Costituzione dei viventi

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1 Costituzione dei viventi La materia e costituita da elementi chimici in forma pura o in combinazioni dette composti 25 dei 92 elementi naturali sono costituenti essenziali dei viventi 4 (C, O,, N) costituiscono oltre il 96% della materia vivente 7 (Ca,P,K,S,Na,Cl,Mg) costituiscono quasi il 4% 14(B,Cr,Co,Cu,F,I,Fe,Mn,Mo,Se,Si,Sn,V,Zn)%<0,01 : oligoelementi MACROMOLECOLE

2 I composti organici e i loro polimeri La diversità molecolare della vita è basata sulle proprietà del carbonio Un atomo di carbonio può formare quattro legami covalenti. Questi legami gli permettono di formare composti organici (grandi molecole, molto diverse tra loro). Formula di struttura Modello a sferette e bastoncini Modello a spazio pieno C Metano C I quattro legami semplici del carbonio determinano i vertici di un tetraedro

3 In una molecola organica, i gruppi funzionali sono i gruppi di atomi che partecipano alle reazioni chimiche. Si tratta di gruppi particolari di atomi che conferiscono proprietà particolari alle molecole organiche e ne determinano le caratteristiche chimiche Molecole in cui si trovano - Zuccheri, alcune vitamine - Amminoacidi, acidi grassi, alcune vitamine - Amminoacidi, urea - Alcuni zuccheri - Alcuni zuccheri, corpi chetonici - Nucleotidi, ATP, molecole fosforilate

4 MACROMOLECOLE Le macromolecole sono polimeri di grandi dimensioni Polimeri: monomeri legati covalentemente + = I monomeri: tutti uguali / diversi, ma simile struttura chimica Funzioni strutturali, di deposito d energia, catalisi, trasporto, difesa, regolazione, movimento e deposito d informazione 4 classi principali di molecole biologiche: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. Costituzione delle macromolecole Monomero Polimero semplice Macromolecola Amminoacido Peptide Polipeptide (proteina) Nucleotide Oligonucleotide Acido Nucleico (DNA, RNA) Monosaccaride Oligosaccaride Polisaccaride (carboidrato)

5 MACROMOLECOLE Una reazione di condensazione lega fra loro monomeri (con un legame covalente) a formare un polimero con l eliminazione di una molecola d acqua Una reazione di idrolisi rompe un legame covalente e stacca un monomero da un polimero utilizzando una molecola d acqua

6 MACROMOLECOLE: I CARBOIDRATI Zuccheri e polimeri di zuccheri I carboidrati contengono soprattutto atomi di C legati ad atomi di ed a gruppi ossidrile O (formula minima C 2 O) anno funzione di deposito di energia e strutturale Quattro categorie: MONOSACCARIDI monomeri (glucosio, ribosio, fruttosio,, gli zuccheri semplici. Triosi, pentosi, esosi.) DISACCARDI (due unita monosaccaridiche unite covalentemente, saccarosio, maltosio, lattosio) OLIGOSACCARIDI (3-20 unita di monosaccaridi) POLISACCARIDI (amido, cellulosa, glicogeno,costituiti da centinaia o migliaia di unità monosaccaridiche)

7 In genere i monosaccaridi presentano formule grezze che sono multipli di C 2 O. Caratteristiche proprie degli zuccheri sono la presenza di: Gruppi ossidrilici (-O) -- caratteristiche alcoliche; un gruppo carbonilico (>C=O) -- caratteristiche aldeidiche o chetoniche. I monosaccaridi possono anche presentarsi sotto forma di strutture ad anello (più stabili in condizioni fisiologiche). 4C O 6 C 2 5CO O C 2 O O C 1 O O O O O 3C C2 O O Formula di struttura Formula semplificata O Struttura semplificata

8 I monosaccaridi glucosio e fruttosio sono isomeri. Queste molecole contengono gli stessi atomi ma in disposizioni differenti. Esempi di monosaccaridi: Glucosio Fruttosio Galattosio Ribosio

9 LEGAME GLICOSIDICO DISACCARIDI legame α: la molecola che si lega col C1 e alpha 1,4-α: il C1 alpha del primo glucosio lega il C4 del secondo legame β : la molecola che si lega col C1 e beta 1,4-β: il C1 beta del primo glucosio lega il C4 del secondo - Molti mammiferi possono idrolizzare il maltosio ma non il cellobiosio

10 GLICOGENO -Polisaccaride di riserva degli animali. Granuli nel fegato e muscolo -Polimero ramificato del glucosio. Legami glicosidici prevalentemente α-1,4, legami α 1,6 nelle ramificazioni.

11 AMIDO -Polisaccaride di riserva delle piante. Granuli nelle radici e nei semi. - Formato da due tipi di polimeri del glucosio: - Amilosio: non ramificato. Legami α-1,4. - Amilopectina: ramificato. Legami α-1,4 e α 1,6. Simile al glicogeno, ma meno ramificato.

12 CELLULOSA - Polisaccaride strutturale delle piante. Costituente delle pareti cellulari in forma di fibrille. - Polimero non ramificato del glucosio. Molecole lineari parallele unite tra loro da legami a idrogeno. - Legami β 1,4.

13 MACROMOLECOLE: I LIPIDI Composti idrocarburici (C+) Molecole insolubili in acqua (in presenza di acqua tendono ad riunirsi tra loro in aggregati macromolecolari). Apolari, idrofobiche. Ruoli: riserva di energia, strutturali, costituenti di ormoni e pigmenti, isolante termico ed elettrico, protezione Categorie principali: Grassi ed oli Fosfolipidi Carotenoidi e steroidi Alcune vitamine Cere

14 I LIPIDI - Trigliceridi Lipidi semplici, riserva di energia in grasso animale e semi Trigliceridi solidi a 20 o C = Grassi; Trigliceridi liquidi a 20 o C = Oli Sono esteri formati a partire da una molecola di glicerolo (piccolo alcool con tre gruppi -O) unita a tre molecole di acidi grassi (lunga catena idrocarburica con un gruppo carbossilico polare)

15 I LIPIDI - Trigliceridi Diversi tipi di acidi grassi possono costituire diversi tipi di trigliceridi Acidi grassi SATURI, CATENA DRITTA Es.: C 3 -C 2 -C 2 -C 2 -COO Acidi grassi INSATURI, CATENA PIEGATA in corrispondenza dei DOPPI LEGAMI Es.: C 3 -C=C-C 2 -COO Acidi grassi monoinsaturi (1 solo doppio legame) Acidi grassi polinsaturi (piu doppi legami)

16 I LIPIDI - Fosfolipidi Costituiti da glicerolo, esterificato con due acidi grassi, con il terzo -O legato ad un acido fosforico, a sua volta legato ad un altro composto piu o meno polare E.g. FOSFATIDILCOLINA ANFIPATICI: Il gruppo fosfato ha carica elettrica negativa, quindi i fosfolipidi hanno due code apolari idrofobe ed una testa polare idrofilica -> in acqua micelle/doppio foglietto

17 I LIPIDI - Carotenoidi e steroidi I carotenoidi e gli steroidi sono sintetizzati a partire da molte unità di isoprene. Sono composti colorati che possono assorbire l energia luminosa (pigmenti fotosintesi e pigmenti visione) Gli steroidi sono composti ciclici con strutture a più anelli fusi cui sono legati diversi gruppi funzionali Importanti come molecole segnale, ormoni (testosterone, estrogeni, cortisolo, ecc.) Il colesterolo, costituente delle membrane, puo essere assorbito dagli alimenti e poi convertito in altri steroidi

18 I LIPIDI - Cere Le cere sono esteri di un acido grasso a lunga catena con un alcool saturo a lunga catena ACIDO GRASSO legame estere ALCOL Sono composti: - molto apolari, - insolubili, - formano rivestimenti idrorepellenti (foglie e insetti).

19 MACROMOLECOLE: LE PROTEINE Le proteine sono essenziali per la struttura e le funzioni degli organismi viventi, sono coinvolte in quasi tutte le attività di una cellula. Polimeri di amminoacidi, costituite da 20 tipi diversi di amminoacidi. Enormi differenze per struttura e funzione tra le proteine. Questa diversità è basata sulle differenti disposizioni in cui si assemblano i monomeri. 7 funzioni: STRUTTURALI CONTRATTILI RISERVA DIFESA SEGNALE (ormoni e recettori) TRASPORTO ENZIMI

20 Ogni amminoacido contiene: un gruppo amminico; un gruppo carbossilico; un gruppo R, la regione variabile che determina le proprietà specifiche di ciascuno dei 20 diversi amminoacidi. Alifatici Aromatici Polari non carichi Carichi + Carichi - AMMINOACIDI Gruppo amminico N C R C O O Gruppo (acido) carbossilico

21 AMMINOACIDI: IL LEGAME PEPTIDICO Le cellule legano tra loro gli AA tramite reazioni di condensazione. I legami covalenti tra i monomeri di amminoacidi sono detti legami peptidici. Direzionalità N-term -> C-term Gruppo carbossilico Gruppo amminico Legame peptidico N C C O + N C C O Reazione di condensazione O N C C N C C O R O R O 2 O R R O Amminoacido Amminoacido Dipeptide Figura 3.13

22

23 STRUTTURA DELLE PROTEINE STRUTTURA PRIMARIA: sequenza amminoacidica Sequenza: successione di specifici amminoacidi 20x20 dipeptidi possibili, 20 3 (8000) tripeptidi, il numero di proteine possibili e incalcolabile. La sequenza delle proteine ne determina le capacità di assumere determinate forme nello spazio e quindi di svolgere specifiche funzioni STRUTTURA SECONDARIA: modalità di ripiegamento della catena polipeptidica in strutture regolari e ripetute, stabilizzate da legami idrogeno Alpha elica, spirale destrorsa stabilizzata da legami idrogeno tra N- di un residuo amminoacidico e C=O del quarto residuo amminoacidico successivo. Struttura a bastoncino. Foglietto Beta a pieghe, si forma per interazione di due catene accostate, anche facenti parte di polipeptidi differenti.

24 STRUTTURA DELLE PROTEINE STRUTTURA TERZIARIA: ripiegamento complessivo della catena nello spazio 3D Stabilizzata da ponti disolfuro, interazioni idrofobiche, legami ionici e forze di Van der Waals BETA BARREL STRUTTURA QUATERNARIA: organizzazione in subunità

25 MACROMOLECOLE: GLI ACIDI NUCLEICI DNA, acido desossiribonucleico RNA, acido ribonucleico I NUCLEOTIDI Un nucleotide e formato da: uno ZUCCERO PENTOSO (a 5 atomi di Carbonio) che puo essere il RIBOSIO (nell RNA) o il DESOSSIRIBOSIO (nel DNA) una BASE AZOTATA (C, T, U, A o G) un gruppo fosfato

26 MACROMOLECOLE: GLI ACIDI NUCLEICI I nucleotidi svolgono anche altri ruoli importanti nelle cellule: ATP trasduttore di energia nelle reazioni biochimiche

27 Un polinucleotide: condensazione nuceotidi. Il gruppo fosfato di un nucleotide si lega allo zucchero del nucleotide successivo (legame fosfodiesterico) --- scheletro zucchero-fosfato con le basi azotate collocate all esterno di questa impalcatura. Nucleo tide T C A G Il DNA è formato da due polinucleotidi avvolti uno sull altro in una doppia elica. C C G A G C T T L RNA è invece costituito da un unico filamento polinucleotidico. T C Coppia di basi A G A A T T Scheletro zucchero-fosfa T A A G A T T C

28 MACROMOLECOLE: GLI ACIDI NUCLEICI La successione lineare dei nucleotidi attaccati allo scheletro zucchero-fosfato caratterizza uno specifica molecola di DNA o RNA e ne costituisce la sequenza Nel DNA si ritrovano A, C, T e G Nell RNA si ritrovano A, C, U e G

29 MACROMOLECOLE: GLI ACIDI NUCLEICI Deposito, la trasmissione e l utilizzazione dell informazione genetica (ma anche catalisi struttura 3D) Il materiale genetico che gli organismi ereditano dai loro genitori è costituito dal DNA. Geni, specifici segmenti della molecola che codificano per le sequenze degli amminoacidi che formano le proteine. Il Dogma Centrale della Biologia

30 GLI ACIDI NUCLEICI - DNA Le funzioni degli acidi nucleici sono strettamente ricollegate al PRINCIPIO DELL APPAIAMENTO COMPLEMENTARE DELLE BASI Nel DNA A DOPPIA ELICA si appaiano sempre tra loro Adenina e Timina (AT) e Citosina e Guanina (CG) per ragioni geometriche (di ingombro sterico e capacità di formare legami idrogeno)

31 GLI ACIDI NUCLEICI - RNA Nell RNA lo zucchero pentoso e il ribosio ed al posto della Timina si ritrova l Uracile (U) La principale funzione dell RNA è di tipo informazionale, e risiede nel trasferimento di informazione dal DNA alle proteine Molecole di RNA possono ripiegarsi grazie all appaiamento delle basi complementare ed assumere forme specifiche nello spazio 3D Esistono RNA con funzione catalitica e con altre funzioni molecolari

32 GLI ACIDI NUCLEICI - RNA Oltre all mrna (RNA messaggero) che contiene l'informazione per la sintesi delle proteine, esistono molti altri tipi di RNA non codificanti (prodotti da geni che non codificano alcuna proteina): rrna (RNA ribosomale), che entra nella struttura dei ribosomi; trna (RNA transfer) necessario per la traduzione nei ribosomi. Altri RNA non coinvolti direttamente nella sintesi proteica: microrna, regolano l espressione genica; RNA catalitici, catalizzano specifiche reazioni biochimiche (ribozimi) RNA lunghi non codificanti con diverse funzioni regolatrici

33 Le biomolecole possono interagire tra loro e formare complesse molecole miste Nelle cellule, le proteine interagiscono tra di loro formando molecole complesse, con funzioni specifiche: glicoproteine (fanno parte delle membrane cellulari); glicolipidi (svolgono funzioni simili alle glicoproteine); nucleoproteine (regolano la duplicazione e la trascrizione del DNA); lipoproteine (regolano il trasporto dei lipidi nel sangue).

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