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Chimica della vita
- 1. LA CHIMICA DELLAVITA La molecola dell’acqua e le sue proprietà • La coesione • La tensione superficiale • L’adesione • La capillarità • La densità del ghiaccio Le proprietà del Carbonio I carboidrati I lipidi Le proteine Gli acidi nucleici
- 2. La molecola dell’acquapossiede proprietà speciali Il legame covalente consiste nella condivisione di elettroni tra i due elementi legati. Una molecola che ha due cariche elettriche opposte è detta polare. L’acqua (H2O) è una molecola polare perché gli elettroni di legame sono più attirati dall’ossigeno (che è così parzialmente negativo) e meno attirati dall’idrogeno (che diventa parzialmente positivo). Tra un atomo di idrogeno leggermente positivo di una molecola e un atomo di ossigeno leggermente negativo di un’altra molecola Si instaura un legame debole che è chiamato legame a idrogeno (…). δ+ δ+ δ- δ+
- 3. L’acqua è unottimo solvente per le sostanze polari Una soluzione è un miscuglio omogeneo di due o più sostanze, in cui non è possibile distinguere i singoli componenti. La sostanza che scioglie le altre ed è presente in maggiore quantità è detta solvente, mentre quella presente in minore quantità è detta soluto. L’acqua è un ottimo solvente per le sostanze polari che, sciogliendosi facilmente in essa sono anche dette IDROFILE: tra queste lo zucchero ed il sale. Le molecole apolari, come quelle dei grassi, tendono a essere insolubili in acqua e sono dette idrofobiche.
- 4. La DENSITA’ delghiaccio La densità è definita come la massa di un corpo divisa per il volume che occupa. Nel ghiaccio i legami idrogeno sono stabili e le molecole sono meno mobili e più distanti rispetto al liquido. Nel liquido, a causa della maggiore mobilità, i legami idrogeno sono instabili e le molecole si avvicinano e si accostano. Il volume del liquido è inferiore rispetto al ghiaccio e la sua densità è maggiore. Per tale motivo il ghiaccio galleggia sull’acqua
- 5. La COESIONE ela TENSIONE SUPERFICIALE La COESIONE è una delle proprietà dell’acqua dovuta alla sua polarità: tra ossigeno ed idrogeno delle diverse molecole si instaurano legami idrogeno; le molecole interagiscono tra loro formano una sorta di rete e restano coese l’una all’altra. A seguito della loro interazione le molecole sulla superficie del liquido si comportano come se ci fosse una pellicola. Tale fenomeno è detto TENSIONE SUPERFICIALE e rappresenta la capacità della superficie dell’acqua liquida di sostenere piccoli oggetti, o di impedire che il liquido trabocchi da un bicchiere colmo.
- 6. La capillarità rappresentala capacità dell’acqua di salire verso l’alto nei capillari (cioè in piccoli cilindri cavi). Interagendo tra loro (per coesione) e con le pareti del capillare (per adesione) le molecole di acqua risalgono pian piano verso l’alto. Tale fenomeno consente ai vegetali di assorbire acqua dalle radici e distribuirla fino alle foglie La polarità dell’acqua consente alle sue molecole di interagire anche con altri composti polari, che costituiscono per esempio i recipienti che la contengono. L’ADESIONE rappresenta proprio il legame dell’acqua con le pareti del contenitore in cui si trova, che forma così una superficie concava detta menisco. L’ ADESIONE e la CAPILLARITA’
- 7. IL CARBONIO Il carbonioè l’elemento più abbondante della Terra ed è il più importante per gli esseri viventi. Questo elemento può formare milioni di molecole diverse che vengono complessivamente dette COMPOSTI ORGANICI, proprio per la loro rilevanza per gli organismi viventi. Tra i composti organici rivestono un ruolo fondamentale le BIOMOLECOLE: zuccheri, grassi, proteine ed acidi nucleici
- 8. Il carbonio haalcune proprietà fondamentali che lo rendono molto versatile e quindi utile: •Può formare fino a 4 legami covalenti stabili; •Può formare legami singoli, doppi o tripli; •Può formare lunghe catene carboniose lineari, ramificate o ad anello, molto stabili. •Le catene carboniose possono avere gruppi funzionali (OH, SH, NH2; COOH,) che determinano proprietà caratteristiche; •La forma catena carboniosa può assumere forme diverse nello spazio, che ne determinano la funzionalità Le proprietà del CARBONIO
- 9. I gruppi funzionali Quandosulle catene carboniose si inseriscono atomi o gruppi di atomi diversi dal carbonio, questi (chiamati gruppi funzionali) conferiscono specifiche proprietà chimiche alla molecola, quali ad esempio un diverso grado di acidità o polarità.
- 10. Le biomolecole sono macromolecolee polimeri Le biomolecole sono generalmente molecole molto grandi e complesse, fatte da migliaia di atomi, per questo vengono considerate MACROMOLECOLE. Questo tipo di composti vengono prodotti dagli organismi per gradi successivi, ovvero unendo tra loro tante piccole unità chimiche; per questo motivo le biomolecole rappresentano dei POLIMERI, sono cioè formati dall’unione di molte molecole più piccole (dette MONOMERI) unite tra loro I polimeri possono essere formati da monomeri tutti identici tra loro o di diverso tipo. polimero polimero
- 11. I carboidrati • Proprietàgenerali • I monosaccaridi • I disaccaridi • I polisaccaridi
- 12. I carboidrati sonodetti anche zuccheri o glucidi Hanno formula generale Cn(H2O)n ove n vale da 3 a 7 Sono catene carboniose caratterizzati dalla presenza di gruppi funzionali (OH) e dal gruppo (C=O). Possono avere conformazione lineare o ad anello. Rappresentano la principale fonte di energia per la cellula (tra essi fondamentale è il GLUCOSIO) I MONOSACCARIDI sono gli zuccheri più semplici, costituiti da una sola molecola di zucchero (es glucosio, ribosio, fruttosio) I MONOSACCARIDI
- 13. I DISACCARIDI sonoformati dall’unione di due molecole di monosaccaridi Il MALTOSIO è un disaccaride formato da due molecole di glucosio unite da un legame glicosidico. Il SACCAROSIO è un disaccaride fatto dall’unione di glucosio e fruttosio e rappresenta lo zucchero comune. Altro disaccaride è il LATTOSIO (glucosio legato al galattosio). Gli individui intolleranti al lattosio non possono scindere il legame tra i due monomeri I DISACCARIDI
- 14. I POLISACCARIDI sonopolimeri degli zuccheri, sono macromolecole complesse costituite da molti monosaccaridi legati. I polisaccaridi possono avere funzione strutturale o di riserva energetica L’AMIDO è un polimero del glucosio, è abbondante nei semi dei cereali (mais, frumento…) e costituisce una riserva energetica per il germoglio della pianta che si sviluppa sotto terra. Rappresenta la base dell’alimentazione umana: dai semi di cereali si ottiene la farina, ricca di amido, usata per produrre pasta e pane. I POLISACCARIDI
- 15. La CELLULOSA èanch’essa un polimero del glucosio, ma ha funzione strutturale. E’ abbondante nelle foglie e nel fusto delle piante ove serve da sostegno. Tale molecola, seppure rientri nell’alimentazione umana attraverso le verdure, non viene digerita perché l’intestino umano non è in grado di scindere questa macromolecola nei singoli zuccheri. Nei ruminanti la cellulosa è digerita grazie all’azione di alcuni batteri che vivono in simbiosi nello stomaco dei bovini. I polisaccaridi complessi, (cellulosa, lignina) rappresentano la maggior parte della massa organica dei vegetali I POLISACCARIDI
- 16. I lipidi • Proprietàgenerali • Gli acidi grassi • I trigliceridi • I fosfolipidi • Il colesterolo
- 17. I LIPIDI oGRASSI I LIPIDI, detti comunemente GRASSI, sono molecole costituite da carbonio, idrogeno e ossigeno. A questa categoria appartengono molecole molto diverse tra loro, che hanno però una caratteristica comune: sono idrofobiche ovvero insolubili in acqua. Generalmente si distinguono gli OLII, che sono liquidi a temperatura ambiente, ed i GRASSI, che invece sono solidi a temperatura ambiente. Nell’alimentazione rappresentano una fonte di energia metabolizzata più lentamente del glucosio, quindi sono utilizzati come riserva energetica a medio-lungo termine
- 18. Gli ACIDI GRASSIpossono essere considerati i lipidi più semplici: sono lunghe catene di carbonio e idrogeno caratterizzate dal gruppo funzionale COOH. Si hanno acidi grassi SATURI se tra i carboni ci sono solo legami singoli: sono di origine animale e sono solidi a T ambiente. Le molecole hanno una struttura lineare che consente loro di affiancarsi formando una struttura compatta e dunque solida. ACIDO GRASSO MONOINSATURO ACIDO GRASSO POLINSATURO ACIDO GRASSO SATURO Struttura molecolare di un acido grasso INSATURO GLI ACIDI GRASSI
- 19. Si hanno acidigrassi INSATURI se tra i carboni c’è almeno un legame doppio (insaturazione):sono di origine vegetale e sono solidi a T ambiente. Le molecole hanno una struttura NON LINEARE che impedisce loro di affiancarsi, restano quindi mobili e separati tra loro e per questo hanno consistenza liquida. Con il termine “GRASSI IDROGENATI” si intendono quegli acidi grassi originariamente insaturi, in genere a breve catena e di origine vegetale (olio di palma, di cocco, etc.), che vengono resi saturi addizionando idrogeno. Vengono in genere impiegati nell’industria dolciaria per la loro consistenza cremosa. Con il termine “OMEGA-3” si intendono quegli acidi grassi insaturi, a lunga catena e abbondanti in alcuni pesci, in cui il doppio legame si trova in terza posizione apartire dall’ultimo carbonio (carbonio omega), ovvero il più lontano dal gruppo COOH.
- 20. Cavazzuti Biologia ©Zanichelli editore 2011 I TRIGLICERIDI I TRIGLICERIDI sono costituiti da una molecola di glicerolo e da tre molecole di acidi grassi (saturi oppure insaturi). Rappresentano la principale fonte di energia a lungo termine per l’uomo. Vengono conservati nelle cellule del tessuto adiposo
- 21. I FOSFOLIPIDI I fosfolipidisono costituiti da una molecola di glicerolo che lega due acidi grassi ed un gruppo fosforico. I fosfolipidi sono molecole ANFIPATICHE perché hanno una duplice natura: posseggono una parte apolare rappresentata dalle “code” di acidi grassi,ed una parte polare rappresentata dalla “testa” di acido fosforico. I fosfolipidi sono il costituente principale delle membrane cellulari. La presenza di acidi grassi INSATURI nei fosfolipidi di membrana rende questa struttura più mobile e fluida
- 22. Il COLESTEROLO Il colesteroloè una molecola complessa formata da quattro anelli carboniosi. Il colesterolo, viene prodotto da tutti gli animali ed è dunque presente negli alimenti di origine animale (latte, uova, formaggi, carne). E è un costituente delle membrane cellulari dove, per la sua struttura ampia e piana, limita la mobilità dei fosfolipidi. Dal colesterolo vengono prodotti gli ormoni steroidei (estrogeni e testosterone) ma anche i feromoni (per esempio negli insetti per la comunicazione tra individui diversi).
- 23. Le proteine • Proprietàgenerali • Gli amminoacidi • Struttura I delle proteine • Struttura II delle proteine • Struttura III delle proteine • Struttura IV delle proteine
- 24. LE PROTEINE Le PROTEINEsono polimeri di AMMINOACIDI, legati tra loro da un legame detto peptidico, per tale ragione sono anche dette polipeptidi o catene polipeptidiche. Le proteine, che rappresentano la maggior parte della massa organica negli animali, svolgono moltissime e diverse funzioni •alcune hanno funzioni strutturali (costituiscono le ossa, i denti); •i muscoli sono costituiti da proteine contrattili; •le reazioni chimiche sono regolate da proteine chiamate enzimi; •alcune hanno funzione di trasporto (emoglobina) o protettiva (anticorpi); •alcune sono messaggeri chimici (ormoni), come l’insulina.
- 25. Gli AMMINOACIDI sonopiccole molecole aventi una struttura comune: un atomo di carbonio centrale che lega un gruppo amminico, un gruppo carbossilico (acido) ed un idrogeno. Il quarto gruppo legato dal carbonio è una CATENA LATERALE (rappresentata da una “R”) che varia nei differenti amminoacidi e quindi conferisce a ciascuno le proprie caratteristiche specifiche. Gli animali producono ed Utilizzano circa 20 amminoacidi diversi, alcuni altri amminoacidi devono essere assunti con l’alimentazione e per questo sono detti “essenziali” catena laterale R
- 26. STRUTTURA I Le proteinesvolgono numerose diverse funzione; la funzione di ciascuna proteina dipende dalla sua forma, dalla sua struttura spaziale. La forma della proteina (e pertanto la sua capacità di funzionare) è ottenuta attraverso livelli organizzativi successivi detti struttura I, II, III e IV La struttura primaria rappresenta la sequenza amminoacidica, ovvero l’ordine secondo il quale si susseguono i vari amminoacidi. Esso è geneticamente determinato e rappresenta l’elemento fondamentale da cui derivano i livelli successivi di organizzazione spaziale Val Leu Leu Asp Gly Tyr Ser Leu Val Ser
- 27. STRUTTURA II La strutturasecondaria consiste nel ripiegamento spaziale geometrico e definito della catena amminoacidica e può essere di tre tipi fondamentali: alfa elica, foglietto beta o ansa. La struttura II assunta dalle varie parti della catena rpoteica dipende dalla natura degli amminoacidi interessati ed è stabilizzata da interazioni deboli tra le catene laterali (es legami idrogeno tra gruppi polari
- 28. STRUTTURA III La strutturaterziaria rappresenta la struttura finale, la FORMA DEFINITIVA assunta nello spazio dall’intera catena polipeptidica. Tale struttura è in genere stabilizzata da interazioni deboli tra le catene laterali degli amminoacidi (legami idrogeno) o da legami covalenti forti (legami disolfuro S-S). In molti casi la struttura III rappresenta il grado definitivo di organizzazione e la proteina ottenuta è perfettamente funzionante. In genere proteine globulari hanno funzione enzimatica, proteine con funzione di sostegno hanno ivece forma allungata. Trattamenti chimici o fisici forti possono alterare la struttura proteica in modo irreversibile, tale processo è detto DENATURAZIONE (evidente è la cottura delle uova o della carne
- 29. Trattamenti chimici ofisici drastici possono modificare in modo irreversibile la forma della proteina (rompendo per esempio i legami covalenti S-S), la proteina perde così anche la sua capacità di funzionare. Il processo che altera irreversibilmente la forma e la funzione proteica viene detto denaturazione. Tale processo è evidente per esempio nella cottura delle uova o della carne
- 30. STRUTTURA IV In molticasi le proteine, assunta la struttura III definitiva, sono perfettamente funzionanti. In altri casi invece più proteine devono associarsi in un grande complesso proteico per poter svolgere la loro funzione. La struttura IV rappresenta proprio l’associazione di più catene proteiche, denominate in tal caso SUBUNITA’ del complesso proteico. L’emoglobina, deputata trasporto dei gas respiratori nel sangue, è costutuita da 4 subunità, 2 di tipo A e 2 di tipo B (indicata come A2B2)
- 31. Gli ACIDI NUCLEICI:DNA e RNA DNA e RNA sono detti acidi nucleici perché hanno natura acida e perché sono conservati nel nucleo delle cellule. Hanno la funzione di conservare, trasmettere ed esprimere le informazioni genetiche, necessarie a definire le caratteristiche di ciascun vivente. Sia il DNA (acido deossiribonucleico) che l’RNA (acido ribonuclaico) sono POLIMERI DEI NUCLEOTIDI
- 32. Ciascun nucleotide, ilmonomero degli acidi nucleici, è costituito da -zucchero: RIBOSIO nel RNA o DEOSSIRIBOSIO nel DNA -gruppo fosfato -base azotata. Le basi azotate sono molecole ad anello con carbonio e azoto. Le purine (adenina o guanina) sono costituite da due anelli a 5 e 6 termini; le pirimidine (timina, citosina ed uracile) sono costituite da un solo anello a 6 termini. La catena nucleotidica assume struttura a doppia elica nel DNA o a singola elica nel RNA