I Lezione Modulo Biologia

I bioelementi

Insieme degli elementi chimici che entrano nella composizione della materia vivente macrocostituenti (o elementi plastici), posso costituire fino al 99% della materia vivente, questi sono: carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo, e fosforo microcostituenti, sono presenti nella materia vivente in quantit pi ridotta e sono: potassio, cloro, calcio, sodio, magnesio, ferro, iodio. L'organismo vivente necessit di questi ultimi bioelementi per svolgere le sue funzioni biochimiche, ma il livello di concentrazione deve rimanere equilibrato per evitare l'intossicazione dell'organismo stesso

L'aggregazione di bioelementi costituisce le biomolecole, o molecole organiche

I bioelementi

Gli oligoelementi o microelementi sono presenti in bassissimi quantit nella materia vivente ma sono comunque essenziali per molti organismi. Tra questi ricordiamo lo Iodio; utilizzato dal nostro organismo per la sintesi degli ormoni tiroidei, il Fluoro; presente in piccole quantit in quasi tutti i tessuti umani ma soprattutto nello scheletro e nei denti. Il Carbonio- Idrogeno - Ossigeno Azoto costituiscono circa il 94% di tutti gli oligoelementi

I bioelementi

Uno degli atomi che occupa un posto centrale nella chimica della vita spetta al Carbonio Il motivo principale che il Carbonio, oltre ad essere un elemento particolarmente diffuso in natura, possiede 4 elettroni, superficiali che pu condividere con altri elementi chimici per formare quattro legami covalenti stabili Il fatto pi interessante per la capacit del carbonio di legarsi con altri atomi di carbonio per formare lunghe catene, variamente ramificate o addirittura chiuse a formare anelli.

I bioelementi

I composti organici che formano la maggior parte degli organismi viventi possono essere raggruppati in 4 classi fondamentali: Carboidrati Proteine Lipidi Acidi Nucleici

Limportanza biologica delle interazioni deboli

Le molecole organiche sono in grado di interagire tramite linstaurarsi di legami deboli Le forze intermolecolari (spesso indicate come forze di van der Waals): forze di dispersione (o di London) interazioni dipolo-dipolo forze di induzione interazioni ione-dipolo legami a ponte di idrogeno In generale, si chiamano forze di van der Waals o forze di dispersione di London o interazioni dipolo indotto-dipolo indotto le attrazioni di natura elettrica che si hanno tra le molecole apolari, quando le sostanze si trovano negli stati condensati.


Le Forze di attrazione di Van der Waals sono forze di interazione relativamente deboli che uniscono le molecole neutre in quasi tutti i composti organici liquidi e solidi In chimica per forza di Van der Waals si intende un tipo di debole attrazione intermolecolare causata da dipoli molecolari indotti Come si possono classificare le interazioni non covalenti? I risposta Interazioni elettrostatiche, legami idrogeno, interazioni di Van der Waals ed effetto idrofobico II risposta forze di dispersione, interazione dipolo-dipolo, forze di attrazione, legame ione-dipolo, legami a ponte di idrogeno


Forze di dispersione (o di London)


Interazioni dipolo-dipolo: sono le attrazioni elettriche che si sviluppano tra molecole polari cio tra un dipolo e l'altro prevalentemente quando le sostanze si trovano negli stati condensati (solido o liquido). Questo tipo di attrazione piuttosto intenso e si spiega ammettendo che il polo positivo di una molecola attiri il polo negativo della molecola vicina.

Forze di induzione: sono dovute alla formazione di un momento dipolare indotto in molecole che si trovano in prossimit di una carica (ione o dipolo permanente). Il contributo di queste forze alle interazioni intermolecolari generalmente piuttosto piccolo.


Interazioni ione-dipolo: si manifestano principalmente nelle soluzioni di composti ionici in solventi polari, in particolare in acqua. Portano alla formazione di ioni idrati

Legami a ponte di idrogeno: questo tipo di legame un tipo di attrazione intermolecolare che si instaura quando un atomo di idrogeno facente parte di una molecola direttamente legato ad un atomo notevolmente elettronegativo quale ossigeno, fluoro e azoto. Nell'acqua allo stato liquido esiste una certa percentuale di legame a idrogeno che aumenta quando l'acqua passa dallo stato liquido a quello solido

Le propriet dellacqua

La molecola dellacqua costituita da due atomi di idrogeno e da un atomo di ossigeno, la sua formula chimica H2O. Latomo di ossigeno pi grosso dellatomo didrogeno per cui la molecola non ha una forma lineare, ma i tre atomi formano un angolo di circa 105:ne deriva che la molecola risulta formata da due poli: un polo formato dallossigeno (negativo) ed un polo formato da due atomi di idrogeno (positivo) e si comporti quindi come un dipolo. Il legame idrogeno si forma quando due molecole condividono un atomo di idrogeno.


CONSEGUENZE DEL LEGAME IDROGENOTENSIONE SUPERFICIALE: causata dalla coesione tra le molecole dacqua. La coesione data dal fatto che le molecole di acqua aderiscono luna allaltra; si forma una pellicola sulla superficie dellacqua a mediante legami di idrogeno. AZIONE CAPILLARE: la capacit delle molecole di acqua di aderire a una sostanza idrofila; il vetro ha una superficie idrofila che attrae le molecole dacqua con una forza sufficiente a vincere la forza di gravit per cui lacqua tende a risalire lungo un tubetto di vetro. Quando le molecole di acqua esterne risalgono il tubicino trascinano con s le molecole adiacenti unite da legami idrogeno, cos si ha la risalita dellacqua anche al centro del tubo; SOLUBILITA: lacqua un buon solvente per moltissime sostanze. Lacqua unita ad un sale o a uno zucchero (detti soluto) forma una soluzione. La solubilit dellacqua aumenta allaumentare della temperatura.


I PASSAGGI DI STATO DELLACQUA

In

base alle condizioni di pressione e temperatura, una sostanza pura pu assumere la fase solida, quella liquida o la fase di vapore.


L'IMPORTANZA BIOLOGICA DELL ACQUALorganismo umano per almeno il 65% costituito da acqua; i fluidi corporei che hanno il maggiore contenuto di acqua sono il liquido cefalo-rachidiano (99%), il midollo osseo (99%) e il plasma sanguigno (85%). Risulta quindi di fondamentale importanza per il trasporto dei nutrienti in tutti i distretti corporei e per l'eliminazione e l'escrezione, tramite lurina, delle scorie prodotte nelle reazioni biochimiche; regolazione della temperatura corporea (tramite la sudorazione); partecipa inoltre alla digestione, favorendo il transito intestinale e lassorbimento delle sostanze nutritive; la sede delle reazioni metaboliche.


Modi differenti di trovare le domande Il legame a ponte di idrogeno un caso particolare di: Interazione dipolo-dipolo Di quale legame tipica linterazione Dipolo-Dipolo? Legame a ponte di idrogeno La molecola dellacqua ha le caratteristiche di dipolo e quindi tra di loro si pu formare un legame: a ponte di idrogeno Per la sua elevata polarit l'acqua aderisce fortemente a qualunque superficie costituita da molecole che presentino cariche elettriche. Questa capacit alla base dei fenomeni di: capillarit e imbibizione I fenomeni di capillarit e imbibizione dellacqua sono dovuti: allelevata polarit dellacqua che le consente di aderite a qualunque superficie che presenta carica elettrica

Le molecole organiche presenti negli organismi viventi e rispettive funzioni

I CARBOIDRATII carboidrati sono le biomolecole pi abbondanti sulla Terra, sono una classe di molecole di formula generale Cn(H2O)m In natura i glucidi (carboidrati o zuccheri) si trovano come zuccheri semplici o monosaccaridi e zuccheri composti da 2 o pi monosaccaridi. In quest'ultimo caso si parla rispettivamente di disaccaridi e polisaccaridi Alcuni carboidrati vengono sintetizzati per immagazzinare riserve di zuccheri, altri hanno invece funzioni strutturali Dallossidazione dei carboidrati (glucosio) ricaviamo lenergia per il nostro metabolismo Altri carboidrati (ribosio e 2-deossiribosio) sono costituenti fondamentali degli acidi nucleici e quindi a loro affidato il nostro patrimonio genetico.


IL GLUCOSIO

Forma circolare

uno dei carboidrati pi importanti ed usato come fonte di energia sia dagli animali che dalle piante. Il glucosio il principale prodotto della fotosintesi clorofilliana ed il combustibile della respirazione cellulare. Il Glucosio pu trovarsi nellorganismo anche in forma di polimero, quindi pi molecole di glucosio legate tra loro. Il polimero di glucosio che si trova nellorganismo umano il Glicogeno, che serve da riserva di energia. Il corrispettivo nelle cellule vegetali lamido.


LE PROTEINELe proteine sono le macromolecole pi abbondanti, presenti in tutte le cellule e in tutti i compartimenti cellulari Le proteine sono le sostanze chimiche che svolgono i compiti pi svariati all'interno della cellula. Le funzioni proteiche possono essere riassunte in due principali attivit: strutturali o plastiche regolazione o controllo

La proteine sono gli strumenti molecolari attraverso cui si esprimono le informazioni genetiche. Esse possono essere profondamente diverse tra loro; una singola cellula pu contenere migliaia di proteine, che svolgono diverse funzioni tra cui quelle principali sono la funzione strutturale, e quella enzimatica. Tutte le proteine sono costituite da 20 amminoacidi, legati tra loro in modo covalente.


GLI AMINOACIDITutti gli amminoacidi costituenti le proteine sono alfaamminoacidi; possiedono un gruppo carbossilico e un gruppo amminico legati allo stesso atomo di carbonio (il carbonio alfa). differiscono tra loro per la catena laterale, o gruppo R. Gli amminoacidi si legano tra loro a formare le proteine tramite un legame di condensazione (LEGAME PEPTIDICO), facendo reagire il gruppo amminico di un amminoacido con il gruppo carbossilico di un altro, con perdita di una molecola di acqua.


Amminoacidi essenziali Fenilalanina Isoleucina Leucina Lisina Metionina Treonina Triptofano Valina

Amminoacidi non essenziali Acido Aspartico Acido glutammico Alanina Arginina Asparagina Cisteina Glicina Glutammina Istidina Prolina Serina Tirosina


I LIPIDISono triesteridel glicerolo, o trigliceridi. Si parla di grassi, che sono di origine animale, e di oli, che sono di origine vegetale. Hanno la caratteristica di essere insolubili in acqua e di essere altamente idrofobiche. I lipidi sono la base su cui vengono formati il colesterolo, costituente della membrana e precursore di importanti biomolecole; vitamine liposolubili (A, D, E, K); ormoni; cofattori enzimatici; trasportatori di elettroni; pigmenti per lassorbimento della luce; messaggeri intracellulari; cere. Principali funzioni dei lipidi 1) sono un'importante riserva energetica (olii e grassi) : 1 g fornisce circa 9 kcal; 2) sono i componenti fondamentali delle membrane cellulari in tutti i tessuti; 3) sono i precursori di sostanze regolatrici del sistema cardiovascolare, della coagulazione del sangue, della funzione renale e del sistema immunitario; 4) i lipidi alimentari oltre a fornire energia sono trasportatori per le vitamine liposolubili e provvedono al fabbisogno di Acidi Grassi Essenziali AGE . In particolare studiamo: i TRIGLICERIDI, i FOSFOLIPIDI e il COLESTEROLO.


I FOSFOLIPIDII fosfolipidi sono i costituenti principali della membrana cellulare. Essi sono lipidi formati da una "testa" di glicerolo legato ad un gruppo fosfato e a due "code" di acidi grassi. Sono molecole anfipatiche, ovvero possiedono caratteristiche sia polari che non. In queste molecole, due dei tre atomi di carbonio del glicerolo sono esterificati con acidi grassi a lunga catena (gruppo non polare), mentre il terzo ha una porzione della catena molto pi piccola, che contiene un gruppo fosfato carico negativamente (gruppo polare). Fanno parte di tutte le membrane costituenti la cellula, quindi la membrana plasmatica, la membrana nucleare, il reticolo endoplasmatico, la membrana .mitocondriale, lapparato del Golgi.


IL COLESTEROLO

Il colesterolo si trova nel nostro organismo sia libero (25 - 40 %) che esterificato da acidi grassi a lunga catena. Il colesterolo un componente delle membrane cellulari di cui regola fluidit e permeabilit; il precursore degli ormoni steroidei sia maschili sia femminili (testosterone, progesterone, estradiolo, cortisolo), della Vitamina D e dei sali biliari. Il colesterolo viene in parte introdotto nell'organismo attraverso la dieta ed in parte sintetizzato dal fegato a partire dagli acidi grassi saturi. Il fegato anche l'organo che demolisce il colesterolo in eccesso. Nel sangue il colesterolo viene trasportato da due tipi di proteine andando a formare i complessi LDL (Low Density Lipoprotein = a basso peso molecolare) o colesterolo cattivo ed HDL (High Density Lipoprotein = ad alto peso molecolare) o colesterolo buono. Sembra che un elevato rapporto HDL/LDL diminuisca drasticamente il rischio di malattie cardiovascolari

Il ruolo degli enzimi

ENZIMIGli enzimi sono dei catalizzatori (acceleratori) delle reazioni biologiche. Un catalizzatore una sostanza in grado di accelerare lo svolgimento di una reazione chmica diminuendo lenergia richiesta per farla iniziare (energia di attivazione) aumentendo, dunque, la velocit della reazione in oggetto. Il catalizzatore partecipa alla reazione, ma non venendo consumato, ne esce inalterato e pu essere riutilizzato in altre reazioni. Quasi tutti gli enzimi sono proteine con funzione plastica.

Il ruolo degli enzimi

MECCANISMO DAZIONE DEGLI ENZIMIQuando un substrato S viene convertito in prodotto P ( a minor contenuto energetico rispetto a S altrimenti la reazione sarebbe termodinamicamenteimpossibile) le molecole di S passano attraverso uno stato intermedio tra S e P (lo stato di transizione S*) caratterizzato da un contenuto energetico maggiore di quello di S. La differenza tra il contenuto di energia di S e quello di S* si chiama energia di attivazione di S. Lenzima in grado di abbassare questa energia di attivazione legandosi a S*. Il sito dellenzima a cui si lega S* detto sito attivo, che non altro che una tasca della proteina allinterno della quale si trovano delle cariche elettriche in grado di poter legare il substrato.

Lesistenza di un sito attivo dove si lega il substrato e dove avviene la sua trasformazione in prodotto determina alcune delle propriet comuni a tutti gli enizmi: Specificit, saturabilit e inibibilit.

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