L’ACQUA E LE BIOMOLECOLE La chimica dei sistemi viventi

GLI ELEMENTI E I COMPOSTI NEGLI

ORGANISMI

Gli ELEMENTI sono sostanze che non possono

essere scomposte ulteriormente; i più abbondanti

negli esseri viventi sono il carbonio (C), l’idrogeno

(H), l’ossigeno (O) e l’azoto (N)

I COMPOSTI sono invece sostanze formate da

più elementi, tenuti insieme da legami chimici;

possono essere scomposti negli elementi che li

formano attraverso reazioni chimiche. Il

composto più abbondante negli esseri viventi è

l’acqua, poi abbiamo le proteine, i lipidi, i

carboidrati e gli acidi nucleici.

L’ACQUA NEI SISTEMI VIVENTI

Trattandosi del composto più abbondante nelle cellule, l’acqua svolge numerose funzioni:

funzione solvente: l’interno delle cellule è costituito prevalentemente da acqua, che contiene disciolte numerose sostanze;

si può comportare da reagente, prendendo parte ad alcune reazioni (p.es la fotosintesi);

funzione termoregolatoria: l’evaporazione permette mantenere sotto controllo la temperatura degli organismi;

funzione di trasporto: spostandosi negli spazio tra le cellule distribuisce sostanze nutrienti e rimuove quelle di scarto.

LA STRUTTURA DELLA MOLECOLA D’ACQUA

E LE SUE PROPRIETÀ – 1

La molecola dell’acqua è polare poiché

in corrispondenza dell’ossigeno è

presente una parziale carica negativa,

in corrispondenza dell’idrogeno una

parziale carica positiva.

Se due molecole d’acqua si avvicinano,

la parte negativa di una delle due è

attratta da quella positiva dell’altra: si

forma in questo modo un legame a

idrogeno

Ogni molecola d’acqua è formata da un atomo di ossigeno che forma due

legami covalenti (condividendo elettroni) con due atomi di idrogeno (H2O).

LA STRUTTURA DELLA MOLECOLA D’ACQUA

E LE SUE PROPRIETÀ – 2

A causa della formazione dei legami a

idrogeno, l’acqua presenta alcune

proprietà caratteristiche:

Tensione superficiale: è la

formazione di una "pellicola" dovuta

ai legami tra le molecole; i saponi

(tensioattivi) sono in grado di

rompere questa pellicola.

Capillarità: capacità di risalire

attraverso spazi sottili, dovuta ai

legami tra l'acqua e le superfici con

cui viene a contatto.

LA STRUTTURA DELLA MOLECOLE D'ACQUA

E LE SUE PROPRIETÀ – 3

Calore specifico: è la quantità di energia

(calore) da fornire ad una sostanza per far

variare la sua temperatura di 1 °C; nel caso

dell'acqua, i legami a idrogeno limitano i

movimenti delle particelle e di conseguenza

l'aumento della temperatura.

Densità: è il rapporto tra massa e volume; nel

ghiaccio per formare i legami a idrogeno le

molecole si devono allontanare, occupando più

spazio (volume) a parità di massa.

IL POTERE SOLVENTE DELL'ACQUA

Un miscuglio omogeneo liquido è detto soluzione; il componente più abbondante è il solvente, quello meno abbondante è il soluto. L'acqua è in grado di dissolvere un gran numero di sostanze, dette per questo idrofile; quelle che non si sciolgono sono invece dette idrofobe

Sono solubili in acqua le sostanze formate da molecole polari (con una carica

parziale sulla loro superficie, p.e. il saccarosio o l'alcol etilico) o ioniche

(costituite da ioni, ossia atomi carichi, p.e. il cloruro di sodio)

Sono insolubili le sostanze apolari, ossia prive di cariche (p.e. l'olio, così come

tutti i grassi)

IL PH E L'ACIDITÀ DELLE SOLUZIONI

Quando una sostanza si scioglie in acqua può determinare la formazione di ioni H3O

+ (ioni idronio) o di ioni OH- (ioni ossidrile).

Se una sostanza in acqua produce ioni H3O

+ è un acido e la soluzione che produce è acida;

Se una sostanza in acqua produce ioni OH- è una base e la soluzione che produce è basica

L'acidità di una soluzione si indica sulla scala del pH, che va da 0 a 14

Una soluzione con pH tra 0 e 6,99 è acida

Una soluzione con pH da 7,01 a 14 è basica

Una soluzione con pH=7 è neutra

Ogni grado della scala di pH indica un'acidità 10 volte maggiore del grado precedente

I COMPOSTI ORGANICI

Contengono carbonio, che forma sempre 4 legami covalenti.

I più semplici sono gli idrocarburi, formati da catene di carbonio e idrogeno

Le molecole più complesse sono caratterizzate da gruppi funzionali, gruppi di atomi che definiscono le proprietà chimiche della sostanza

Spesso formano polimeri, dati dalla ripetizione di unità più semplici chiamate monomeri

I CARBOIDRATI: ENERGIA E SOSTEGNO Sono molecole costituite da carbonio, idrogeno e ossigeno

Possono essere formati da una, poche o molte molecole legate tra di loro:

Monosaccaridi → molecola singola, per ogni C, due atomi di H e uno di O; i più

importanti sono:

glucosio, principale fonte di energia dei viventi

fruttosio, presente nella frutta

galattosio, presente nel latte

Disaccaridi e oligosaccaridi → formati da due o pochi (fino a 10) monosaccaridi

legati tra loro; alcuni disaccaridi:

saccarosio, glucosio + fruttosio

lattosio, glucosio + galattosio

Polisaccaridi → formati da centinaia o migliaia di monosaccaridi legati tra loro;

hanno funzioni diverse a seconda della struttura

Glicogeno: polimero

del glucosio, ha struttura

ramificata, riserva

energetica negli animali

Amido: polimero del

glucosio, struttura

ramificata, riserva

energetica nelle piante

Cellulosa: polimero del

glucosio, struttura a catene

parallele (a palizzata), funzione

strutturale nella cellula

vegetale, ne costituisce la

parete

I LIPIDI - 1

Macromolecole insolubili in acqua (apolari)

Costituiscono le membrane cellulari

Hanno anche funzione di riserva energetica

Si dividono in 5 categorie

Trigliceridi

Fosfolipidi

Glicolipidi

Steroidi

Cere

I LIPIDI - 2

I trigliceridi sono costituiti da tre catene di acidi

grassi legate ad una molecola di glicerolo, mediante

una reazione di condensazione con perdita di acqua;

si dividono in grassi saturi e grassi insaturi

glicerolo

acidi grassi Grassi saturi:

• no doppi legami

C=C;

• solidi a temperatura

ambiente

• origine animale

Grassi insaturi:

• doppi legami C=C,

piegano le catene;

• liquidi a temperatura

ambiente

• origine vegetale

I LIPIDI - 3

I fosfolipidi sono formati da una molecola

di glicerolo, due molecole di acidi grassi e

un gruppo fosfato, che è polare.

La molecola risulta parzialmente idrofoba

(sulle code di acidi grassi) e parzialmente

idrofila (in corrispondenza con il gruppo

fosfato).

Sono i principali costituenti delle

membrane cellulari

I LIPIDI - 4

I glicolipidi somigliano ai fosfolipidi, con una breve catena di

carboidrati legata al glicerolo; sono costituenti della

membrana cellulare

Gli steroidi hanno una struttura ad anelli chiusi di carbonio,

con funzione fluidificante per la membrana cellulare e come

precursori ormonali; il più comune è il colesterolo

Le cere hanno struttura simile ai trigliceridi, essendo

idrofobiche vengono utilizzate da molti organismi per limitare

le perdite d'acqua o come rivestimento impermeabile.

LE PROTEINE – 1- GLI AMMINOACIDI

Gli amminoacidi sono le unità che, assemblate in

lunghe catene, costituiscono le proteine.

Gruppo

amminico

Carbonio

centrale

Tutti gli amminoacidi hanno alcuni elementi comuni:

• Un atomo di C centrale, a cui sono legati

• Un gruppo amminico NH2

• Un gruppo carbossilico COOH

• Un atomo di idrogeno (H)

• Un gruppo variabile (R), o catena laterale, che identifica l'amminoacido. I gruppi R sono

20, quindi esistono 20 amminoacidi diversi

LE PROTEINE – 2 – I QUATTRO LIVELLI DI

ORGANIZZAZIONE

Primaria: è la sequenza degli

amminoacidi che formano una proteina

Secondaria: dovuta ai legami a idrogeno

tra gli amminoacidi. Dà una prima

struttura tridimensionale alla molecola;

può essere

a elica

a foglietto ripiegato

Terziaria: dovuta alle interazioni tra i

gruppi R degli amminoacidi, determina

la forma della proteina, quindi la sua

funzione; se una proteina perde la sua

forma, ossia si denatura, perde le sue

funzioni

Quaternaria: data dall'unione di più sub-

unità proteiche

GLI ACIDI NUCLEICI – IL DNA

Il DNA contiene le informazioni per la sintesi delle proteine. È costituito da due filamenti avvolti a doppia elica; ciascun filamento è una sequenza di nucleotidi.

Un nucleotide è costituito da tre elementi

Un gruppo fosfato

Uno zucchero a 5 C, il deossiribosio

Una base azotata: adenina (A), guanina (G), timina (T) e citosina (C); la sequenza delle basi azotate costituisce il genoma

GLI ACIDI NUCLEICI – LA

STRUTTURA DEL DNA

Il doppio filamento si avvolge in una struttura a doppia elica.

Legami covalenti tengono assieme i nucleotidi di ciascun filamento

Legami a idrogeno si formano tra le basi azotate dei due filamenti

L'appaiamento delle basi azotate non è casuale ma segue regole precise:

adenina con timina (due legami)

guanina con citosina (tre legami)

La struttura è stata scoperta da Watson e Crick nel 1953, grazie al contributo della cristallografa Rosalind Franklin.

GLI ACIDI NUCLEICI – L'RNA

L'acido ribonucleico è l'intermediario tra il DNA e le

proteine, delle quali regola il processo di sintesi.

L'RNA è simile al DNA, con alcune differenze

Un solo filamento anziché due

Lo zucchero nei nucleotidi è il ribosio

Al posto della timina è presente l'uracile, un'altra

base azotata

Esistono tre tipi di RNA

messaggero (mRNA)

ribosomiale (rRNA)

di trasporto (tRNA)