La Chimica della Vita

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1 La Chimica della Vita

2 I componenti chimici delle cellule Nell atomo il numero di elettroni è uguale al numero di protoni del suo nucleo. Il nucleo dei diversi isotopi di uno stesso elemento contiene lo stesso numero di protoni, ma un numero diverso di neutroni. Nelle cellule viventi è presente un numero ridotto di elementi, quattro dei quali (C, H, N, 0) rendono conto del 96,5% della sua massa.

3 0,2 = nm (5 milioni in fila per fare 1mm) (o neutrone) = 1/6 x grammi

4 Rosa (4 elementi) = 99% del numero totale di atomi presenti nel corpo umano Azzurro (7 elementi) = 0.9% del totale Verde (11 elementi) = necessari in tracce Giallo (3 elementi) = non chiaro se necessari

5 Le molecole Si ha un legame chimico quando una forza di natura elettrostatica tiene uniti più atomi in una molecola o in un cristallo (legami forti, o intramolecolari) o più molecole in una sostanza allo stato condensato (legami deboli, o intermolecolari). Si definisce molecola (dal latino scientifico "molecula", derivato a sua volta da "moles": mole, "piccola quantità") la più piccola unità strutturale di un composto chimico non ionico che può esistere allo stato libero e che ne mantiene le medesime proprietà chimiche. Può essere monoatomica, cioè costituita da un solo atomo (è il caso dei cosiddetti gas nobili elio, argon, xeno, neon) e metalli, o poliatomica, cioè costituita da più atomi, uguali o diversi. Una molecola poliatomica è elettricamente neutra ed è formata da atomi uniti da legami covalenti; a causa di ciò, i rapporti tra i numeri degli atomi degli elementi che la costituiscono sono espressi da numeri interi. La formula bruta di un composto molecolare altro non è che l'elenco degli elementi che formano la molecola e dell'abbondanza relativa di ognuno di essi. Molecole costituite dagli stessi atomi, ma disposti nello spazio in maniera diversa sono dette isomeri.

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9 Legame covalente polare Gli elettroni sono condivisi in modo ineguale Molecola polare dell acqua δ + carica parziale positiva δ - carica parziale negativa Molecola dell ossigeno legame covalente apolare

10 LEGAMI NON COVALENTI H2O costituisce il 70% del peso corporeo La maggior parte delle reazioni avviene in acqua La vita dipende dalle proprietà dell acqua Senza i legami idrogeno tra molecole di H2O non esisterebbe la vita Molecola idrofila= legami covalenti polari o ionici, in grado di formare con acqua ponti idrogeno Molecolare idrofoba= solo legami covalenti apolari

11 I componenti chimici delle cellule Gli organismi viventi contengono una serie limitata ma peculiare di piccole molecole a base di carbonio, che è sostanzialmente la stessa in tutte le specie. Si possono suddividere in varie categorie: zuccheri, acidi grassi, aminoacidi e nucleotidi. Gli zuccheri costituiscono la fonte primaria di energia chimica per la cellula e possono essere incorporati in polisaccaridi come riserve energetiche. Anche gli acidi grassi hanno un ruolo importante come riserve energetiche, ma svolgono la loro funzione essenziale come costituenti delle membrane cellulari.

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13 Composizione chimica di una cellula batterica Percentuale della massa totale della cellula Numero di tipi per ogni specie molecolare Acqua 70 1 Ioni inorganici 1 20 Zuccheri e precursori Aminoacidi e precursori 0,4 100 Nucleotidi e precursori 0,4 100 Acidi grassi e precursori 1 50 Altre piccole molecole 0,2 Circa 300 Macromolecole (proteine, acidi nucleici e polisaccaridi) 26 Circa 3000

14 Formula di struttura ZUCCHERI MONOMERI=MONOSACCARIDI GLUCOSIO Modello a sedia H=bianco O=rosso C=nero Modello a bastoncini Modello globulare, grandezza relativa e superficie

15 LEGAME COVALENTE GLICOSIDICO

16 Gli acidi grassi Dalla loro demolizione si ricava sei volte l energia che si ricava dal glucosio Si accumulano nel citoplasma sotto forma di goccioline di triacilgliceroli L impiego più importante è come materiale strutturale per le membrane (formate in gran parte da fosfolipidi)

17 I triacilgliceroli Tre catene di acido grasso unite ad una molecola di glicerolo

18 I fosfolipidi Glicerolo unito a due catene di acido grasso ed ad un gruppo fosfato idrofilico che si unisce con un composto idrofilico come la colina

19 20 aminoacidi con una catena laterale diversa Le cellule usano gli aminoacidi per formare le proteine A ph7 gli aminoacidi si trovano in forma ionizzata che però scompare quando gli aminoacidi si uniscono in catene (polipeptidi) I polipeptidi hanno una polarità strutturale (gruppo amminico, gruppo carbossilico)

20 Le cellule uniscono gli aminoacidi per formare le proteine con legami covalenti La versatilità delle proteine dipende dalla catena laterale Alcuni aminoacidi hanno catene laterali capaci di formare ioni in soluzione (ac. glutammico, lisina) e quindi di avere carica elettrica Alcuni aminoacidi hanno catene laterali neutre, alcuni polari e idrofilici, altri apolari e idrofobici Le catene laterali degli aminoacidi (le loro caratteristiche strutturali) stanno alla base di tutte le funzioni delle proteine

21 1. Il nucleoside è una molecola formata da due elementi, un composto con anello azotato (base) ed uno zucchero a cinque atomi di carbonio (ribosio o deossiribosio). 2. Un nucleoside dotato di uno o più gruppi fosfato legati allo zucchero si chiama nucleotide. 3. Adenosintrifosfato (ATP) è un nucleotide (subunità d DNA e RNA) la cui reattività dipende dai gruppi fosfato laterali 4. Partecipa al trasferimento di energia di centinaia di reazioni cellulari 5. Viene sintetizzato per mezzo di reazioni alimentari dall energia che si libera nella degradazione ossidativa delle sostanze nutritive 6. I suoi tre fosfati sono legati mediante due legami fosfoanidride la cui rottura libera grandi quantità di energia utilizzabile

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23 1. Gli acidi nucleici sono costituti da nucleotidi legati covalentemente da un legame fosfodiestere tra il gruppo fosfato attaccato allo zucchero di un nucleotide ed il gruppo ossidrilico dello zucchero successivo 2. Ci sono due tipi di acidi nucleici che differiscono per lo zucchero che compare nel loro scheletro: acido desossiribonucleico (DNA, acido ribonucleico (RNA) 3. Il DNA contiene le basi A, C, G, T, è costituito da due catene antiparallele (doppio filamento) associate grazie a legami idrogeno tra le basi delle due catene 4. L RNA contiene le basi A, C, G, U, singola catena polinucleotidica

24 I componenti chimici delle cellule La massa secca di una cellula (cioè escludendo l'acqua) consiste in massima parte di macromolecole, che sono polimeri di zuccheri, aminoacidi o nucleotidi. Le macromolecole presentano dimensioni e complessità intermedie rispetto alle molecole piccole ed agli organelli cellulari. Le macromolecole mostrano molte proprietà notevoli che non si deducono facilmente dalle subunità di cui sono formate. Polimeri di aminoacidi formano quelle macromolecole tanto diversificate e versatili che sono note come proteine. I nucleotidi svolgono un ruolo centrale nei trasferimenti energetici e sono le subunità costitutive delle macromolecole vettrici di informazione genetica, il DNA e I'RNA.

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27 1. Ogni polimero si allunga aggiungendo un nuovo monomero all estremità di un catena polimerica in crescita mediante una reazione di condensazione (una molecola di acqua viene eliminata ogni condensazione) 2. In tutti i casi le reazioni sono catalizzate da enzimi che garantiscono l incorporazione dei monomeri giusti 3. Una catena polimerica viene montata secondo una precisa sequenza delle subunità 4. Le funzioni biologica di acid nucleici, proteine e gran parte dei polisaccardii dipende rigidamente dalla sequenza specifica delle subunità che formano la catena 5. La possibilità di variare i monomeri rende possibile una diversificazione enorme (per una proteina lunga 200 aminoacidi esistono combinazioni possibili, per una molecola di DNA lunga nucleotidi con 4 diversi nucleotidi ci sono combinazioni possibili)

28 I legami non covalenti definiscono la forma di una macromolecola 1. legami ionici 2. legami idrogeno 3. attrazione di van der Waals, forza elettrica dovuta a fluttuazioni di carica che insorgono quando gli atomi sono vicinissimi l uno all altro 4. Interazione idrofobica nasce dalla struttura tridimensionale dell acqua che obbliga i gruppi idrofobici a confluire per rendere minimo l effetto di disturbo sulla rete di legami idrogeno delle molecole di acqua

29 I legami covalenti e non differiscono per forza e lunghezza di legame Tipo di legame Lunghezza (mm) Forza (kcal/mole) Nel vuoto Nell acqua Covalente 0,15 90 (337) 90 (337) Ionico 0,25 80 (335) 3 (12,6) Idrogeno 0,304 (16,7) 1 (4,2) Attrazioni di van del Waals 0,35 0,1 (0,4) 0,1 (0,4) I valori tra parentesi sono kj/mol. 1 caloria = 4,184 joule

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31 I componenti chimici delle cellule Le macromolecole vengono sintetizzate come polimeri di subunità attraverso reazioni di condensazione ripetute. Sono molto diversificate tra loro perché ogni tipo ha una sequenza particolare di subunità. Le macromolecole si ripiegano su se stesse a causa di legami deboli non covalenti tra diverse regioni della catena che le forma, e assumono così forme tridimensionali loro proprie che determinano un particolare comportamento chimico: le proteine sono l'esempio più lampante di questo fenomeno.

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34 DNA e cromosomi La vita si basa su informazioni generiche immagazzinate in modo stabile e compatto. L informazione genetica è veicolata da molecole lunghissime di DNA e codificata in una sequenza lineare dei nucleotidi A, T, G e C. Ogni molecola di DNA ha la forma di una doppia elica, composta da un paio di catene nucleotidiche complementari tenute insieme da legami idrogeno, che accoppiano la base G alla base C e la base A alla base T. Ogni catena (filamento) di DNA possiede una polarità chimica dovuta al legame tra zucchero e fosfato alternati nella sua ossatura. I due filamenti della doppia elica di DNA decorrono antiparalleli, cioè in senso opposto l uno all altro.

35 1. Gli acidi nucleici sono costituti da nucleotidi legati covalentemente da un legame fosfodiestere tra il gruppo fosfato attaccato allo zucchero di un nucleotide ed il gruppo ossidrilico dello zucchero successivo 2. Ci sono due tipi di acidi nucleici che differiscono per lo zucchero che compare nel loro scheletro: acido desossiribonucleico (DNA), acido ribonucleico (RNA) 3. Il DNA contiene le basi A, C, G, T, è costituito da due catene antiparallele (doppio filamento) associate grazie a legami idrogeno tra le basi delle due catene 4. L RNA contiene le basi A, C, G, U, singola catena plinucleotidica

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37 Le basi complementari si appaiano (A e T; C e G) e stanno all interno della doppia elica Energeticamente favorevole Le due ossature zucchero fosfato mantengono sempre la stessa distanza (stesso ingombro AT e CG) I filamenti sono antiparalleli (polarità opposta) questo permette l esatta complementarietà della sequenza nucleotidica Per indicare la polarità del DNA si chiama una delle estremità terminale 3 e l altra terminale 5

38 DNA e cromosomi La vita si basa su informazioni generiche immagazzinate in modo stabile e compatto. L informazione genetica è veicolata da molecole lunghissime di DNA e codificata in una sequenza lineare dei nucleotidi A, T, G e C. Ogni molecola di DNA ha la forma di una doppia elica, composta da un paio di catene nucleotidiche complementari tenute insieme da legami idrogeno, che accoppiano la base G alla base C e la base A alla base T. Ogni catena (filamento) di DNA possiede una polarità chimica dovuta al legame tra zucchero e fosfato alternati nella sua ossatura. I due filamenti della doppia elica di DNA decorrono antiparalleli, cioè in senso opposto l uno all altro.

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41 Come si legge in DNA (come un testo qualsiasi)

42 Espressione genica processo che porta alla sintesi di una proteina partendo dal DNA

43 Il corredo completo di informazioni che si trova nel DNA si chiama genoma (più di 1000 libri di 1000 pagine l uno) Sequenza di un solo filamento (globina) in giallo la sequenza che codifica per gli aminoacidi della proteina

44 I cromosomi di molti eucarioti contengono intercalata fra i geni una quantità enorme di DNA che non sembra contenere informazioni indispensabili (junk DNA) Il genoma umano è 200 volte quello di lievito, 30 volte minore di quello di alcune piante, 200 volte minore di certe specie di amebe L uomo ha 46 cromosomi, una specie di cervidi ne ha solo 6, una certa specie di carpa più di 100

45 Figure 5-22 (part 1 of 2) Essential Cell Biology ( Garland Science 2010)

46 Figure 5-22 (part 2 of 2) Essential Cell Biology ( Garland Science 2010)

47 Figure 5-22 Essential Cell Biology ( Garland Science 2010)

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51 Le alterazioni delle code istoniche attraggono e legano proteine specifiche a particolari tratti di cromatina condensando o facilitando l accesso al DNA (messaggio: replicare o non replicare tratti d DNA)

52 Ogni istone ha un certo numero di molecole diverse che possono modificarlo formando un legame covalente (gruppo acetilico (Ac), gruppo meitlico (Me) o un fosfato (Pi)

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54 1 CROMATIDIO=1 DOPPIA ELICA DI DNA Paterno Materno PRIMA DELLA REPLICAZIONE (2n, diploidia) COPPIE DI CROMATIDI OMOLOGHI NON IDENTICI NON FRATELLI Chr 2 Chr 2 DOPO LA REPLICAZIONE (4n) COPPIE DI CROMOSOMI OMOLOGHI NON IDENTICI NON FRATELLI. CIASCUN CROMOSOMA CONTIENE DUE CROMATIDI FRATELLI, IDENTICI FRATELLI NON FRATELLI

55 I cromosomi mitotici sono condensati, i cromosomi interfasici sono decondensati

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