente: Dott. Attilio Vittorio Vargiu NB: Queste dispense non sostituiscono il materiale didattico suggerito a piè del programma! Macromolecules: introduction on structural features and most important functions 1

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    Macromolecules: introduction on structural

    features and most important functions

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    Outline

    • Atomic and molecular composition of living matter

    • Carbohydrates

    • Nucleobases, nucleosides, nucleotides

    • Aminoacids

    • Fatty Acids

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    Atoms in biological matter

    Fundamental atoms

    •  Only a few are traceable in human body: O, N, C, H, P, S.

    •  Among ions, H+, Na+, K+, Cl-, Ca2+ are most frequent.

    •  Others (Fe, Ni, Cu) present only in limited quantities.

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    Molecules of Life A few fundamental molecules

    •  Water (70% of our body mass) •  Phosphoric acid (dissolved as phosphate ions and protons

    (H3PO4 ⇔ HPO42- + 2H+)

    •  Simple sugars (glucose, ribose, saccarose) •  Nucleobases (pirimidines and purines) •  Nucleotides (ATP, dGTP, cAMP, etc.)

    •  Fatty acids and phospholipids (POPC, DPPC, etc.) •  Aminoacids

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    Carbohydrates • Molecules made of C, H and O, with general formula

    Cm(H2O)n H:O ratio generally equal to 2:1.

    – Exceptions do exist, ominous one is deoxyribose in DNA, having formula C5H10O4.

    •  Very important energy source of metabolism.

    • More structurally complex than other macromolecules.

    •  In biochemistry they are synonymous of saccharides: – Mono-, di-, oligo- and poly-saccharides

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    Monosaccharides

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    •  (CH2O)n n≥3 (glucose, fructose, ribose). •  Important source of energy (synthesis of ATP) and constituents of nucleic acids.

    •  5 or 6-atoms ring structures with 1 oxygen. •  Stereochemistry: α or β.

    α-D-Glucopyranose

    β-D-Glucopyranose

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    Monosaccharides •  Found in nature as mixture of open and cyclic structures.

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    Disaccharides •  Dimers of monosaccharides linked by a glycosidic bond of tipe α or β.

    •  Glycosidic bond: between a carboydrate and a functional group (e.g.: alcool).

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    •  Examples are lactose, saccharose, maltose •  First energy stock

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    Disaccharides

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    Oligo/polysaccharides

    •  Oligosaccharides have formula [Cm(H2O)n]x, x between 3 and 9. –  Can covalently bind to aminoacids glycoproteins

    (lying on both membrane and the cytosol) and to lipids glycolipids.

    –  Play a role in inter-cellular interactions.

    •  Polysaccarides have formula Cm(H2O)n with m≥200. –  Cellulose, amides, glicogen, pectin, chitin, etc.

    –  Capsules secerned by some bacteria composed by thick layers of polysaccharides enveloping antigenes.

    Hinder immunity response of host organism.

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    Amide: polysaccharide of glucose

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    •  Fundamental stock of energy in plants. •  Two principal structures:

    1. Amilose

    •  Linear chain with glycosidic bond α-1,4 (helicoid structure).

    •  Constitutes about 20% of amide structure.

    Oligo/polysaccharides

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    Amide: polysaccharide of glucose

    2. Amilopectin

    •  Features branches through glycosidic bond α-1,6. •  Ratios of 1,6 vs. 1,4 bonds in range 1/24-1/30. •  Constitutes about 80% of amide structure.

    Oligo/polysaccharides

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    Glycogen: polysaccharide of glucose

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    •  Fundamental stock of energy in animals.

    •  Structure similar to amilopectin, but more branching

    (ratio of α-1,6 vs. α-1,4 bonds amounts to 1/10).

    •  Sinthesized from protein glycogenin.

    Oligo/polysaccharides

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    •  Fundamental structure in vegetal kingdom.

    •  ~1015 Kg of cellulos synthesized and degraded

    per year.

    •  Planar structure due to β-1,4 glycosidic bond, functional to build highly resistant fibers

    such as those found in plants.

    Oligo/polysaccharides Cellulose: polysaccharide of glucose

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    Difference between α-1,4 and β,1-4 bonds

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    •  Structures built through α-1,4 bonds are willing to assume

    helicoidal structure.

    •  Structures built through β-1,4 bonds tend to form linear

    structures and to self-assemble into planar sheets linked through

    H-bonds.

    Oligo/polysaccharides

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    •  Bases of nucleic acids: 5 fundamental types •  2 classes: purines (2) and pirimidines (3)

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    Nucleobases, nucleosides, nucleotides

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    DNA: A, G, C, T

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    Nucleobases, nucleosides, nucleotides

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    RNA: A, G, C, U

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    Nucleobases, nucleosides, nucleotides

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    •  (deoxy)nucleoside base covalently bound (glycosidic bond) to a molecule of (deoxy)ribose.

    •  Glycosilation always occurs between atom C1’ of sugar and atoms N9 (purines) or N1 (pirimidines) of nucleobases.

    1’ 3’

    5’

    Nucleobases, nucleosides, nucleotides

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    •  Nucleotide nucleoside bound to one or more phosphate groups.

    •  5’ o 3’ depending on where substitution do occur.

    1’ 3’

    5’

    3’

    5’

    3’

    5’

    5’-ATP  Adenosine Tri-Phosphate

    3’-dGMP  deoxyGuanosine Mono-Phosphate

    Nucleobases, nucleosides, nucleotides

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    Aminoacids •  21 different types of α-aminoacids in eukaryotes

    •  Same backbone, different side chains R •  Zwitterionic in solution (terminal amino e carboxyl groups)

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    Zwitterionic  Neutral  

    Carboxyl (acid)  

    Amine (base)  

    Side chain  

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    Chiral molecules (not superposable to their mirror image)

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    Enantiomers

    •  Enantiomers (optical isomers) D and L •  All aminoacids exist in L form during translation

    •  D enantiomers generated by post-traslation processes, occur in peptidoglycan, are used as neurotransmitters...

    Aminoacids

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    If a molecule has a plane of symmetry, an inversion point and an

    improper axis of rotation, then the molecule is not chiral

    A plane of symmetry do exist

    Chirality

    No plane of simmetry is found

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    Chirality is an essential parameter for the intermolecular interactions and for processes such as molecular recognition

    Chirality

    L carvon (smells like mint)

    R carvon (smells like cumin)

    Odorant receptors contain chiral groups!

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    Chirality

    L methorphan (analgesic)

    R methorphan (cough sedative)

    Molecules with different chirality interact in a different way (with high or low affinity) with the same receptors

    Chirality is an essential parameter for the intermolecular interactions and for processes such as molecular recognition

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    Aminoacids Most are hydrophobic

    •  Aliphatic A, V, I, L, M •  Aromatic F, Y, W

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    Aminoacids

    Polar (pH 7.4) S, T, N, Q

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    Charged (pH 7.4)

    + R, H, K

    - D, E

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    Aminoacids “Special”

    •  C: contains the thiol group (SH), is polar and used to form disuphilde bonds

    •  G: hydrogen as side chain (only achiral AA) •  P: side chain include a C-N bond (hydrophobic)

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    Aminoacids Several functional groups are attached to different AAs

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    Aminoacids Nomenclature of carbon atoms of the side chain

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    In some cases amino group bound to β or γ carbon

    β/γ-aminoacids

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    Fatty acids Aliphatic chain of C atoms ending with carboxyl group (-COOH)

    •  Polar head and hydrophobic tail amphiphatic molecules •  Aliphatic chain can be saturated (linear) or can contain one or more double

    bonds (unsaturated carbons) conformations cis and trans

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    Fatty acids

    A few ways for naming fatty acids –  Common names (e.g. palmitoleic, oleic, arachidic,… acid)

    –  Regular nomenclature by IUPAC: counting starts from carboxylic acid carbon, and cis-/trans- or E-/Z- notation is used

    (e.g (9Z,12Z,15Z,18Z)-octadecatetraenoic acid)

    –  Δx: double bonds indicated by Δx where x is the number of the C atom counting from the carboxylic acid. Every double bond must be specified as cis or trans

    (e.g. cis, cis, cis, cis-Δ9,Δ12,Δ15,Δ18-octadecatetraenoic acid)

    –  n-x or ω-x nomenclature: based on biosynthetic properties of molecules in animals. The first double bond counting from the methyl terminal identify the class (e.g. n-3 or ω-3). However, no

    further details are given, so this nomenclature is ambigous

    –  Lipid numbers: has the form C:D, where C and D are the total numbers of C atoms and double bonds, respectively. Ambiguous, often comes with n-x o Δx

    (e.g. 18:3, 18:3ω6, 18:3, cis,cis,cis-Δ9,Δ12,Δ15)

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    Some unsaturated fatty acids

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    Common name Chemical structure Δ

    x C:D n−x

    Myristoleic acid CH3(CH2)3CH=CH(CH2)7COOH cis-Δ9 14:1 n−5

    Palmitoleic acid CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH cis-Δ9 16:1 n−7

    Sapienic acid CH3(CH2)8CH=CH(CH2)4COOH cis-Δ6 16:1 n−10

    Oleic acid CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH cis-Δ9 18:1 n−9

    Elaidic acid CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH trans-Δ9 18:1 n−9

    Vaccenic acid CH3(CH2)5CH=CH(CH2)9COOH trans-Δ11 18:1 n−7

    Linoleic acid CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH cis,cis-Δ9,Δ12 18:2 n−6

    Linoelaidic acid CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH trans,trans-Δ9,Δ12 18:2 n−6

    α-Linolenic acid CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH cis,cis,cis-Δ9,Δ12,Δ15 18:3 n−3

    Arachidonic acid CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)3COOH cis,cis,cis,cis-Δ5Δ8,Δ11,Δ14 20:4 n−6

    Eicosapentaenoic acid CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)3COOH

    cis,cis,cis,cis,cis-Δ5,Δ8,Δ11,Δ14,Δ17 20:5 n−3

    Erucic acid CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11COOH cis-Δ13 22:1 n−9

    Docosahexaenoic acid CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)2COOH

    cis,cis,cis,cis,cis,cis-Δ4,Δ7,Δ10,Δ13,Δ16,Δ19

    22:6 n−3

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    Some satured fatty acids

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    Fatty acids •  Fundamental as storage of energy

    •  Components of multi-glycerides and phospholipids •  Natural fatty acids generally have even number of C atoms (4-28) •  Essential fatty acids: animals must assume them from external sources

    (food) since not able to synthetize them. Examples are ω-3 and ω-6.

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    α-linolenic acid (ω-3)   Linoleic acid (ω-6)  

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    Most common fatty acids

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    •  Short chain (C:D 4:0/6:0) •  Fatty acids from cow milk and derivatives

    •  Butyric acid •  Esanoic acid

    •  Medium chain (C:D 8:0/14:0)

    •  Tropical oils (coconut, palm) •  Lauric acid (C12:0) (industrial word: vegetal oil) •  Myristic acid (C14:0)

    •  Long chain (C:D ≥ C16)

    •  Animal and vegetal fatty acids •  Palmitic acid (C16:0) •  Stearic acid (C18:0)

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    Most common fatty acids

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    •  Long chain (C:D ≥ C16)

    •  Oleic acid and cis-9-octadecenoic acid (18:Δ9) •  Most abundant fatty acid in animal and

    vegetal fat. •  Typical of olive oil (in which constitutes

    about 80% of all fatty acids).

    •  Essential fatty acids grassi: linoleic, α-linolenic •  Precursors of long chain poly-unsaturated

    acids of classes n-6 (ω6) and n-3 (ω3) respectively.

    •  E.g. eicosapentaenoic acid (ω3) in fish oil.

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    Glycerides

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    Also called acyl-glyceroles, they are esters formed by glycerol and one to three fatty acids (mono-, di-, tri-glicerides)

    Glycerol (alchool)

    Monoglyceride Diglyceride Triglyceride

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    Glycerides

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    •  Mono and di-glyceride are said partial since not all of the hydroxyl groups are esterified.

    •  Short partial glycerides are strongly polar: –  Used as excipients to increase solubility of drugs. –  Used as emulsion enhancers in food industry.

    •  Triglycerides are contained in both animal and vegetal fats. –  Components of skin oils.

    –  Present in blood, help bidirectional transfer of adipose fat and glucose from liver.

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    Phospholipids

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    Subclass of lipids, generally formed by a 1,2-diglyceride (glycerophospholipids or phosphoglycerides), a phosphate group (at 3) and a alcohol (e.g. choline)

    •  Polar head •  Negative group •  Hydrophobic tail

      Amphiphatic

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    Glycerophospholipids

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    Principal components of membranes of all living organisms

    Phosphatidic Acid (PA)

    •  -1 charge. •  Precursor of biosynthesis of

    several other lipids. •  Influences curvature of phospholipid membrane.

    •  Transmitter of signals that drive recruitment of cytosolic proteins towards appropriate cellular

    membrane.

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    Glycerophospholipids

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    Phosphatidil Ethanolamine (PE)

    •  Principal component of bacterial membranes.

    •  25% of all phospholipids in cellular membranes.

    •  Generally coupled to a saturated and an unsaturated fatty acid

    (e.g. 1-Palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine, POPE). •  Mainly found in inner leaflet. •  Modulates membrane curvature.

    Principal components of membranes of all living organisms

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    Glycerophospholipids

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    Phosphatidil Choline (PC)

    •  Principal component of membranes in animals.

    •  Generally coupled to a saturated and a unsaturated fatty acid (e.g. 1-Palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-

    phosphocholine, POPC). •  Mainly present in outer leaflet of

    membrane. •  Absent in almost all bacteria.

    Principal components of membranes of all living organisms

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    Glycerophospholipids

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    Phosphatidil Serine (PS)

    •  Anionic at physioligical pH. •  Role in cell-signaling:

    -  In normal conditions kept within inner leaflet by flippases

    (other phospholipids free to change their orientation).

    -  During cellular apoptosis flippase stops its activity, and PS is found also on outer leaflet, which is a signal to

    macrophages.

    Principal components of membranes of all living organisms

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    Glycerophospholipids

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    Phosphatidil Glycerol (PG)

    •  Anionic at physiological pH. •  Found in almost all bacteria (e.g.

    20% of membranes in E. coli). •  Building block of cardiolipin, constitutive molecule of inner

    mitochondrial membrane.

    Principal components of membranes of all living organisms

  • Dispense del Corso di Biofisica, Dipartimento di Fisica, Università di Cagliari. A.A.: 2015/2016 Docente: Dott. Attilio Vittorio Vargiu NB: Queste dispense non sostituiscono il materiale didattico suggerito a piè del programma!

    Sphingolipids

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    A.k.a. glycosilceramides: second most important class of lipids Contain sphingoids, an ensemble of amino-alcohol bases among which the

    most frequent is sphingosin

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    Glycolipids

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    Lipids bound to a carbohydrate. Depending on intermediate group classified as glyco (H), glycero-glyco (glycerol) and sphingo-glyco

    (sphingosin) lipids •  Energy source

    •  Signaling (carbohydrates on outer membranes in eukaryotes) •  Involved in inter-cellular adhesion and building of tissues

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    Sterols

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    Derivatives of sterol polycyclic compound bearing four condendes rings (three exa- and one penta-ring).

    •  Alcoholic group bound to 3 in A, remaining aromatic amphiphatic lipids

    •  Aliphatic chain branching off from C17 of ring D (precursors of steroids)

    •  Subclass of steroids (also called alcohol-steroids)

    A B

    C D

    3

    17

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    Cholesterol

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    Most important sterol synthetized by animals

    •  Structural block of all animal membranes, where inserts bewteen two layers of

    phospholipids with the –OH group close to polar heads. •  Key to structural integrity and fluidity of membrane.

    •  Contributes to reduce permeability of small hydrosoluble molecules. •  Key component of cellular (synaptic) vesicles (many synaptic proteins bind to it). •  Precursor of steroids hormones (e.g. cortisone and testosterone) and vitamin D.