Le molecole della vita

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1 Le molecole della vita Inorganici -Acqua -Ossigeno (O 2 ), Anidride carbonica (CO 2 ) -Elementi minerali quali Calcio (Ca), Fosforo (P), Magnesio (Mg), Sodio(Na), Potassio (K), Zolfo (S), Cloro (Cl), Ferro (Fe), Zinco (Zn), Rame (Cu), Iodio (I),Cobalto (Co), Selenio (Se), Manganese (Mn),Fluoro (F), Cromo (Cr), ecc.ecc. Composti chimici Organici Idrocarburi Alcoli, aldeidi Molecole biologiche o biomolecole Carboidrati Lipidi Proteine Acidi nucleici

2 Elementi chimici inorganici e ioni nei viventi, sono gli stessi che costituiscono il pianeta

3 Acqua H 2 O Ogni molecola di acqua è costituita da 2 atomi di idrogeno (H) e 1 atomi di ossigeno (O), uniti tramite due legami di tipo covalente polare la molecola è neutra, ma al suo interno la carica elettrica negativa si concentra attorno al nucleo dell atomo di ossigeno (δ ), mentre dalla parte della coppia di nuclei di idrogeno si concentra la carica elettrica positiva (δ + ).

4 Proprietà: polarità Le molecole d acqua presentano polarità e perciò danno origine a legami a idrogeno. Cioè, tra la parte negativa di una molecola d acqua e la parte positiva di un altra molecola si manifesta una debole forza di attrazione elettrostatica, detta legame a idrogeno o ponte idrogeno. Questo legame intermolecolare, molto più debole dei legami chimici, si stabilisce anche con qualsiasi altra sostanza polare.

5 Proprietà: ionizzazione L acqua ha la tendenza a ionizzarsi: un piccolo numero di molecole si scinde in ioni H + (protoni) e OH (ossidrili). Lo ione H + è estremamente reattivo e tende a legarsi subito con un altra molecola d acqua. Si forma così lo ione H 3 O + (idronio). La tendenza a ionizzarsi delle molecole d acqua è bilanciata dalla tendenza degli ioni H 3 O + e OH a riassociarsi tra loro per formare molecole di H 2 O. Si crea, cioè, un equilibrio chimico dinamico: 2 H 2 O H 3 O + + OH Le due frecce indicano che la reazione procede in entrambe le direzioni.

6 ph, grado di acidità Si definisce: Acido qualsiasi molecola o ione che possa donare un protone. Base qualsiasi molecola o ione che possa accettarlo. Il grado di acidità si misura tramite il ph, un parametro legato alla concentrazione in soluzione di ioni H 3 O +. Le sostanze acide hanno ph compreso tra 0 e 7; quelle basiche ph tra 7 e 14; quelle con ph circa 7 sono dette neutre. Nei liquidi organici vi sono sistemi chimici che servono a mantenere le variazioni di ph in un ristretto intervallo.

7 Acqua (H 2 O) È prodotta dalla respirazione cellulare (insieme all anidride carbonica), processo metabolico che permette di ricavare molecole energetiche in presenza di ossigeno.

8 Ossigeno Elemento chimico più abbondante della Terra e fa parte di numerosi composti chimici, il più importante dei quali è l acqua. In forma molecolare e gassosa l ossigeno è un componente dell atmosfera, importante per la vita in quanto necessario a quasi tutti gli esseri viventi per respirare.

9 Anidride carbonica È una sostanza fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali. È indispensabile per la vita e per la fotosintesi delle piante. È prodotta dalla respirazione cellulare (insieme all acqua) processo metabolico che permette di ricavare molecole energetiche in presenza di ossigeno.

10 Le molecole della vita Composti chimici Inorganici -Acqua -Ossigeno (O 2 ), Anidride carbonica (CO 2 ) -Elementi minerali quali Calcio (Ca), Fosforo (P), Magnesio (Mg), Sodio(Na), Potassio (K), Zolfo (S), Cloro (Cl), Ferro (Fe), Zinco (Zn), Rame (Cu), Iodio (I), Cobalto (Co), Selenio (Se), Manganese (Mn),Fluoro (F), Cromo (Cr), ecc.ecc. Organici Idrocarburi Alcoli, aldeidi Molecole biologiche o biomolecole Carboidrati Lipidi Proteine Acidi nucleici

11 Tutte le molecole organiche contengono atomi di carbonio (C) uniti ad altri atomi (di carbonio o di altro tipo) tramite legami covalenti. I composti organici più semplici sono gli idrocarburi (come il petrolio e il metano), costituiti soltanto da carbonio e idrogeno. Nonostante il loro grande interesse economico, queste sostanze non sono particolarmente importanti per i sistemi viventi. Ma quando uno o più atomi di carbonio sono sostituiti da atomi o gruppi di atomi diversi (i cosiddetti gruppi funzionali), allora la molecola assume delle proprietà chimiche e fisiche caratteristiche. I composti organici Fra queste ci sono queste le molecole biologiche.

12 MACROMOLECOLE BIOLOGICHE La chimica della vita

13 CARBOIDRATI Caratteristiche: Sono composti chimici costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno. Funzioni: - Strutturale: costituiscono strutture essenziali per gli organismi viventi (funzione di sostegno, soprattutto nei vegetali cellulosa). - Energetica: forniscono energia per svolgere le funzioni dell'organismo (glicogeno, amido). - Protezione: costituiscono l esoscheletro degli invertebrati (chitina).

14 Monosaccaridi (formati da 1 molecola di zucchero) 5C 6C 6. I diversi tipi di CARBOIDRATI Ribosio Desossiribosio Componenti degli acidi nucleici Glucosio principale fonte di energia Fruttosio si trova nella frutta Galattosio si trova nel latte Disaccaridi (formati da 2 molecole di zucchero) Polisaccaridi (formati da più di 20 molecole di glucosio) Glucosio + fruttosio Saccarosio (comune zucchero da cucina) Glucosio + glucosio Maltosio (deriva da digestione dell amido) Glucosio + galattosio Lattosio (in latte e latticini) Amido riserva energetica nei vegetali (cereali, tuberi, legumi) si accumula in amiloplasti nella cellula vegetale si trova nei semi e nelle radici Glicogeno riserva energetica negli animali si accumula in muscoli e fegato Cellulosa funzione di sostegno nei vegetali si trova nella parete cellulare delle cellule vegetali può essere digerita solo dagli erbivori è il composto organico più abbondante sulla Terra

15 CARBOIDRATI Organismi autotrofi (Es. piante): sintetizzano zuccheri (glucosio) a partire da componenti inorganici quali acqua e CO 2 mediante il processo di fotosintesi clorofilliana. Organismi eterotrofi (Es. animali): soddisfano il fabbisogno energetico nutrendosi di alimenti che contengono zuccheri. Ecco alcuni esempi: barbabietola da zucchero, zucchero di canna -> saccarosio cereali (pane, pasta, riso), tuberi (patate) e legumi -> amido carne e pesce -> glicogeno latte e latticini -> lattosio frutta e miele -> fruttosio; glucosio

16 LIPIDI o GRASSI Caratteristiche: sono costituiti da lunghe catene di atomi di carbonio, ossigeno sono comunemente chiamati grassi idrogeno e sono insolubili in acqua (idrofobi = paura dell acqua ) Funzioni: riserva energetica (molecole ad alto contenuto energetico; si accumulano nel tessuto adiposo, sottocutaneo) protezione meccanica per alcuni organi (cuore, fegato, reni...) isolante termico (es. grasso animale) impermeabilizzante (es. cere sulle penne degli uccelli) funzione strutturale (nelle membrane cellulari fosfolipidi) precursori di importanti molecole biologiche (ormoni, vitamine)

17 LIPIDI I grassi sono composti che svolgono un importante funzione di riserva energetica in molte piante e animali: a parità di peso, infatti, la completa demolizione dei grassi libera circa il doppio di energia dei carboidrati. Ogni molecola di grasso è formata da tre molecole di acidi grassi, legate a una molecola di glicerolo. Proprio per questo vengono detti trigliceridi.

18 LIPIDI I lipidi che contengono acidi grassi in cui non compaiono doppi legami sono detti saturi e sono solidi a temperatura ambiente (il burro, il grasso della carne). Se, invece, gli acidi grassi presentano doppi legami sono detti insaturi e sono liquidi a temperatura ambiente (olio d oliva e oli di semi). Infatti, in questo caso le molecole di questi lipidi in corrispondenza dei doppi legami presentano dei ripiegamenti che ne rendono più difficile una disposizione compatta.

19 LIPIDI: LE CERE 1) Sono lipidi piuttosto simili ai grassi Essendo insolubili in acqua, le cere svolgono un importante funzione di rivestimento protettivo ed impermeabilizzante Le penne degli uccelli La cuticola sulle foglie 3) Le api le usano per costruire le pareti degli alveari 2) Conferiscono lucentezza ai frutti (mele, pere, ciliegie)

20 LIPIDI: I FOSFOLIPIDI I fosfolipidi sono formati da due molecole di acidi grassi, una molecola di glicerolo e un gruppo fosfato (legato a un gruppo di atomi polare). Il fatto che il terzo atomo di carbonio del glicerolo non sia legato ad un acido grasso, ma ad un gruppo PO 4 3 legato a sua volta ad un gruppo polare (R) determina che i fosfolipidi abbiano una doppia natura: idrofila, dalla parte del gruppo fosfato, idrofoba dalla parte idrocarburiche degli acidi grassi.

21 Sono costituiti da: testa idrofila (fosfato, glicerolo) code idrofobe (2 catene degli acidi grassi). FOSFOLIPIDI Principali costituenti delle membrane plasmatiche cellulari (doppio strato lipidico) insieme alle proteine di membrana e al colesterolo.

22 LIPIDI: GLI STEROIDI Un altro tipo di lipidi è dato dagli steroidi, in cui gli atomi di carbonio si legano a formare quattro anelli chiusi e uniti tra loro. Lo steroide più comune è il colesterolo che può essere sintetizzato dalle cellule (origine endogena) o introdotto con la l alimentazione (origine esogena) Il colesterolo svolge funzioni essenziali al metabolismo: costituente delle membrane cellulari delle cellule animali rappresenta la molecola di partenza nella sintesi di un gruppo di ormoni, detti ormoni steroidei, che comprendono gli ormoni sessuali (testosterone, aldosterone, estradiolo) e alcuni ormoni prodotti dalle ghiandole surrenali ed altri ormoni steroidei (es. cortisolo) precursore della vitamina D (importante per la crescita ossea e dei denti) composto di partenza per la sintesi degli acidi biliari (prodotti dal fegato).

23 PROTEINE Caratteristiche: sono catene (polimeri) di amminoacidi sono il più abbondante materiale biologico negli organismi animali sono essenziali per la struttura e le funzioni degli esseri viventi Le informazioni per la costruzione delle proteine sono contenute nei geni, cioè nelle sequenze di DNA. Funzioni: Strutturale Es. tubulina e actina sono proteine del citscheletro cheratina forma i capelli collagene componente di pelle, tendini, legamenti proteine della seta ragnatela Contrazione Es. actina e miosina contrazione muscolare Riserva ovalbumina, nell uovo, ha funzione di riserva per l embrione Recettoriale recepiscono i segnali inviati dalle cellule Enzimatica Es. enzimi digestivi facilitano la digestione degli alimenti Trasporto Es. emoglobina trasporta ossigeno ed anidride carbonica nei globuli rossi del sangue Segnale di comunicazione tra le cellule ormoni, fattori di crescita Difesa immunitaria Es. anticorpi combattono le infezioni

24 PROTEINE Gli amminoacidi sono i monomeri che formano le proteine. Un aminoacido è un composto chimico caratterizzato da un gruppo amminico ( NH 2 ), un gruppo carbossilico ( COOH) ed un gruppo di atomi (gruppo R) specifico per ogni aminoacido. Il carbonio centrale è legato anche a un atomo di idrogeno (H). La specie umana è in grado di sintetizzare solo alcuni di questi amminoacidi; 8 amminoacidi sono detti essenziali perché devono essere assunti con la dieta, ingerendo vegetali o carne di animali.

25 8. Gli amminoacidi e la formazione del legame peptidico Gli amminoacidi sono tenuti insieme mediante un legame peptidico: esso si forma tra il gruppo carbossilico di un amminoacido ed il gruppo amminico dell amminoacido successivo accompagnato dalla perdita di una molecola di acqua (H 2 O). La formazione del legame peptidico è una reazione di condensazione.

26 PROTEINE In natura, esistono 20 amminoacidi diversi.

27 PROTEINE: STRUTTURA La forma della proteina è importante per svolgere la sua funzione. Il riscaldamento, o una variazione del ph, provoca la perdita della forma (denaturazione) e la perdita della funzione delle proteine. Struttura primaria: sequenza di amminoacidi che forma una catena polipeptidica. Struttura secondaria: catena polipetidica si ripiega a formare struttura ad -elica o struttura a foglietti. Struttura terziaria: catena polipetidica può essere lineare (proteina fibrosa) o avvolgersi su se stessa assumendo una forma quasi sferica (proteina globulare). Struttura quaternaria: associazione di più catene polipetidiche. Es. emoglobina (proteina presente nei globuli rossi, con funzione di trasporto dell ossigeno nel sangue).

28 PROTEINE La struttura primaria delle proteine Le proteine differiscono per il numero di amminoacidi che le costituiscono e per la loro sequenza, cioè l ordine con cui sono assemblate. Ogni proteina ha una diversa struttura primaria che determina la forma tridimensionale della molecola. Dalla forma delle proteine dipende la funzione che esse svolgono.

29 PROTEINE La sequenza di amminoacidi che forma la struttura primaria determina, in conseguenza dei legami idrogeno che si formano tra di loro, dei ripiegamenti caratteristici che ne condizionano la struttura secondaria. A causa delle interazioni tra i gruppi R dei diversi amminoacidi, la struttura secondaria può ancora ripiegarsi a costituire la struttura terziaria di alcune proteine. Infine, molte proteine sono formate da più catene di amminoacidi legate tra loro, che nel loro insieme rappresentano la struttura quaternaria.

30 PROTEINE La struttura secondaria può ripiegarsi e determinare la complessa struttura terziaria di alcune proteine. Grazie a questi ripiegamenti, le proteine formano delle «nicchie» chiamate siti. Come la serratura di una porta che viene aperta da una sola chiave, il sito di una proteina è in grado di «accogliere» un unico tipo di molecola o di atomo. Si tratta di una proprietà fondamentale in molti processi biologici.

31 Caratteristica peculiare del DNA è la sua lunghezza. Per contenere l informazione genetica una molecola di DNA deve necessariamente essere costituita da molti nucleotidi. Gli acidi nucleici interagiscono con altri tipi di biomolecole dando origine a strutture molecolari spesso estremamente complesse, come ad esempio la cromatina nucleare e i ribosomi. ACIDI NUCLEICI: DNA, RNA Gli acidi nucleici sono lunghi polimeri lineari che contengono, trasportano e decifrano l informazione genetica. Gli acidi nucleici sono costituiti da un gran numero di nucleotidi legati l uno all altro mediante legami covalenti. Le molecole di DNA si trovano in forma di doppia elica, mentre le molecole di RNA sono in genere a singolo filamento.

32 ACIDI NUCLEICI Le unità monomeriche degli acidi nucleici sono i nucleotidi. Un singolo nucleotide è composto da: - uno zucchero (desossiribosio nel DNA, ribosio nell RNA); (desossiribosio= senza il gruppo ossidrilico sull atomo di carbonio in posizione2 ) -un gruppo fosforico; - una base azotata (purina o pirimidina). La base azotata è legata allo zucchero tramite un legame N-glicosidico. nucleotide

33 Le basi azotate dei nucleotidi Le basi presenti nel DNA sono le purine adenina (A) e guanina (G), e le pirimidine citosina (C) e timina (T). Basi puriniche e pirimidiniche presenti negli acidi nucleici

34 ACIDI NUCLEICI Negli acidi nucleici i nucleotidi sono uniti l uno all altro mediante legami di tipo fosfodiestere. Il gruppo 3 OH di un nucleotide si lega con il gruppo fosforico al 5 del nucleotide adiacente. Scheletri dei polimeri lineari di DNA ed RNA

35 Il DNA (acido desossiribonucleico) Il DNA si trova all interno del nucleo e contiene l informazione genetica. Il DNA è fatto da due catene di nucleotidi tenute assieme da deboli legami idrogeno fra coppie di basi azotate appaiate. Le due catene si avvolgono a formare la doppia elica, del diametro di 20 Å. lo zucchero pentoso del DNA è il desossiribosio; le basi azotate presenti nel DNA sono la guanina, l adenina, la citosina e la timina; lo scheletro idrofilo zucchero-fosfato si trova all esterno, mentre le basi azotate sono disposte all interno originando un nucleo idrofobico; in questa struttura, l adenina (A) si appaia con la timina (T) e la guanina (G) con la citosina (C). Da: Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

36 L RNA convoglia le informazioni codificate nei geni dal DNA ai ribosomi per la sintesi proteica. Differenze rispetto al DNA: L RNA (acido ribonucleico) Analogamente al DNA, è un lungo polimero lineare formato dalla successione di ribonucleotidi uniti mediante legami fosfodiestere. 1) I nucleotidi dell RNA sono allineati lungo un unico filamento (invece che in struttura a doppia elica). 2) Lo zucchero pentoso dell RNA è il ribosio. 3) Le basi azotate presenti nell RNA sono la guanina, l adenina, la citosina e l uracile (anziché timina). Da: Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

37 ALTRA MOLECOLA BIOLOGICA: adenosin-trifosfato (ATP) Diversa dalle precedenti per funzioni, ma ha struttura molecolare parzialmente simile a quella degli acidi nucleici

38 L ATP è il trasportatore di energia delle cellule L ATP (adenosin-trifosfato) è un nucleotide composto da tre parti: la base adenina; lo zucchero pentoso ribosio; tre gruppi fosfato legati tra loro da legami covalenti. Da: Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

39 L ATP è il trasportatore di energia delle cellule L ATP è una molecola ad alta energia: la rottura dei legami covalenti dei due gruppi fosfato più esterni da parte di un enzima (idrolisi) libera infatti molta energia. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

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