8-Caporossi L22 14-15 Acqua Macrom

Lezioni di Biologia 1

L’ACQUA E LE SOLUZIONI

La molecola di H2O

H O H

δ - δ -

H – O – H O O

180 ° H H Hδ+ δ+ H

104°

Orient. teorico Orient. reale Carica

H2O – Stato fisico e proprietà


Gas Assenza di legami H

Calore di evaporazione: quantità di energia termica necessaria per far passare 1 g di una sostanza dallo stato liquido a quello gassoso

Calore specifico: quantità di energia termica necessaria per far aumentare di 1°C la temperatura di 1 g di una sostanza

Sono entrambi elevati nell’acqua a causa dei legami HGhiaccio Reticolo cristallino ordinato, grazie a legami H

stabilizzati e numerosi.

Ampi spazi vuoti galleggiamento



Liquido Legami a idrogeno più labili, meno numerosi

(16%). Reticolo collassa, spazi vuoti invasi, aumento

densità. Forza residua legami H sufficiente a

determinare:

Alto calore specifico Stabilità termica

Coesione Tensione superficiale

Adesione Capillarità

Potere solvente Mezzo delle soluzioni (reazioni)



H2O come solvente

H2O determina solvatazione (idratazione) di sostanzeidrofile:� Composti ionici (sali, come NaCl)� Composti covalenti polarizzati (acidi)� Composti polari (alcoli)

I composti idrofobi (apolari) sono insolubili in H2O

I composti anfipatici si comportano in modo sia idrofili che idrofobo, avendo una porzione apolare e una porzione polare


Acqua pura: dissociazione parziale concentrazioni equivalenti:

[H+] = [OH

-] pH = 7 Neutro

Acqua pura + Acido (donatore di protoni: HCl→H++Cl-; H2SO4 →H++ HSO4-)

[H+] >[OH

-] pH tra 1 e 7 Acido

,

Acqua pura + Base (accettore di protoni: NaOH →Na++OH- ; KOH →K++OH- ;

NH3 + H2O→ NH4+ +OH- )

[ H+] < [OH

-] pH tra 7 e 14 Basico

ione idrogeno ione ossidrile

Dissociazione di H2O H+ + OH-

Acidi e Basi

[H+] + [OH-] = 10-7 + 10-7 = 1 x 10 -14

pH: logaritmo negativo , in base 10, della concentrazione degli ioni idrogeno [H+], espressa in moli per litro

H2O distillata: [H+] = [OH-] = 1/107 = 10-7

Il logaritmo negativo , in base 10, di 10-7 è 7

Al crescere della concentrazione di ioni H+ (es. 1/106; 1/104, ecc) (↓ OH-) , il valore di pH diminuisce (6, 4, ecc.)

Al diminuire della concentrazione di ioni H+ (es. 1/108; 1/1011, ecc) (↑OH-) , il valore di pH aumenta (8, 11, ecc.)


Scala di pH

Molte reazioni chimiche (e biochimiche) sono influenzate

dall’acidità della soluzione in cui esse avvengono.

Affinché una reazione possa avvenire, o possa avvenire con

una determinata velocità si deve controllare il pH al quale la

reazione avviene

Il pH nei viventi è mantenuto costante ≅≅≅≅ 6-8 (stomaco ≅≅≅≅ 2)

mediante sistemi tampone

Sistemi tampone

composti donatori e accettori di H+ (tipicamente, acidi deboli)

H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3

-

pH e Sistemi Tampone

Acido carbonico

Ione bicarbonato

H+

+ OH-

H2O

H2CO3H+ + HCO3

-


LA COMPOSIZIONE CHIMICA DEI VIVENTI

Chimica del Carbonio


Chimica del Carbonio

Legami covalenti semplici e doppi


� Alcolico/Ossidrile (-OH) R-OH Alcoli

� Carbossilico (-COOH) R-COOH Acidi

� Amminico (-NH2) R-NH2 Ammine

Gruppi funzionali

Gruppo funzionale Ossidrile o

Alcolico (-OH)

R-OH = Alcoli

CH3OH =Alcol metilico

H

H

H

OHCFormula di struttura


Gruppo funzionale Carbossilico (-COOH)

= Gruppo carbossilico

R-COOH = Acidi organici

CH3COOH = Acido acetico

C

H

H

H OHC →

OFormula di struttura

OHC

O

H

H

H O-C

OC

+ H+

Gruppo funzionale Carbonilico (-CO)

= Gruppo aldeidico

= Gruppo chetonicoC C

O

HC

O

C


Gruppo funzionale Amminico (-NH2)

= Gruppo amminico

R-NH2 = Ammine

CH3NH2 = Metilammina

HN

H

Formula di struttura

H

H

H

CH

NH

+ H+ →

H

H

H

CH

NHH +

La composizione dei viventi


Gli organismi viventi sono formati dagli stessi elementi della

materia non vivente, ma in proporzioni completamente differenti

Composizione media di una cellula% in peso

Acqua (=solvente) ≅ 70

Soluti (= residuo secco) ≅ 30 di cui:

95% = composti organici

Acidi nucleici ≅ 15

Proteine ≅ 7

Glucidi ≅ 3

Lipidi ≅ 2

Vitamine, ATP ≅ 0.5

5% = ioni inorganici ≅ 1

(Na+, K+, Cl-)


(Glicidi - Carboidrati - Zuccheri)

�Monosaccaridi

� Disaccaridi

Oligosaccaridi

� Polisaccaridi

Glucidi

Formula generale Cn (H2O) n

n = 3-7 [Triosi, Tetrosi, Pentosi, Esosi, ...]

MONOSACCARIDI


Carboidrati

Polimeri di zuccheri

Anello alfa (α) Anello beta (β)

Struttura semplificata del glucosio α

Struttura semplificata del glucosio β

Il gruppo aldeidico del

glucosio (C glicosidico)

reagisce con il 5°atomo

di C e la molecola diviene

ciclica assumendo due

possibili configurazioni: α e β

Monosaccaridi

Glucosio


H

H C OH

C O

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H

1

25

4 3

CH2OHO

Monosaccaridi

Fruttosio

CH2OH6

Ribosio e

Deossiribosio


H C OH OH C H H C O C H

Legame disaccaridico

Saccarosio Glucosio-Fruttosio legame α 1-2

Lattosio Galattosio-Glucosio legame β 1-4

Maltosio Glucosio-Glucosio legame α 1-4

Cellobiosio Glucosio-Glucosio legame β 1-4

naturali

prodotti di

demolizione

di polisaccaridi

H2O

DISACCARIDI

Omopolisaccaridi

� Cellulosa

� Amido Lineare = Amilosio

� Glicogeno Ramificato = Amilo-pectina

Eteropolisaccaridi

� Mucopolisaccaridi

POLISACCARIDI


Cellulosa n[Glu - Glu β 1 - 4] = n (cellobiosio)

Amido n[Glu - Glu α 1 - 4] = n (maltosio)

Glicogeno n[Glu - Glu α 1 - 4] = n (maltosio)

αααα 1 - 6 nelle porzioni ramificate

Lipidi

Classe di molecole che formano sostanze untuose,insolubili in solventi acquosi, associate a strutture efunzioni diverse

Funzioni

Riserva energetica: 9.3 kcal/g (contro le 3.8 kcal/gdei glucidi)

Componenti strutturali: membrane, tessuto nervoso

Metabolismo: Vitamine (A, E), Colesterolo

Ormoni: Cortisolo, Steroidi (estrogeni, testosterone,ecc.)


Acidi grassi

CH3 saturi: non sono presenti doppi legami(es: n=14, ac.PALMITICO;

(CH2)n n=16, ac.STEARICO) animali; solidi

COOH insaturi: sono presenti doppi legami

(es: CH3 -(CH2)7 – CH=CH-(CH2)7- COOHn=18, ac.OLEICO) vegetali; liquidi

Lipidi semplici Acidi grassi

Lipidi semplici Acidi grassi


Trigliceridi (=grassi)

O

R1 C OH HO CH2

O

R2 C OH HO CH

O

R3 C OH HO CH2

Acidi grassi + Glicerolo Trigliceride (estere)

O

R1 C O CH2

O

R2 C O CH

O

R3 C O CH2

esterificazione

-3 H2O

+3 H2O

idrolisi

Lipidi semplici Trigliceridi

Lipidi Semplici

Trigliceridi


CH2 O GPO

R2 C O CH

O

R3 C O CH2

molecole anfipatiche

• lunghe code apolari, idrofobe (R)

• testa polare, idrofila (gruppo fosfato, zucchero )

Lipidi complessiFosfolipidi

Lipidi complessiFosfolipidi


Lipidi complessi

Sfingolipidi e Cerebrosidi

Teste idrofile

Code idrofobe

a

Quando le molecole anfipatiche

vengono immerse in un mezzo

acquoso (come l’interno e l’esterno

della cellula) tendono a disporsi in

modo da escludere le parti idrofobe

dal contatto con l’acqua

Questo comportamento è alla base

della struttura delle membrane

biologiche che sono costituite da un

doppio strato di fosfolipidi

Lipidi complessi


Lipidi Steroidi

Glucosio Saccarosio Colesterolo

Acido oleico Ac. α Linoleico Testosterone

Sfingomielina


PROTEINE

Le proteine sono le macromolecole

da cui dipendono tutte le attività

della cellula

� Eterogeneità nella forma

� Eterogeneità nella funzione

� Altissima specificità


MODELLO TRIDIMENSIONALE DI

DUE PROTEINE ENZIMATICHE

MODELLO TRIDIMENSIONALE

DELLA MIOSINA


Modello

tridimensionale

dell’actina

Macromolecole complesse e altamente variabili

Funzioni

� strutturale (componenti strutturali della cellula)

� funzionale (enzimi, ormoni, proteine di trasporto)

Composte da unità molecolari, gli amminoacidi

prevalentemente introdotti con l’alimentazione

(digestione delle proteine) e organizzati dal DNA in

polipeptidi nel processo di sintesi proteica.

Hanno valore energetico (ca 4 kcal/g), ma l’organismo

utilizza a questo scopo le proprie proteine solo in

condizioni critiche.

Proteine


Amminoacidi

R

H O

N C C

H OH

H

-H = Glicina

-CH3 = Alanina

…

Esistono in natura

20 differenti tipi

di amminoacidi,

che si distinguono

per il gruppo R

Parte variabile R

Proteine

Gli aminoacidi differiscono per la dimensione e

polarità dei gruppi R


Gli aminoacidi differiscono per la dimensione e

polarità dei gruppi R

Legame peptidico

R1

H O

N C C

H OH

H

R2

H O

N C C

H OH

H

R3

H O

N C C

H OH

H

-H2O-H2O

...

Proteine


R1 O-

H

N C C

H

H

R2 O-

N C C

H+ H

R3 O-

N C C

H+ H

...

Polipeptide

Estremità amino-terminale

Estremità carbossi-terminale

H H

N

C

HO O

Proteine

Nella sintesi biologica delle proteine sono

utilizzati esclusivamente gli L- aminoacidi


Livelli di organizzazione

� Struttura primaria Successione aa polipeptide

� Struttura secondaria Ripiegamenti spaziali polipeptide (p.es. α- elica, β-foglietto)

� Struttura terziaria Stabilizzata da interazioni idrofobe

(globulare enzimi) e in alcune proteine da ponti

disolfuro (S-S)

• Struttura quaternaria Aggregazione di più subunità(p.es. Hb: 4 subunità)

Esempi di proteine: collagene (ossa, tendini, cartilagini),

cheratina (capelli, unghie), actina-miosina.

Proteine



La struttura terziaria di una proteina dipende dalla

sua struttura primaria

La struttura quaternaria è

il risultato di interazione tra

più catene polipeptidiche


Le interazioni tra proteine diverse dipendono dai legami tra

residui R degli aminoacidi superficiali

Proteine semplici

Classe

� Albumine

� Globuline

� Sieroproteine

� Istoni

� Protamine

� Gluteline

Le proteine semplici

sono costituite solo

da aminoacidi

Proteine


Proteine coniugate

Le proteine coniugate (o complesse) sono costituite da sequenzeaminoacidiche combinate con uno o più gruppi “prostetici”

Classe Gruppo prostetico

� Glicoproteine Carboidrati

� Lipoproteine Lipidi

� Fosfoproteine Gruppi fosfato

� Emoproteine Gruppi eme

� Flavoproteine Nucleotidi flavinici

� Metalloproteine Ioni metallici

� Nucleoproteine Acidi nucleici

Proteine

ACIDI NUCLEICI

Acido DesossiriboNucleico – DNA

Acido RiboNucleico - RNA


Il nucleoside è composto da una base azotata e dauno zucchero pentoso (a 5 atomi di C):

�Ribosio nell’acido Ribonucleico, RNA

�Deossiribosio nell’acido Deossiribonucleico, DNA

Nucleotide = Nucleoside + Gruppo Fosforico

Polinucleotide catena derivante dall’unione di più nucleotidi

ACIDI NUCLEICI = POLINUCLEOTIDI

Basi Azotate

PurinicheAdenina

Guanina

Timina (solo nel DNA)

Uracile (solo nel RNA)

Citosina

Pirimidiniche


Basi Puriniche (dalla Purina)

Zuccheri

Basi Pirimidiniche (dalla Pirimidina)

Basi Azotate e Zuccheri Pentosi

Adenina (A) Guanina (G)

Citosina (C) Timina (T) Uracile (U)

Ribosio 2’- deossiribosio

Zucchero

Zucchero

Zucchero

Zucchero

Base

Base

Base

Base

Estremità 5’

Estremità 3’

Acidi nucleiciSi formano x polimerizzazione dei nucleotidi:

Tra il gruppo ossidrilico (3’ del pentoso) di

un nucleotide e il gruppo fosfato (5’) del

successivo si viene a formare un legame

fosfodiestere. Si forma così una catena

polinucleotidica (con direzione 5’ - 3’)

Nucleotide = Nucleoside + FosfatoIl nucleotide (pentoso legato in posizione 1’

con la base azotata e in posizione 5’ con il

gruppo fosfato) tende a legarsi ad altri

nucleotidi formando un acido nucleico.

NB: Gli atomi di Carbonio dello zucchero pentoso vengono numerati da 1 a 5 e contraddistinti con ‘ (1’, 2’ ecc.) per essere distinti dagli atomi di Carbonio della base azotata.

Formazione della catena polinucleotidica


RNAStruttura base

L’RNA è costituito da un singolo

filamento

Il pentoso dell’RNA è il ribosio

Al posto della Timina,

l’RNA ha un’altra base azotata,

l’Uracile

Ribosio

Ribosio

Ribosio

Ribosio

Uracile

Adenina

Citosina

Guanina


Struttura del DNA

Il DNA è composto da una

doppia elica (due filamenti

contrapposti). Una scala a pioli

in cui i montanti sono costituiti

dal deossiribosio e dai gruppi

fosfato e i pioli dalle basi azotate

(A,T,C,G) appaiate e unite da

legami a H.

L’appaiamento delle basi non

avviene in modo casuale, ma

tra basi complementari


Complementarietà delle

Basi AzotateCITOSINA – GUANINA C = G

ADENINA – TIMINA A = T

(C/G + A/T) = 1

La distanza tra le basi è di 0,34 nm

Ciascun filamento compie un giro

completo ogni 10 basi = 3,4 nm

1nm=10-9 cm

Il DNA è una doppia elica con le basiall’interno e lo scheletro di zuccherie fosfati all’esterno della molecola

Le basi di filamenti complementari sono unite da legami H (A--T e G---C).

I due filamenti di DNA corrono in direzioni opposte (5’-3’’ e 3’-5’).

2 nm

0,34 nm

3,4 nm

5’3’

5’3’

Estremità3’

Estremità5’

Estremità5’

Estremità3’

Strutturadel DNA


La sequenza di basi di un’elica determina la sequenza di basi dell’altra

A T A C G C T G

T A T G C G A C

Complementarietà delle

Basi Azotate

3’

3’5’

5’

1,0nm

3,4 nm

0,34 nm

0,34 nm

Idrogeno

Ossigeno

Carbonio

Carbonio e azoto nellebasi appaiate

Fosforo

Solcomaggiore

Solcominore

Impalcaturazucchero-fosfato

3’ 5’

Solcominore

Solcomaggiore


La catena polinucleotidica singola dell’ RNA

può assumere una struttura secondaria e

terziaria in relazione ai possibili appaiamenti

tra basi complementari

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