La composizione dei viventi I viventi sono costituiti per il 96,3% dai quattro elementi primari indispensabili:,,, ; per il 3,7% dagli elementi secondari indispensabili: a, Mg, P, S, l, K, a. Lo 0,01 è rappresentato dagli oligoelementi. Questi elementi si trovano combinati a formare vari composti. I composti dei viventi si possono così classificare: MPSTI IRGAII acqua sali minerali MPSTI DEI VIVETI proteine MPSTI RGAII lipidi carboidrati I composti inorganici acidi nucleici L acqua nei viventi L acqua è il componente più abbondante negli esseri viventi e costituisce il solvente o la fase disperdente per tutte le altre sostanze. Permanendo allo stato liquido nelle normali condizioni ambientali, l acqua permette il movimento e l interazione delle sostanze in essa disciolte o disperse. La molecola dell acqua ( - ) L elevata elettronegatività dell ossigeno fa si che gli elettroni condivisi orbitano più a lungo attorno all ossigeno, che perciò presenta una parziale carica negativa. Viceversa, si ha sull idrogeno una parziale carica positiva (legame covalente polare). Poiché i legami formano un angolo di circa 105, la molecola d acqua si comporta come un dipolo elettrico. La polarità dei legami permette l instaurarsi di una forza di attrazione elettrostatica tra l atomo di idrogeno di una molecola e l atomo di ossigeno di un altra molecola. Tale forza costituisce un legame intermolecolare chiamato legame idrogeno che determina la coesione tra le molecole dell acqua. gni molecola d acqua può legare sino a quattro altre molecole d acqua. Le proprietà dell acqua ( - ) Grazie alla presenza dei legami idrogeno, le molecole d acqua hanno un elevata capacità di restare unite tra di loro (coesione); tale caratteristica è all origine del fenomeno della tensione superficiale che permette a piccoli organismi di camminare sull acqua. La tensione superficiale rappresenta la forza con cui le molecole sulla superficie di un liquido sono attratte verso l'interno, facendo sì che lo strato superficiale si comporti come una sottile pellicola elastica. ( - )
Le molecole d acqua hanno anche la capacità di aderire a molte sostanze instaurando con esse delle forze di adesione. Tali forze sono all origine del fenomeno della capillarità che facilita la risalita spontanea della linfa nelle piante, contro la forza di gravità. Il legame idrogeno spiega l anomalo comportamento dell acqua, per cui lo stato solido è meno denso dello stato liquido. ello stato solido il legame idrogeno forma legami stabili tra le molecole d acqua e le distanzia. ello stato liquido i legami idrogeno si formano e si rompono continuamente permettendo la mobilità delle molecole; ciò consente anche una maggiore vicinanza tra le molecole. ello stato aeriforme i legami idrogeno non si formano e le molecole si muovono indipendentemente l una dall altra. La capacità del ghiaccio di galleggiare protegge le acque dei laghi e dei mari polari dal congelamento completo, poiché lo strato di ghiaccio agisce anche come isolante termico. iò permette agli organismi acquatici di continuare a vivere anche sotto la superficie ghiacciata. A causa dei legami idrogeno che limitano il movimento delle molecole, l acqua possiede un elevato calore specifico, ovvero occorrono elevate quantità di calore per variare la propria temperatura. L acqua possiede anche un elevato calore di evaporazione, ovvero richiede elevate quantità di calore per rompere i legami idrogeno e poter evaporare. Queste proprietà consentono di stabilizzare la temperatura degli organismi, evitando sbalzi di temperatura che potrebbero alterare la velocità delle reazioni metaboliche o degradare le biomolecole. L acqua è un solvente per sostanze ioniche o polari (sostanze idrofile), mentre non forma soluzioni ma può contenere in sospensione sostanze apolari (sostanze idrofobe) e macromolecole di vario tipo. Tale proprietà è di fondamentale importanza perché negli organismi le molecole e gli ioni devono potersi muovere entro un mezzo fluido per poter interagire. Sostanze ioniche come il cloruro di sodio, o polari come il saccarosio, possono sciogliersi perché i singoli ioni o le molecole vengono attratti elettricamente dalle molecole d acqua. Il buon funzionamento di un organismo dipende anche dalla concentrazione delle varie sostanze presenti in soluzione. L acqua si dissocia in ioni nella misura di una molecola ogni 500 milioni. La presenza di questi ioni e la loro concentrazione relativa permette o facilita molte reazioni chimiche all interno degli organismi. La concentrazione relativa degli + e degli - dipende dalle altre sostanze presenti in soluzione e si esprime attraverso il p. In ogni parte del corpo deve esserci un p adeguato. I sali minerali I Sali minerali sono presenti in gran parte sotto forma di ioni e svolgono importanti funzioni: a ++ P 4 - - - a +, K + omponente delle ossa; contrazione muscolare omponente delle ossa Trasferimento di energia Trasmissione degli impulsi nervosi Fe ++ Trasporto di ossigeno Mg ++ omponente della clorofilla 3 - Regolazione del p
Le biomolecole Si chiamano biomolecole le molecole organiche che costituiscono la materia vivente. Tutte le molecole organiche si basano sulla chimica del carbonio, elemento le cui caratteristiche chimiche consentono la formazione di un numero illimitato di sostanze. Per potersi stabilizzare, il carbonio deve condividere ben quattro coppie di elettroni con altri atomi. Il carbonio si può legare ad atomi di,, e di vari altri elementi, attraverso forti legami covalenti semplici, doppi o tripli. Legame semplice legame doppio Legame triplo La possibilità di formare molecole estremamente complesse, adatte a costituire le strutture viventi, è dovuta alla capacità del carbonio di legarsi ad altri atomi di carbonio. Molecola lineare Molecola ramificata Molecola ciclica 2
I gruppi funzionali Le proprietà chimiche delle biomolecole dipendono dalla presenza di piccoli gruppi di atomi particolarmente reattivi chiamati gruppi funzionali. I principali gruppi funzionali presenti nelle biomolecole sono: - Gruppo alcolico o ossidrilico Permette la formazione di legami idrogeno - Gruppo carbossilico onferisce un carattere acido - 2 Gruppo amminico onferisce un carattere basico Polimeri e monomeri Molecole ancora più grandi e complesse, si formano quando molecole organiche relativamente semplici (i monomeri) si legano in gran numero tra di loro per dare origine ad una macromolecola chiamata polimero. La reazione di formazione di un polimero (polimerizzazione) è una reazione di sintesi; la reazione inversa è una reazione di scomposizione. sintesi scomposizione monomeri polimero elle biomolecole, i monomeri si legano eliminando acqua dai gruppi funzionali posti alle loro estremità. In questo caso la reazione di sintesi prende il nome di condensazione. La reazione inversa, di scomposizione, avviene per addizione di molecole d acqua e si dice idrolisi (scissione ad opera dell acqua). I carboidrati Sono composti da,,, presenti in un rapporto uguale o prossimo a 1:2:1. anno struttura ciclica e contengono più gruppi funzionali che li rendono idrofili. Si dividono in: monosaccaridi disaccaridi polisaccaridi I monosaccaridi sono idrosolubili, hanno sapore dolce e sono formati da molecole a 5 o a 6 atomi di carbonio. Vengono utilizzati dagli organismi per il loro fabbisogno energetico, ma le piante li utilizzano anche come molecole di partenza per la sintesi di altre biomolecole. Spesso hanno identica formula grezza, ma diversa formula di struttura. Sono esempi di monosaccaridi il glucosio ( 6 12 6 ), il fruttosio ( 6 12 6 ), il galattosio ( 6 12 6 ), il ribosio ( 5 10 6 ) ed il desossiribosio( 5 10 5 ).
Il ribosio ed il desossiribosio non sono presenti in forma libera ma sono contenuti nelle molecole dei nucleotidi e degli acidi nucleici. 2 2 2 2 2 2 2 Glucosio ( 6 12 6 ) Fruttosio ( 6 12 6 ) Saccarosio ( 12 22 11 ) I disaccaridi si formano dall unione di due monosaccaridi, con espulsione di una molecola di acqua (reazione di condensazione). Anch essi sono idrosolubili e di sapore dolce. Sono esempi di disaccaridi il saccarosio (glucosio + fruttosio: 12 22 11 ), il lattosio (glucosio + galattosio: 12 22 11 ) ed il maltosio (glucosio + glucosio: 12 22 11 ), I polisaccaridi si formano dall unione di migliaia di monosaccaridi (quasi sempre glucosio) e sono perciò dei polimeri. Sono idrofili ma non idrosolubili, a causa del loro elevatissimo peso molecolare. I principali polisaccaridi sono polimeri del glucosio: la cellulosa, l amido ed il glicogeno. ellulosa: ha funzione strutturale, è presente in tutti i tessuti vegetali, può essere digerita solo da particolari batteri. Amido: è prodotto dai vegetali, può essere facilmente scomposto e ha funzione di riserva energetica. Glicogeno: viene prodotto dagli animali, ha funzione di riserva energetica e si trova soprattutto nelle cellule del fegato e dei muscoli. I lipidi ome i carboidrati, sono composti da,,, ma con una quantità di ossigeno nettamente inferiore; alcuni lipidi contengono anche P. La struttura molecolare è molto varia, ma tutti i lipidi contengono numerosi legami che sono apolari e li rendono sostanze idrofobe e quindi insolubili in acqua. Si possono suddividere in quattro classi: Grassi Fosfolipidi ere Steroidi I grassi I grassi, o trigliceridi, hanno funzione di riserva energetica. Gli organismi li utilizzano per creare scorte di lunga permanenza, perché a parità di massa forniscono il doppio di calorie rispetto ai carboidrati. Si ottengono dall unione di una molecola di glicerolo con tre di acidi grassi. 2 2
Grassi saturi: Sono grassi prodotti dagli animali. on contengono doppi legami nelle catene idrocarburiche e ciò favorisce la loro permanenza allo stato solido. Vengono utilizzati anche per la coibentazione (grasso sottocutaneo). Grassi insaturi (li): Sono grassi prodotti dai vegetali. ontengono, nelle catene idrocarburiche, doppi legami che ne favoriscono la permanenza allo stato liquido. Sono contenuti soprattutto nei semi. I fosfolipidi I fosfolipidi sono strutturalmente simili ai trigliceridi, ma possiedono un estremità polare che, in ambiente acquoso, ne determina una disposizione a doppio strato molecolare. anno funzione strutturale perché sono i componenti essenziali delle membrane biologiche. Le cere Le cere sono plasmabili a caldo e dure a freddo. anno una funzione protettiva; infatti, esse rivestono la parte aerea delle piante (foglie, fusti, fiori, frutti) per impedirne la disidratazione; inoltre, impermeabilizzano le piume degli uccelli acquatici. Gli steroidi Gli steroidi hanno una struttura policiclica. Tra di essi abbiamo il colesterolo che si trova associato ai fosfolipidi ed è la molecola di partenza per la formazione di altri steroidi con funzione ormonale, come ad esempio gli ormoni sessuali che condizionano lo sviluppo in senso maschile o femminile. 3 3 3 estradiolo testosterone Le proteine Le proteine sono componenti strutturali o funzionali; la loro composizione è specifica per ogni organismo. Sono composti formati da,,,, e possono contenere anche S. Gli amminoacidi Gli amminoacidi sono i monomeri che costituiscono le proteine; ne esistono 20 tipi diversi, gli stessi in tutti gli organismi. I 20 amminoacidi hanno una struttura di base comune: La differenza tra un amminoacido e l altro sta unicamente nella composizione della catena laterale. gruppo amminico R gruppo carbossilico catena laterale
I venti amminoacidi, identici per tutti gli organismi, sono: Acido glutammico Acido aspartico Alanina Arginina Asparagina isteina Fenilalanina Glicina Glutammina Istidina Isoleucina Leucina Lisina Metionina Prolina Serina Tirosina Treonina Triptofano Valina Formazione di un polipeptide Gli amminoacidi si legano tra di loro attraverso un legame covalente chiamato legame peptidico. Tale legame si forma per condensazione tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico dell altro. Il generico polimero che ne deriva è detto polipeptide. 2 2 2 2 glicina asparagina fenilalanina istidina Struttura e funzioni delle proteine Le proteine sono macromolecole formate da uno o più polipeptidi e capaci di svolgere una specifica funzione all interno di un organismo. La sequenza degli amminoacidi che costituiscono la proteina, ne determina la forma e la funzione; il cambiamento di un solo amminoacido (mutazione) può compromettere il funzionamento della proteina. Esistono proteine specifiche per ogni specie ed altre che variano anche tra individui della stessa specie. Solo due cloni possiedono le stesse identiche proteine. La forma o configurazione spaziale di una certa proteina, dipende dai legami che si formano tra le catene laterali degli amminoacidi che la costituiscono e dall ambiente circostante (temperatura, p, ecc.). La forma è strettamente legata alla funzione della proteina. Variazioni dei parametri ambientali possono modificare i legami tra le catene laterali o il loro orientamento. Questo fenomeno rende la proteina inadatta a svolgere la propria funzione e viene definito denaturazione della proteina. L enorme varietà di forma e di composizione che caratterizza le proteine, permette di conferire a queste molecole una notevole varietà di funzioni: Funzione strutturale: compongono le strutture biologiche, come la cheratina (unghie, capelli) o il collagene (cartilagini, legamenti). Funzione di trasporto: trasportano ioni o molecole, come l emoglobina per l ossigeno e l DL per il colesterolo. Funzione regolatrice (ormoni): controllano importanti attività fisiologiche, come l insulina o l adrenalina. Funzione contrattile: permettono il movimento, come l actina e la miosina dei muscoli. Funzione di difesa: come gli anticorpi che neutralizzano virus o tossine.
Funzione tossica: proteine nocive per altri organismi, come il veleno dei serpenti o le tossine di certi batteri. Funzione catalizzatrice (enzimi): permettono di attivare determinate reazioni chimiche, come gli enzimi digestivi o i fattori della coagulazione. Gli enzimi Spesso, anche le reazioni esoenergetiche per essere avviate hanno bisogno di ricevere un piccolo quantitativo di energia iniziale. L energia necessaria ad innescare una reazione viene detta energia di attivazione. L energia di attivazione, aumenta localmente l energia cinetica delle molecole reagenti. Le molecole attivate, urtando violentemente tra di loro, rompono i legami e liberano gli atomi che così possono ricombinarsi in nuove molecole (i prodotti). La reazione di composizione dell acqua, ad esempio, è una reazione fortemente esoenergetica, ma a temperatura ambiente gli urti tra le molecole non sono efficaci; per avviarla, occorre fornire una scintilla (energia di attivazione). L energia che si sviluppa dalla reazione, consente di attivare altre molecole e la reazione prosegue spontaneamente. energia di attivazione E reagenti stato attivato prodotti ed energia di reazione L energia di attivazione serve per portare i reagenti in uno stato intermedio nel quale i legami sono allentati o distrutti. Si definisce catalizzatore una sostanza che abbassa l energia di attivazione e che si ritrova immutata alla fine della reazione. I catalizzatori indeboliscono i legami nelle molecole dei reagenti rendendo efficaci gli urti anche a bassa temperatura. Gli esseri viventi hanno bisogno di catalizzatori per far avvenire le proprie reazioni chimiche in tempi brevi e a temperature relativamente basse. Gli enzimi sono catalizzatori proteici altamente specifici. Per ogni reazione che avviene in un organismo, esiste una proteina enzimatica adatta. La reazione di digestione del saccarosio, per esempio, viene attivata da un enzima specifico chiamato saccarasi. La molecola dell enzima si lega temporaneamente al reagente o ai reagenti (substrato) attraverso una regione della molecola detta sito attivo. Il sito attivo è di forma complementare a quella delle molecole reagenti; ciò gli permette di interagire solo con un tipo di molecole, sfruttando il meccanismo ad incastro tipo chiave serratura. Li ve llo di en er gi a senza enzima con enzima energia di attivazione in assenza di enzima saccarasi energia di attivazione in presenza di enzima energia liberata dalla reazione saccarosio glucosio + fruttosio Avanzamento della reazione
In breve: 1. l enzima attrae ed orienta le molecole dei reagenti 2. indebolisce i legami preesistenti 3. favorisce la formazione di nuovi legami 4. rilascia i prodotti di reazione 5. è immediatamente riutilizzabile per continuare la reazione. saccarasi saccarasi saccarasi Gli acidi nucleici Gli acidi nucleici sono i polimeri che immagazzinano e trasferiscono l informazione genetica; ne esistono due tipi: DA ed RA. Sono composti formati da,,,, e P. I monomeri che costituiscono gli acidi nucleici sono i nucleotidi; alcuni nucleotidi hanno una propria funzione (ATP).