biomolecole: le molecole della vita
La cellula, la vita, è formata da molecole. Le molecole non sono organismi viventi. La ellula è un organismo vivente.
rganizzazione Le strutture biologiche hanno un organizzazione gerarchica D. rgano: muscolo delle ali. ellule e tessuti: ellule muscolari all interno del tessuto muscolare B. rganulo: miofibrilla (solo nelle cellule muscolari) Actina Miosina A. Molecola: actina Atomo
Atomi e molecole La vita richiede circa 25 elementi che si possono combinare tra loro per formare i composti. Per la vita sono fondamentali circa 25 differenti elementi chimici (sostanze che non possono essere scomposte in altre sostanze mediante mezzi chimici tradizionali).
arbonio, idrogeno, ossigeno e azoto sono i quattro elementi fondamentali per costruire la maggior parte della materia vivente.
Gli elementi in tracce (oligoelementi) sono essenziali almeno per alcuni organismi, ma soltanto in minime quantità. erti oligoelementi, come il ferro, sono indispensabili per tutte le forme di vita, mentre altri lo sono solo per alcune specie.
Gli elementi chimici possono combinarsi insieme per formare i composti. Un composto è una sostanza costituita da più elementi combinati secondo un rapporto fisso. Sodio loro loruro di sodio
Gli atomi sono formati da protoni, neutroni ed elettroni L atomo (il cui nome deriva dalla parola greca àtomos che significa «indivisibile») è la più piccola unità di materia che conserva le proprietà di un elemento.
Le particelle subatomiche Un atomo è costituito da protoni e neutroni situati in un nucleo centrale. Il nucleo è circondato da elettroni organizzati in gusci elettronici. + + 2e + + Nuvola elettronica Nucleo 2 2 + Protoni Neutroni Numero di massa = 4 2 Elettroni
La diversità tra elementi Gli atomi di ciascun elemento sono caratterizzati da uno specifico numero di protoni, che rappresenta il numero atomico. Nuvola elettronica 6e + + Nucleo 6 6 + Protoni Neutroni Numero di massa = 12 6 Elettroni
Gli isotopi Il numero di neutroni in un atomo può variare. Alcuni elementi presentano forme diverse di atomi dette isotopi. Alcuni isotopi sono radioattivi. Tabella 2.3
La configurazione elettronica di un atomo ne determina le proprietà chimiche Gli elettroni in un atomo si dispongono in gusci elettronici che possono contenere numeri diversi di elettroni. Guscio elettronico più esterno (può contenere fino a 8 elettroni) Elettrone Guscio elettronico più interno (può contenere fino a 2 elettroni) Idrogeno () Numero atomico = 1 Figura 2.5 arbonio () Numero atomico = 6 Azoto (N) Numero atomico = 7 ssigeno () Numero atomico = 8
Quando due atomi con un guscio elettronico incompleto reagiscono, ciascuno di essi mette in comune (cede oppure riceve) elettroni, in modo da occuparlo completamente. Queste interazioni solitamente fanno sì che gli atomi vengano tenuti insieme da forze di attrazione chiamate legami chimici.
I legami ionici sono interazioni che si stabiliscono tra ioni di carica opposta Quando gli atomi cedono o ricevono elettroni si creano atomi carichi chiamati ioni. Trasferimento di elettroni + Na l Na l Na Atomo di sodio l Atomo di cloro Na + Ione sodio l Ione cloro Figura 2.6A loruro di sodio (Nal)
Due ioni aventi cariche opposte si attraggono. Se l attrazione è abbastanza forte, si forma un legame detto legame ionico. Per esempio, gli ioni sodio e gli ioni cloro si legano per formare il cloruro di sodio, il comune sale da cucina. Na + l
Mediante i legami covalenti gli atomi condividono elettroni formando molecole Nei legami covalenti due atomi mettono in comune una o più coppie di elettroni poste sui loro livelli energetici più esterni, formando molecole. Le molecole possono essere rappresentate in molti modi.
Le reazioni chimiche consentono alle sostanze di ricombinarsi In una reazione chimica i reagenti (materiali di partenza) interagiscono, cambiano l organizzazione degli atomi e formano il prodotto finale. 2 2 2 2 2
Nelle cellule viventi avvengono migliaia di reazioni chimiche che trasformano la materia. Per esempio, il beta-carotene viene convertito in vitamina A. 3 3 3 3 3 2 2 2 2 3 3 3 2 2 2 4 2 2 2 3 3 3 2 3 3 Beta-carotene 3 3 Vitamina A (2 molecole)
2
Le proprietà dell acqua La molecola dell acqua è polare Una molecola è non polare quando i suoi atomi legati da legame covalente condividono gli elettroni equamente. In un legame covalente polare la condivisione degli elettroni tra gli atomi è asimmetrica e crea una molecola polare (dotata cioè di poli con cariche parziali opposte). ( ) ( ) (+) (+)
La polarità della molecola dell acqua consente la formazione del legame idrogeno Le estremità cariche delle molecole d acqua vengono attratte dalle estremità dotate di carica opposta delle molecole vicine. Questa attrazione forma legami deboli chiamati legami idrogeno. ( ) Legame idrogeno (+) ( ) (+) ( ) (+) (+) ( )
I legami idrogeno sono responsabili della coesione dell acqua Grazie ai legami idrogeno, le molecole d acqua possono spostarsi dalle radici alle foglie di una pianta. Gli insetti riescono a camminare sull acqua grazie alla tensione superficiale creata dalla coesione delle molecole d acqua.
I legami idrogeno regolano la temperatura dell acqua La capacità dell acqua di immagazzinare calore regola la temperatura del corpo e il clima.
Per rompere i legami idrogeno serve energia (la rottura dei legami è accompagnata da assorbimento di calore). Per questo, l acqua è in grado di assorbire una grande quantità di calore senza un grande aumento nella temperatura. Mentre l acqua si raffredda, un piccolo calo nella temperatura libera una grande quantità di calore.
Il ghiaccio è meno denso dell acqua allo stato liquido I legami idrogeno tengono insieme le molecole nel ghiaccio in modo meno denso che nell acqua allo stato liquido. Legame idrogeno Ghiaccio I legami idrogeno sono stabili Acqua allo stato liquido I legami idrogeno si spezzano e si formano continuamente
Il ghiaccio è meno denso dell acqua allo stato liquido ed è per questo che galleggia. Il fatto che il ghiaccio galleggi, protegge i laghi e gli oceani dal congelamento solido.
L acqua è un solvente versatile I soluti polari o carichi si sciolgono quando le molecole d acqua li circondano, formando soluzioni acquose. Figura 2.14 l Na + Ioni in soluzione + + + Na + l + + + + ristallo di sale
La chimica della vita è influenzata dall acidità e dalla basicità Un composto chimico che cede ioni + a una soluzione è un acido. Un composto che è in grado di accettare ioni + rimuovendoli da una soluzione è una base. L acidità è misurata sulla scala del p che va da 0 (massima acidità) a 14 (massima basicità).
BASIITÀ in aumento AIDITÀ in aumento La scala del p: Scala del p 0 + + + + + + + + Soluzione acida 1 2 3 4 Succo di limone, succhi gastrici Succo di pompelmo Succo di pomodoro 5 6 Urina + + + + + Soluzione neutra NEUTRALITÀ [ + ]=[ ] 7 8 9 Acqua pura Sangue umano Acqua di mare Acqua Figura 2.15 + Soluzione basica 10 11 12 13 + 14 Bicarbonato Ammoniaca per uso domestico andeggina per uso domestico Schiuma detergente per forni
Il p della maggior parte delle cellule è tenuto vicino a 7 (neutro) dalle sostanze tampone. Le sostanze tampone contrastano i cambiamenti di p (accettando ioni + quando sono presenti in eccesso e cedendoli se la loro concentrazione diventa troppo bassa).
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 Metano I quattro legami semplici del carbonio determinano i vertici di un tetraedro
Gli idrocarburi sono composti organici formati soltanto da carbonio e idrogeno.
Alcuni composti del carbonio sono isomeri, molecole con la stessa formula grezza ma differente struttura. gni isomero ha proprietà peculiari.
Le grandi biomolecole della vita contengono non solo e come gli idrocarburi, ma anche altri atomi ( e N principalmente). I gruppi funzionali determinano le caratteristiche chimiche dei composti organici Si tratta di gruppi particolari di atomi che conferiscono proprietà particolari alle molecole organiche.
Alcuni esempi di gruppi funzionali dei composti organici:
Gruppo funzionale ossidrile aratterizza gli Alcoli:
metanolo
Etanolo o Alcol Etilico
Gruppo funzionale: carbonile aratterizza le Aldeidi: acetaldeide e i hetoni: acetone
Gruppo funzionale: carbossile aratterizza gli acidi organici Acido acetico
Gruppo funzionale: amminico
Gruppo funzionale: fosfato
macromolecole biologiche: Le quattro classi principali di molecole biologiche sono: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. Molte di queste molecole hanno dimensioni enormi (dal punto di vista molecolare) e, per questo, sono definite macromolecole.
Le macromolecole più grandi si formano unendo molecole organiche più piccole in catene chiamate polimeri mediante un processo chimico detto condensazione. Breve polimero Monomero isolato ondensazione 2 Polimero più lungo
I polimeri sono spezzati in monomeri attraverso la reazione di idrolisi. L idrolisi è il processo opposto alla condensazione. 2 Idrolisi
carboidrati
I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici (monomeri), sono formati da una sola molecola di zucchero..
In genere i monosaccaridi presentano formule grezze che sono multipli di 2. Sono Polialcoli aldeici o chetonici di brevi catene idrocarburiche (da 3 a 7 atomi di ), ovvero posseggono: glucosio un certo numero di gruppi ossidrilici (-) che conferiscono allo zucchero caratteristiche alcoliche; un gruppo carbonilico (>=) che, a seconda di dove è posizionato nella molecola, conferisce caratteristiche aldeidiche o chetoniche.
aldosi
chetoesosi
I monosaccaridi glucosio e fruttosio sono zuccheri a 6 atomi di carbonio, Queste molecole contengono lo stesso numero e tipo di atomi ma in disposizioni differenti: sono isomeri. aldeide 6 12 6 chetone Glucosio Fruttosio
Il ribosio è un esempio di zucchero a 5 atomi di carbonio:
I monosaccaridi possono anche presentarsi sotto forma di strutture ad anello: 6 2 4 5 3 2 2 1 Formula di struttura Formula semplificata Struttura semplificata
monosaccaridi modificati
disaccaridi Dal legame tra due singole unità di zuccheri si forma un disaccaride. Due monosaccaridi possono unirsi per formare i disaccaridi come il saccarosio (lo zucchero da tavola), il maltosio e il lattosio.
maltosio 2 2 Glucosio Glucosio 2 2 2 Maltosio
saccarosio Il Saccarosio (zucchero da tavola) è un disaccaride formato dalla condensazione di molecole di Glucosio e Fruttosio.
lattosio Disaccaride cha nasce dalla condensazione del glucosio e del galattosio
Quanto è dolce il sapore dolce? ltre agli zuccheri, molti tipi di molecole hanno un sapore dolce perché si legano ai recettori del «dolce» presenti sulla lingua.
I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi I polisaccaridi sono polimeri formati da centinaia o migliaia di molecole di monosaccaridi. anche molecole di monosaccaride sono unite tra loro per condensazione.
L amido e il glicogeno sono polisaccaridi che immagazzinano zuccheri di riserva. La cellulosa è un polisaccaride che si trova nelle pareti delle cellule vegetali. Granuli di amido in cellule di tubero di patata Granuli di glicogeno nel tessuto muscolare Amido Glicogeno Monomeri di glucosio Fibre di cellulosa nella parete di una cellula vegetale Molecole di cellulosa ellulosa
amido
glicogeno
cellulosa
chitina E un polisaccaride formato da monomeri di n-acetilglucosammina, è uno dei principali componenti dell'esoscheletro degli insetti e degli altri artropodi, e della parete cellulare di funghi. Dopo la cellulosa, la chitina è il più abbondante biopolimero presente in natura.
Lipidi I lipidi sono un gruppo di molecole eterogenee per la maggior parte apolari. I lipidi sono raggruppati insieme perché sono idrofobi (non si «mescolano» con l acqua che è una molecola polare). I lipidi comprendono diversi composti formati essenzialmente da atomi di carbonio e di idrogeno.
Sono lipidi i: Trigliceridi (che includono i grassi animali e gli oli vegetali, che sono le tra le principali molecole energetiche metaboliche) Fosfolipidi (formano le membrane biologiche) Steroidi (colesterolo e alcuni ormoni) ere
trigliceridi
I trigliceridi, sono lipidi la cui funzione principale è quella di immagazzinare energia. trigliceridi
I trigliceridi sono formati dalla condensazione di tre acidi grassi con i tre gruppi ossidrilici di un polialcole a tre atomi di, il glicerolo. 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 Glicerolo 2 Acido grasso 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3
I fosfolipidi sono costituenti principali delle membrane cellulari. Queste molecole hanno una «testa» idrofilica e due «code» idrofobiche. Testa idrofilica 3 2 N + 3 2 2 P 2 3 Gruppo fosfato 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Schema di un fosfolipide 2 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 ode idrofobiche 3
I fosfolipidi formano una struttura stabile a due strati chiamata doppio strato fosfolipidico in cui le teste idrofiliche sono a contatto con l acqua, mentre le code idrofobiche si orientano verso l interno, allontanandosi dall acqua. Teste idrofiliche Acqua ode idrofobiche Acqua
3 3 3 3 3 colesterolo olesterolo e alcuni ormoni steroidei.
proteine
Le proteine Le proteine sono essenziali per la struttura e le funzioni degli organismi viventi Una proteina è un polimero biologico formato da monomeri di amminoacidi. Le proteine sono coinvolte in quasi tutte le attività di una cellula. Gli enzimi sono proteine che regolano le reazioni chimiche.
Funzioni delle proteine. Enzimi Proteine strutturali Proteine contrattili Proteine di difesa Proteine regolatrici Proteine recettore Proteine di trasporto Proteine di riserva
Le proteine sono costituite solo da 20 tipi diversi di amminoacidi Tra tutte le molecole, le proteine sono quelle che presentano le maggiori differenze tra di loro per struttura e funzione. La diversità tra proteine è basata sulle differenti disposizioni in cui si può assemblare un gruppo comune di 20 monomeri di amminoacidi.
gni 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.
N Gruppo amminico R Gruppo (acido) carbossilico
gni amminoacido ha proprietà specifiche basate sulla propria struttura: N N N 2 2 2 3 3 Leucina (Leu) Serina (Ser) Acido aspartico (Asp) Idrofobico Idrofilico
Gli amminoacidi si legano tra loro mediante legami peptidici Le cellule legano tra loro gli amminoacidi tramite reazioni di condensazione. I legami covalenti tra i monomeri di amminoacidi sono detti legami peptidici. Gruppo carbossilico Gruppo amminico Legame peptidico N + N Reazione di condensazione N N R R 2 R R Amminoacido Amminoacido Dipeptide
La configurazione specifica della proteina determina la sua funzione Una proteina è costituita da una o più catene polipeptidiche ripiegate secondo una particolare configurazione che determina la funzione della proteina. Scanalatura Scanalatura
La forma delle proteine comprende quattro livelli strutturali
La struttura primaria di una proteina è la sequenza di amminoacidi che formano la sua catena polipeptidica. Struttura primaria Gly Thr Gly Glu Ser Lys Leu Met Pro Val ys Lys Val Leu Asp Ala Val Arg Gly Ser Pro Asn Val Ala Ile Val Ala Phe Arg is Val Amminoacidi
Nella struttura secondaria (il secondo livello della struttura proteica), alcuni tratti del polipeptide si ripiegano o formano delle spirali stabilizzate da legami idrogeno. La spiralizzazione della catena polipeptidica dà origine a una struttura secondaria indicata come alfa elica. Un particolare tipo di ripiegamenti porta alla struttura chiamata foglietto ripiegato. Amminoacidi Struttura secondaria Legame idrogeno N N N N N R N N N N N Alfa elica N N R N N N N N N N N N N N N N N Foglietto ripiegato
La struttura terziaria di una proteina è l aspetto generale e tridimensionale di un polipeptide. In genere, la struttura terziaria è dovuta ai legami a idrogeno e ionici che si formano tra alcuni dei gruppi R polari e alle interazioni tra gruppi R idrofobici del polipeptide e l acqua. Struttura terziaria Polipeptide (singola unità di transtiretina)
lisozima
cdc25
dna polimerasi taq
titin
La struttura quaternaria di una proteina risulta dall associazione di due o più catene polipeptidiche. Un esempio di proteina che possiede una struttura quaternaria è il collagene: una proteina fibrosa costituita da tre alfa eliche avvolte a spirale. atena polipeptidica Struttura quaternaria Transtiretina, con quattro subunità polipeptidiche identiche ollagene
emoglobina
insulina
Nucleotidi e acidi nucleici
struttura base del nucleotide N P 2 N N N N Base azotata (A) Gruppo fosfato Zucchero
ATP (adenosin trifosfato) L ATP, una molecola in grado di trasferire energia metabolica, è un nucleotide.
Nella molecola di ATP (adenosin trifosfato) lo zucchero a cinque atomi di carbonio è il ribosio, la base azotata è l adenina, e i gruppi fosfato sono tre. Adenosina Trifosfato Adenosina difosfato Gruppi fosfato 2 Adenina P P P Idrolisi P P + P + Energia Ribosio ATP ADP
Nella cellula l ATP funge da navetta per il trasporto dell energia chimica L ATP fornisce l energia necessaria per tutte le forme di lavoro cellulare. In una molecola di ATP l energia risiede nei legami covalenti che uniscono i gruppi fosfato.
L ATP libera energia utile per le reazioni endoergoniche attraverso la fosforilazione. La fosforilazione è il trasferimento di un gruppo fosfato a una molecola per renderla più reattiva. ATP Lavoro chimico Lavoro meccanico Lavoro di trasporto Membrana della proteina P + Reagenti Proteina motrice P P Soluto P P Prodotto P Molecola formata Proteina mobile Soluto trasportato ADP+ P
Il lavoro cellulare può essere sostenuto nel tempo perchè l ATP è una molecola rinnovabile, che viene rigenerata dalle cellule. ATP Energia prodotta dalle reazioni esoergoniche ADP + P Energia utile per le reazioni endoergoniche
Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi portatori di informazioni Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi. Vi sono due tipi di acidi nucleici: l acido ribonucleico (RNA) e l acido deossiribonucleico (DNA).
DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi Il DNA è un acido nucleico costituito da lunghe catene di nucleotidi.
Il gruppo fosfato di un nucleotide si lega allo zucchero del nucleotide successivo andando a costituire uno scheletro zucchero-fosfato con le basi azotate collocate all esterno di questa impalcatura. Nucleoti de A T G T Scheletro zucchero-fosfato
adenina
citosina
guanina
timina
Il DNA ha quattro tipi di basi azotate: adenina (A), timina (T), citosina () e guanina (G) N N 3 N N N N N N N N N N N N N Timina (T) itosina () Adenina (A) Guanina (G) Purine Pirimidine
Anche l RNA è un acido nucleico ma è composto da uno zucchero leggermente differente (il ribosio) e una base azotata chiamata uracile (U) al posto della timina. Gruppo fosfato P 2 Base azotata (A, G,, o U) N N Legenda Idrogeno arbonio Azoto ssigeno Fosforo Uracile (U) Zucchero (ribosio)
uracile
Il DNA ha la forma di un elica a doppio filamento, o doppia elica.
Miescher 1869
James Watson e Francis rick 1953
Un cromosoma di DNA è formato da due polinucleotidi avvolti uno sull altro in una doppia elica. G G A T oppia di basi T A G A A T T T A A A T G T
I legami idrogeno tra le basi tengono uniti i filamenti. gni base è appaiata con una base complementare: A con T, e G con. oppie di basi appaiate T T G G A A T A A A A A G T G G A T T T T P 2 P 2 P 2 P 2 Legame idrogeno T G A A G T 2 P 2 P 2 P 2 P Modello a nastro Struttura chimica Modello computerizzato
Il materiale genetico che gli organismi ereditano dai loro genitori è costituito dal DNA. Nel DNA si possono individuare i geni, specifici segmenti della molecola che codificano per una informazione, ad esempio per una sequenze di amminoacidi che caratterizza una proteina. Un cromosoma contiene una lunga molecola di DNA che contiene molti geni.
Biomolecole complesse. 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).