Transcript of 1 Le molecole della vita 1° parte Lic. Scientifico A. Meucci Aprilia Prof. Rolando Neri.
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- 1 Le molecole della vita 1 parte Lic. Scientifico A. Meucci
Aprilia Prof. Rolando Neri
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- 2 Composti chimici Inorganici Acqua Sali minerali Organici
Idrocarburi Alcoli, aldeidi Molecole biologiche o biomolecole
Glicidi Lipidi Proteine Acidi nucleici Vitamine Le molecole della
vita
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- 3 1. Lacqua e le sue propriet La struttura delle molecole
dacqua. Ogni molecola di acqua ( H 2 O) formata da 2 atomi di
idrogeno (H) e 1 atomi di ossigeno (O), uniti tramite due legami di
tipo covalente polare. Allinterno della molecola (che nel suo
complesso neutra) la carica elettrica negativa si concentra attorno
al nucleo dellatomo di ossigeno ( ), mentre dalla parte della
coppia di nuclei di idrogeno si concentra la carica elettrica
positiva ( + ).
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- 4 1. Lacqua e le sue propriet La polarit delle molecole dacqua
determina la formazione dei legami a idrogeno. Cio, tra la parte
negativa di una molecola dacqua e la parte positiva di unaltra
molecola si manifesta una debole forza di attrazione
elettrostatica, detta legame a idrogeno o ponte idrogeno. Questo
legame intermolecolare, molto pi debole dei legami chimici, si
stabilisce anche con qualsiasi altra sostanza polare.
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- 5 1. Lacqua e le sue propriet Leffetto visibile intorno alle
foglie dovuto alla tensione superficiale dellacqua, che si basa
sullattrazione reciproca delle molecole dacqua, ed una conseguenza
della formazione dei legami a idrogeno tra le molecole di acqua in
superficie e quelle sottostanti Se tale attrazione avviene tra
molecole della stessa sostanza viene detta coesione, altrimenti
prende il nome di adesione.
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- 6 1. Lacqua e le sue propriet La capillarit il risultato
dellazione combinata della coesione tra le molecole dacqua e della
loro adesione alla superficie del vetro. Le molecole polari sono
attratte dalla superficie del vetro e trascinano con s, per
coesione, altre molecole dacqua. Il fenomeno della capillarit
permette la risalita dei liquidi nelle piante. Grazie alla
capillarit le piante assorbono lacqua con le radici e la
trasferiscono a tutte le parti del fusto e delle foglie.
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- 7 1. Lacqua e le sue propriet A causa del suo elevato calore
specifico (quantit di calore necessaria per elevare la temperatura
di 1 g di sostanza di 1C), lacqua del mare si riscalda e si
raffredda pi lentamente durante il giorno rispetto al terreno o
alla roccia, determinando le brezze. Anche questa propriet
dellacqua dipende dalla formazione dei legami a idrogeno, che
tendono a limitare il movimento delle molecole. Per innalzare la
temperatura dellacqua, infatti, necessario aumentare lenergia
cinetica delle sue molecole, ma per poterlo fare bisogna prima
rompere i legami a idrogeno tra esse.
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- 8 1. Lacqua e le sue propriet La minore densit del ghiaccio
rispetto allacqua liquida lo fa galleggiare e permette la vita
nellacqua sotto ad esso. Per via della forma tridimensionale delle
sue molecole a 0C ogni molecola dacqua forma 4 legami a idrogeno
con altrettante molecole, che sono costrette ad allontanarsi, e
quindi aumenta il volume della stessa massa dacqua, e ci determina
una diminuzione della densit. Lalto contenuto dacqua presente nelle
piante e negli animali terrestri contribuisce a mantenere piuttosto
costante la loro temperatura interna. In genere, per questa foca e
per gli altri esseri viventi, mantenere costante la temperatura
fondamentale, dal momento che le reazioni chimiche biologicamente
importanti hanno luogo soltanto entro limiti ristretti di
temperatura.
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- 9 2. Lacqua come solvente Molte sostanze si sciolgono nellacqua
formando delle miscele omogenee, chiamate soluzioni. In queste
soluzioni il componente pi abbondante, che definiamo solvente,
lacqua; le sostanze disciolte, presenti in minore quantit, sono
dette soluti. Il rapporto tra la quantit di soluto e la quantit di
soluzione chiamato concentrazione. La concentrazione pu essere
espressa in percentuale di soluto rispetto alla soluzione, o in
massa di soluto per volume di soluzione (in g/L), ma soprattutto in
moli di soluto su litro di soluzione (Molarit): M = mol/L
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- 10 2. Lacqua come solvente Le sostanze polari sono solubili in
acqua e sono dette idrofile, le sostanze apolari sono insolubili in
acqua e sono dette idrofobe. La solubilit in acqua dei composti
dipende dalla loro struttura molecolare, come viene evidenziato
nella figura.
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- 11 3.1. Reazioni chimiche in soluzione La ionizzazione
dellacqua. Lacqua pura allo stato liquido ha una debolissima
tendenza a ionizzarsi: un piccolo numero di molecole si scinde in
ioni H + (protoni) e OH (ossidrili). Lo ione H + estremamente
reattivo e tende a legarsi subito con unaltra molecola dacqua. Si
forma cos lo ione H 3 O + (idronio). La tendenza a ionizzarsi delle
molecole dacqua bilanciata dalla tendenza degli ioni H 3 O + e OH a
riassociarsi tra loro per formare molecole di H 2 O. Si crea, cio,
un equilibrio chimico dinamico: 2 H 2 O H 3 O + + OH Le due frecce
indicano che la reazione procede in entrambe le direzioni.
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- 12 3.2. Reazioni chimiche in soluzione Acido qualsiasi molecola
o ione che possa donare un protone. Base qualsiasi molecola o ione
che possa accettarlo. Il grado di acidit si misura tramite il pH,
un parametro legato alla concentrazione in soluzione di ioni H 3 O
+. Le sostanze acide hanno pH compreso tra 0 e 7; quelle basiche pH
tra 7 e 14; quelle con pH circa 7 sono dette neutre. Nei liquidi
organici vi sono sistemi chimici che servono a mantenere le
variazioni di pH in un ristretto intervallo.
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- 13 3.2. Reazioni chimiche in soluzione Un tipo di reazione
chimica: lossidoriduzione Una reazione di ossidoriduzione (o
reazione redox) una reazione in cui una sostanza cede uno o pi
elettroni a unaltra sostanza: la riduzione lacquisto di uno o pi
elettroni da parte di un atomo, uno ione o una molecola
lossidazione la perdita di uno o pi elettroni
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- 14 3.2. Reazioni chimiche in soluzione Un tipo di reazione
chimica: lossidoriduzione Nelle reazioni biochimiche spesso sono
acquistati o ceduti atomi di idrogeno: lo spostamento di un atomo
di idrogeno comporta sempre un trasferimento di elettroni: H = H +
+ e - Una molecola che perde atomi di idrogeno si ossida, mentre
una molecola che li acquista si riduce Ogni reazione redox comporta
un trasferimento di energia
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- 15 3.2. Reazioni chimiche in soluzione Un tipo di reazione
chimica: lossidoriduzione Nelle cellule le reazioni redox sono
generalmente accompagnate da coenzimi che funzionano da
trasportatori di elettroni e di atomi di idrogeno In conclusione le
reazioni redox sono reazioni accoppiate
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- 16 4 - I composti organici Tutte le molecole organiche
contengono atomi di carbonio (C) uniti ad altri atomi (di carbonio
o di altro tipo) tramite legami covalenti. Ricordiamo che le
propriet di un elemento chimico dipendono dagli elettroni presenti
nel livello energetico pi esterno dei suoi atomi (il livello di
valenza). Un atomo di carbonio ha 4 elettroni in un livello
energetico che ne pu contenere 8: quindi pu formare 4 legami di
tipo covalente con altri atomi. Proprio grazie a questa
caratteristica gli atomi di carbonio possono formare nei composti
organici catene molto lunghe che costituiscono lo scheletro
carbonioso delle molecole organiche. Inoltre, nei composti organici
frequente che due o pi sostanze siano costituite da molecole con la
stessa formula grezza, ma diversa formula di struttura; in questo
caso, le sostanze sono dette isomeri, e hanno propriet chimiche e
fisiche differenti. Non solo, allaumentare del numero di atomi di
carbonio della molecola organica aumenta anche il numero dei suoi
possibili isomeri. Tutto ci spiega perch il numero dei composti
organici naturali e artificiali sia incredibilmente elevato. I
composti organici pi semplici sono gli idrocarburi (come il
petrolio e il metano), costituiti soltanto da carbonio e idrogeno.
Nonostante il loro grande interesse economico, queste sostanze non
sono particolarmente importanti per i sistemi viventi. Tuttavia,
quando uno o pi atomi di carbonio sono sostituiti da atomi o gruppi
di atomi diversi (i cosiddetti gruppi funzionali), allora la
molecola assume delle propriet chimiche e fisiche caratteristiche.
Le diverse classi di composti organici e, quindi anche le
macromolecole biologiche, sono caratterizzati da particolari gruppi
funzionali.
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- 17 LE MOLECOLE BIOLOGICHE O BIOMOLECOLE Costituiscono le
strutture presenti negli organismi viventi
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- 18 5. Le molecole biologiche: i carboidrati I composti organici
contengono gruppi funzionali. Unaltra caratteristica tipica di
questi composti quella di essere, generalmente, molecole grosse e
complesse (chiamate polimeri), formate dallunione di molte molecole
pi piccole simili o identiche (dette monomeri). Come i vagoni di un
treno, i monomeri si ripetono in successione, uniti da legami
covalenti.
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- 19 Caratteristiche: Sono composti chimici costituiti da
carbonio, idrogeno e ossigeno. Sono molto abbondanti in natura.
Hanno sapore dolce. Funzioni: Strutturale: costituiscono strutture
essenziali per gli organismi viventi (funzione di sostegno,
soprattutto nei vegetali cellulosa) Energetica: forniscono energia
per svolgere tutte le funzioni dell'organismo Protezione:
costituiscono lesoscheletro degli invertebrati (chitina) 6. Glicidi
o zuccheri o carboidrati Organismi autotrofi (Es. piante):
sintetizzano zuccheri (glucosio) a partire da componenti inorganici
quali acqua e CO 2 mediante il processo di fotosintesi
clorofilliana. Organismi eterotrofi (Es. animali): soddisfano il
fabbisogno energetico nutrendosi di alimenti che contengono
zuccheri. Ecco alcuni esempi: frutta e miele -> fruttosio;
glucosio barbabietola da zucchero, zucchero di canna ->
saccarosio latte e latticini -> lattosio cereali (pane, pasta,
riso), tuberi (patate) e legumi -> amido carne e pesce ->
glicogeno
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- 20 Disaccaridi (formati da 2 molecole di zucchero) Glucosio +
fruttosio Saccarosio (comune zucchero da cucina) Glucosio +
glucosio Maltosio (deriva da digestione dellamido) Glucosio +
galattosio Lattosio (in latte e latticini) Polisaccaridi (formati
da pi di 20 molecole di glucosio) Amido riserva energetica nei
vegetali (cereali, tuberi, legumi) si accumula in amiloplasti nella
cellula vegetale si trova nei semi e nelle radici Glicogeno riserva
energetica negli animali si accumula in muscoli e fegato Cellulosa
funzione di sostegno nei vegetali si trova nella parete cellulare
delle cellule vegetali pu essere digerita solo dagli erbivori il
composto organico pi abbondante sulla Terra 6. I diversi tipi di
glicidi Monosaccaridi (formati da 1 molecola di zucchero) 5C
Ribosio Desossiribosio Componenti degli acidi nucleici Glucosio
principale fonte di energia Fruttosio si trova nella frutta
Galattosio si trova nel latte 6C
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- 21 6. Le molecole biologiche: i carboidrati I carboidrati
vengono classificati in base al numero di molecole che contengono.
I carboidrati pi semplici sono i monosaccaridi. Nella molecola dei
monosaccaridi per ogni atomo di carbonio sono presenti due atomi di
idrogeno. In soluzione acquosa i monosaccaridi presentano, oltre
alla struttura a catena lineare, una struttura chiusa ad anello. Il
glucosio ( 6C ), la principale fonte di energia per gli esseri
umani e gli altri vertebrati.
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- 22 6. Come si formano i disaccaridi? Glucosio OH Fruttosio HO
Reazione di condensazione H2OH2O Saccarosio O Le molecole dei vari
monosaccaridi possono unirsi tra loro per dare zuccheri con
molecole pi grandi, come il saccarosio ( lo zucchero che usiamo a
tavola). Il saccarosio, la cui molecola formata da due unit diverse
(una molecola di glucosio e una di fruttosio), un disaccaride.
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- 23 6. Come si formano i disaccaridi? Glucosio OH Glucosio HO
Reazione di condensazione H2OH2O Glucosio OH Galattosio HO Reazione
di condensazione H2OH2O Maltosio O Lattosio O I due schemi
rappresentano la formazione del maltosio, presente nei cereali, e
del lattosio, lo zucchero presente nel latte.
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- 24 6. Le molecole biologiche: i carboidrati I monosaccaridi si
uniscono a formare i carboidrati pi complessi ( detti
polisaccaridi) tramite reazioni di condensazione ripetute.
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- 25 Granuli di amido in cellule di tubero di patata Granuli di
glicogeno nel tessuto muscolare Fibre di cellulosa nella parete di
una cellula vegetale Monomeri di glucosio Molecole di cellulosa
Amido Glicogeno Cellulosa 25 6. I polisaccaridi di interesse
biologico Alcuni polisaccaridi funzionano come riserve di zuccheri
per gli animali (amidi nelle piante, glicogeno negli animali),
altri hanno una funzione strutturale (cellulosa).