Lezione 1 ELEMENTI, COMPOSTI E LEGAMI

Lezione 1 ELEMENTI, COMPOSTI E LEGAMI 1

1.4 Le particolari proprietà dell acqua favoriscono la vita esplorando Nell acqua, l ossigeno acquista una parziale carica negativa, mentre gli atomi di idrogeno acquistano una parziale carica positiva L acqua è dunque una molecola polare, ha cioè una ineguale distribuzione delle cariche ( ) ( ) O H H (+) (+) 2

1.4 Le particolari proprietà dell acqua favoriscono la vita Alcuni legami chimici sono più deboli di quelli covalenti Quando è parte di un legame covalente polare, un atomo di idrogeno può interagire con atomi elettronegativi Per esempio ossigeno e azoto Si forma in questo modo un legame idrogeno Una molecola di acqua forma legami idrogeno con le molecole d acqua adiacenti esplorando 3

Legame idrogeno 4

1.4 Le particolari proprietà dell acqua favoriscono la vita La tendenza delle molecole di una sostanza a restare unite tra loro è detta coesione esplorando Grazie ai legami idrogeno nell acqua la coesione è molto più forte che nella maggior parte degli altri liquidi Questa caratteristica è assai importante per gli esseri viventi Le piante dipendono dalle forze di coesione per il trasporto dell acqua e delle sostanze nutritive 5

1.4 Le particolari proprietà dell acqua favoriscono la vita esplorando Una forza connessa alla coesione è la tensione superficiale, una misura della resistenza alla deformazione della superficie di un liquido I legami idrogeno conferiscono all acqua una tensione superficiale insolitamente alta 6

1.4 Le particolari proprietà dell acqua favoriscono la vita esplorando Grazie ai suoi legami idrogeno, l acqua ha una elevata resistenza alle variazioni di temperatura Il calore è l energia associata al movimento degli atomi e delle molecole nella materia La temperatura misura la velocità media degli atomi e delle molecole Nel caso dell acqua, parte dell energia assorbita serve per spezzare i legami idrogeno 7

1.4 Le particolari proprietà dell acqua favoriscono la vita esplorando L acqua esiste in natura allo stato gassoso, liquido e solido Quando si trova allo stato solido l acqua è meno densa di quando è allo stato liquido: questo è dovuto ai legami idrogeno 9

1.4 Le particolari proprietà dell acqua favoriscono la vita esplorando Quando l acqua ghiaccia, ogni molecola forma legami idrogeno stabili con quattro molecole vicine Si crea un reticolo tridimensionale Le molecole sono poste a distanza regolare Il ghiaccio è meno denso dell acqua e quindi galleggia 10

Legami idrogeno Ghiaccio I legami idrogeno sono stabili Acqua allo stato liquido I legami idrogeno si spezzano e si riformano in continuazione 11

1.4 Le particolari proprietà dell acqua favoriscono la vita esplorando L acqua è un ottimo solvente grazie alla polarità delle sue molecole Questa proprietà è fondamentale per la vita Il sale da tavola si scioglie facilmente in acqua Gli ioni sodio e cloro e le molecole d acqua si attraggono reciprocamente grazie al fatto che possiedono cariche opposte 12

Ione in soluzione Cristallo di sale 13

1.5 La diversità delle molecole che caratterizzano la vita si fonda sulle proprietà del carbonio Quasi tutte le molecole sintetizzate dalle cellule sono composte da atomi di carbonio legati tra loro e con atomi di altri elementi Queste molecole a base di carbonio sono chiamate composti organici Un atomo di carbonio può formare fino a quattro legami In questo modo può formare ramificazioni in quattro direzioni 14

1.5 La diversità delle molecole che caratterizzano la vita si fonda sulle proprietà del carbonio Il metano (CH 4 ) è una delle molecole organiche più semplici Quattro atomi di idrogeno sono legati a un atomo di carbonio mediante quattro legami covalenti Ognuno dei quattro trattini nella formula di struttura rappresenta una coppia di elettroni condivisa 15

Formula di struttura Modello a sfere e bastoncini modello molecolare Metano I quattro legami del carbonio puntano verso i vertici di un immaginario tetraedro 16

1.5 La diversità delle molecole che caratterizzano la vita si fonda sulle proprietà del carbonio La catena di atomi di carbonio in una molecola organica è chiamata scheletro carbonioso Gli scheletri carboniosi possono essere lineari oppure ramificati Composti con la stessa formula molecolare, ma con struttura diversa sono chiamati isomeri 17

1.7 Le cellule sintetizzano grandi molecole a partire da un numero limitato di molecole più piccole Le grandi molecole biologiche si dividono in quattro classi principali Carboidrati Lipidi Proteine Acidi nucleici 18

1.7 Le cellule sintetizzano grandi molecole a partire da un numero limitato di molecole più piccole Date le notevoli dimensioni, queste molecole sono indicate dai biologi come macromolecole Le cellule sintetizzano la maggior parte delle macromolecole unendo molecole più piccole in catene chiamate polimeri Le unità che costituiscono i polimeri sono chiamate monomeri 19

1.7 Le cellule sintetizzano grandi molecole a partire da un numero limitato di molecole più piccole La cellula sintetizza una grande varietà di polimeri partendo da un numero ridotto di monomeri Le proteine sono costruite utilizzando solo venti amminoacidi diversi, mentre per il DNA bastano quattro basi azotate I monomeri utilizzati dalle cellule sono comuni a tutti gli organismi 20

1.7 Le cellule sintetizzano grandi molecole a partire da un numero limitato di molecole più piccole Le cellule uniscono i monomeri per costruire i polimeri mediante reazioni di condensazione (o disidratazione) Per demolire i polimeri, le cellule compiono una reazione di idrolisi Queste reazioni necessitano dell aiuto di enzimi, proteine specializzate che accelerano le reazioni chimiche cellulari 21

Polimero a catena breve Monomero libero 22

Polimero a catena breve Reazione di disidratazione Monomero libero Polimero più lungo 23

Idrolisi 25

Lezione 2 I CARBOIDRATI 26

1.8 I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici I carboidrati sono una classe di molecole di dimensioni molto varie Dalle piccole molecole dello zucchero sciolto nelle bibite alle grandi molecole di amido, un polisaccaride presente nella pasta e nelle patate 28

1.8 I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici In genere la formula molecolare di un monosaccaride è un multiplo della semplice formula CH 2 O Diversi monosaccaridi differiscono solo nella disposizione degli atomi (sono isomeri) Differenze apparentemente trascurabili come queste conferiscono agli isomeri proprietà diverse I monosaccaridi, in particolare il glucosio, sono il principale combustibile chimico della cellula 29

Glucosio (un aldoso) Fruttosio (un chetoso) 30

Formula di struttura Formula semplificata Struttura semplificata 31

1.9 Le cellule formano i disaccaridi unendo due monosaccaridi La cellula sintetizza i disaccaridi a partire da due monosaccaridi con una reazione di condensazione Il disaccaride più comune è il saccarosio, costituito da glucosio e fruttosio 32

1.9 Le cellule formano i disaccaridi unendo due monosaccaridi Check Il lattosio, il disaccaride del latte, è costituito da glucosio e galattosio. La formula di entrambi questi monosaccaridi è C 6 H 12 O 6 Qual è la formula molecolare del lattosio? 33

Glucosio Glucosio 34

Glucosio Glucosio Maltosio 35

I dolcificanti contenuti nei prodotti industriali possono portare all obesità? Dall idrolisi dell amido si ottiene glucosio, che in parte può essere convertito in fruttosio per ottenere un dolcificante più gustoso del solo glucosio Questo dolcificante, conosciuto come sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio (high-fructose corn syrup o HFCS), è contenuto in molti prodotti industriali COLLEGAMENTO salute Sembra che l incidenza di diabete di tipo 2 e di malattie croniche associate all aumento di peso sia cresciuta quando è aumentato il consumo di HFSC Secondo gli scienziati un eccessivo consumo di dolcificanti e grassi insieme a una ridotta attività fisica favoriscono l aumento di peso 36

1.10 I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi I polisaccaridi sono polimeri di monosaccaridi Sono usati dagli organismi come depositi di energia o come composti strutturali 38

1.10 I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi Amido: polisaccaride di riserva energetica nelle piante; è costituito da monomeri di glucosio Glicogeno: polisaccaride di riserva energetica degli animali; è costituito da monomeri di glucosio Cellulosa: è il polimero di glucosio con cui sono costituite le pareti cellulare nelle piante Chitina: è un polisaccaride con cui insetti e crostacei costruiscono il proprio esoscheletro 39

1.10 I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi Quasi tutti i carboidrati sono idrofili a causa dei numerosi gruppi ossidrilici presenti nei monomeri da cui sono formati 40

Granuli di amido in cellule di patata AMIDO Monomero di glucosio Granuli di glicogeno nel tessuto muscolare GLICOGENO Fibrille di cellulosa nella parete di una cellula vegetale CELLULOSA Legami idrogeno Molecole di cellulosa 41

Granuli di amido in cellule di patata AMIDO Monomero di glucosio 42

Granuli di glicogeno nel tessuto muscolare GLICOGENO 43

Fibrille di cellulosa nella parete di una cellula vegetale CELLULOSA Legami idrogeno Molecole di cellulosa 44

1.10 I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi Check Amido e cellulosa sono due polisaccaridi di origine vegetale; quali sono le somiglianze e le differenze tra i due? 45

Lezione 3 I LIPIDI 46

1.11 I grassi sono lipidi impiegati principalmente per immagazzinare energia I lipidi sono composti idrofobi ( temono l acqua ) importanti per immagazzinare energia Contengono il doppio di energia di un polisaccaride I grassi (trigliceridi) sono lipidi costituiti da glicerolo e acidi grassi 47

1.11 I grassi sono lipidi impiegati principalmente per immagazzinare energia Gli acidi grassi si legano al glicerolo per condensazione formando i trigliceridi Un trigliceride contiene una molecola di glicerolo legata a tre acidi grassi 49

Glicerolo Acido grasso 50

1.11 I grassi sono lipidi impiegati principalmente per immagazzinare energia Alcuni acidi grassi contengono doppi legami Per questo si formano pieghe nella catena carboniosa Sono detti insaturi perché hanno un numero di atomi di idrogeno inferiore agli acidi grassi privi di doppi legami (saturi) Le pieghe degli acidi grassi insaturi impediscono alle molecole di compattarsi e di solidificare a temperatura ambiente 52

1.11 I grassi sono lipidi impiegati principalmente per immagazzinare energia Check Che cosa sono i grassi? 53

1.12 I fosfolipidi e gli steroidi svolgono funzioni fondamentali nelle cellule I fosfolipidi sono strutturalmente simili ai trigliceridi e sono componenti fondamentali della cellula Sono i costituenti principali della membrana cellulare, formata da un doppio strato di fosfolipidi Le teste idrofile, costituite dal gruppo fosfato sono rivolte verso l ambiente acquoso interno ed esterno Le code idrofobe, costituite dagli acidi grassi, sono raggruppate nel mezzo 54

Teste idrofile Acqua Code idrofobe Acqua 55

1.12 I fosfolipidi e gli steroidi svolgono funzioni fondamentali nelle cellule Gli steroidi sono lipidi il cui scheletro carbonioso è costituito da quattro anelli uniti tra loro Il colesterolo è un importante steroide presente nelle membrane delle cellule animali È anche il materiale di partenza per sintetizzare altri steroidi, tra cui gli ormoni sessuali 56

Gli steroidi anabolizzanti sono pericolosi? COLLEGAMENTO salute Gli steroidi anabolizzanti sono varianti sintetiche del testosterone, che determinano uno sviluppo della muscolatura e delle ossa Possono essere utilizzati a fini terapeutici In ambito sportivo sono sfruttati (illegalmente) per potenziare le prestazioni, ponendo gli atleti in serio pericolo 58

Lezione 4 LE PROTEINE 60

1.13 Le proteine svolgono un ruolo fondamentale in molte strutture e funzioni cellulari Una proteina è un polimero costituito da monomeri chiamati amminoacidi Ogni proteina ha una struttura tridimensionale unica che corrisponde a una specifica funzione 61

1.13 Le proteine svolgono un ruolo fondamentale in molte strutture e funzioni cellulari Gli enzimi sono proteine che agiscono da catalizzatori nella cellula Le proteine strutturali si trovano nei peli dei mammiferi e nelle fibre di tessuti connettivi come i tendini e i legamenti Le proteine contrattili come l actina e la miosina si trovano nei muscoli Le proteine di difesa, come gli anticorpi, contribuiscono a combattere le infezioni 62

1.13 Le proteine svolgono un ruolo fondamentale in molte strutture e funzioni cellulari Le proteine regolatrici (o proteine-segnale) sono ormoni e altri messaggeri che contribuiscono a coordinare le attività dell organismo Le proteine-recettore si trovano all interno delle membrane cellulari e favoriscono il riconoscimento di particolari molecole Le proteine di trasporto spostano le sostanze nel corpo 63

1.14 Le proteine sono costituite da amminoacidi legati mediante legami peptidici Tutti gli amminoacidi contengono un gruppo amminico e un gruppo carbossilico Questi sono uniti da un legame covalente a un atomo di carbonio centrale, chiamato carbonio alfa Al carbonio alfa sono legati anche un atomo di idrogeno e il gruppo R, o catena laterale 65

Gruppo amminico Gruppo carbossilico 66

1.14 Le proteine sono costituite da amminoacidi legati mediante legami peptidici Gli amminoacidi possono essere divisi in idrofili e idrofobi Quelli con un gruppo R polare sono idrofili Quelli con un gruppo R apolare sono idrofobi 67

1.14 Le proteine sono costituite da amminoacidi legati mediante legami peptidici Gli amminoacidi (monomeri) sono uniti per formare le catene polipetidiche (polimeri) Ciò avviene tramite una reazione di disidratazione guidata da un enzima Il gruppo carbossilico di un amminoacido si lega al gruppo amminico di quello successivo, liberando una molecola di acqua Il legame covalente risultante si chiama legame peptidico 68

Gruppo carbossilico Gruppo amminico Amminoacido Amminoacido 69

Gruppo carbossilico Gruppo amminico Reazione di disidratazione Legame peptidico Amminoacido Amminoacido Dipeptide 70

1.15 Nelle proteine si distinguono quattro livelli strutturali Una proteina può avere quattro livelli di struttura Struttura primaria Struttura secondaria Struttura terziaria Struttura quaternaria esplorando 71

1.15 Nelle proteine si distinguono quattro livelli strutturali La struttura primaria di una proteina è rappresentata dalla sequenza di amminoacidi La corretta sequenza è precisamente definita dal patrimonio genetico della cellula Anche un leggero cambiamento nella struttura primaria della proteina può avere effetti sulla forma complessiva della molecola e sulla sua funzione esplorando 72

1.15 Nelle proteine si distinguono quattro livelli strutturali La struttura secondaria di una proteina è rappresentata dall avvolgimento o dal ripiegamento di parti del polipeptide L avvolgimento a elica della catena polipeptidica determina la formazione di alfa eliche Un particolare tipo di ripiegamento porta invece al foglietto ripiegato (o foglietto beta) Queste strutture si formano grazie a legami idrogeno che si formano a intervalli regolari lungo la catena polipeptidica esplorando 73

Le ghiandole addominali del ragno producono le fibre della ragnatela, costituite da una proteina fibrosa ricca di foglietti beta Le fibre radiali, rigide, contribuiscono a fissare la forma della ragnatela Le fibre concentriche, usate per catturare le prede, sono elastiche e conferiscono resistenza a vento, pioggia, aggressioni Copyright 2009 Pearson Education, Inc. 74

1.15 Nelle proteine si distinguono quattro livelli strutturali La struttura terziaria è la forma tridimensionale complessiva assunta da un polipeptide esplorando Solitamente la struttura terziaria di un polipeptide deriva dalle interazioni tra i gruppi R dei suoi amminoacidi La forma di una proteina può essere ulteriormente stabilizzata da legami covalenti chiamati ponti disolfuro 75

1.15 Nelle proteine si distinguono quattro livelli strutturali Molte proteine sono costituite da due o più polipeptidi (subunità) che, associandosi, costituiscono una struttura quaternaria Il collagene è una proteina fibrosa con subunità elicoidali avvolte a formare una tripla elica più spessa Questa struttura quaternaria conferisce alle fibre di collagene una grande resistenza alla trazione esplorando 76

Struttura primaria Amminoacidi 77

Struttura primaria Legame idrogeno Amminoacidi Struttura secondaria Alfa elica Foglietto beta 78

Struttura primaria Legame idrogeno Amminoacidi Struttura secondaria Alfa elica Foglietto beta Struttura terziaria Polipeptide (singola subunità di transtiretina) 79

Struttura primaria Legame idrogeno Amminoacidi Struttura secondaria Alfa elica Foglietto beta Struttura terziaria Polipeptide (singola subunità di transtiretina) Struttura quaternaria Transtiretina, con le sue quattro subunità identiche 80

Amminoacidi Struttura primaria 81

Amminoacidi Legame idrogeno Alfa elica Foglietto beta Struttura secondaria 82

Polipeptide (singola subunità di transtiretina) Struttura terziaria 83

Transtiretina, con le sue quattro subunità identiche Struttura quaternaria 84

Lezione 5 ACIDI NUCLEICI 85

1.16 Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi Gli acidi nucleici (polinucleotidi) sono polimeri costituiti da monomeri detti nucleotidi I nucleotidi sono composti da tre parti Uno zucchero a cinque atomi ci carbonio: ribosio per l RNA, desossiribosio per il DNA) Un gruppo fosfato Una base azotata 86

Base azotata (adenina) Gruppo fosfato Zucchero 87

1.16 Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi Le basi azotate del DNA sono: Adenina Timina Guanina Citosina Le basi azotate dell RNA sono: Adenina Uracile Guanina Citosina 88

1.16 Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi Gli acidi nucleici si formano quando più nucleotidi si uniscono tramite condensazione Il gruppo fosfato di un nucleotide si lega allo zucchero del monomero successivo Il risultato è uno scheletro di unità zucchero-fosfato, da cui si proiettano le basi azotate 89

1.16 Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi Il DNA ha una configurazione a doppia elica: due polinucleotidi avvolti a spirale l uno intorno all altro Le due catene sono tenute unite dai legami idrogeno si formano tra le basi azotate appaiate A si appaia sempre con T C si appaia sempre con G L RNA, solitamente, è costituito da un unico filamento polinucleotidico 90

Coppia di basi azotate 91