fisica24ore Biofisica

L’ACQUA…la sorgente della vita

fisica24ore Biofisica

Sembra semplice l’acqua...

Dal punto di vista chimico l’acqua è un composto di idrogeno ed

ossigeno

La sua molecola consiste di due atomi di idrogeno e

un atomo di ossigeno

fisica24ore Biofisica

…ma non lo è

Sono state elencate almeno 37 anomalie dell’acqua, cioè comportamenti anomali che l’acqua ha rispetto ad altri composti chimicamente simili:

•alto punto di fusione•alto punto di ebollizione•alto punto critico•alta tensione superficiale•alta viscosità•si contrae quando fonde•la sua densità aumenta all’aumentare della temperatura (fino a 3.984°C)•bassa compressibilità•alto calore specifico

•…ecc…ecc……………….

fisica24ore Biofisica

Le proprietà fisiche e

chimiche dell’acqua sono

straordinariamente

complicate

e non ancora

completamente note e

capite

fisica24ore Biofisica

Nel “range” delle Temperature ordinarie sulla Terra (-40°C - +40°C )

Idrogeno e Ossigeno...

...sono dei gas

fisica24ore Biofisica

…ma se si legano

danno originead un liquido

raffreddando il qualesi ottiene un solido

fisica24ore Biofisica

Diagramma di fase per l’acqua

fisica24ore Biofisica

T=100°C

T 10000°C

fisica24ore Biofisica

L’acqua è

causa primaria

di tutte le forme di vita sulla terra

fisica24ore Biofisica

Quali meccanismi hanno sviluppato gli organismi viventi per utilizzare l’acqua

in un ambiente di idrocarburi?

fisica24ore Biofisica

Quattro miliardi di anni fa sul nostro pianeta “le acque si separarono dai continenti” e le prime forme di vita ebbero origine nell’acqua.

fisica24ore Biofisica

La vita sulla terra si è sviluppata sulla base della chimica del

carbonio

metano

composti azotati

acqua

anidride carbonica

fisica24ore Biofisica

la sequenza degli eventi base dello “stato vivente”

autoorganizzazione

evoluzione

autocatalisi

riproduzione

fisica24ore Biofisica

un codice genetico

un set di amminoacidi di specifica chiralità

I sistemi viventi hanno messo a punto

Ala

DNA

fisica24ore Biofisica

Come l’acqua

ha contribuito e contribuisce

all’architettura e

al funzionamento

dei sistemi viventi ?

fisica24ore Biofisica

lipidi

proteine

acidi nucleici

fisica24ore Biofisica

L’acqua gioca un ruolo funzionale di fondamentale importanza nei processi che coinvolgono biomolecole:

architettura delle proteine

stabilità conformazionale

protein folding

catalisi enzimaticabinding

selettività di interazioni specifiche

fisica24ore Biofisica

Il processo di “folding” delle proteine

fisica24ore Biofisica

La molecola dell'acqua ha due coppie di elettroni di legame

e due “lone pair”.

L’acqua è una molecola polare

fisica24ore Biofisica

La differenza dei valori di

elettronegatività, tra gli atomi di H e di

O (2,1 contro 3,5) fa sì che la nube

elettronica costituita dagli elettroni di

legame sia più "spostata”

sull'atomo di O (parzialmente

negativo) piuttosto che su

quelli di H (parzialmente positivi). = 1.8 D

fisica24ore Biofisica

Per questa proprietà

l’acqua partecipa ad un gran numero di interazioni, tutte importanti dal punto di vista biologico:

carica-dipolosolvatazione degli ioni

dipolo-dipolo solvatazione delle molecole polari

van der Waalsdetermina la distanza tra molecole non interagenti con altre forze più intense

fisica24ore Biofisica

legame idrogeno

caso particolare di interazione dipolare che coinvolge molecole aventi

un atomo H legato ad un atomo elettronegativo

(nelle biomolecole N o O)

l'atomo d'idrogeno (fortemente polarizzato

positivamente) è attratto

dall'ossigeno della molecola adiacente (fortemente polarizzato negativamente)

fisica24ore Biofisica

fisica24ore Biofisica

interazioni idrofobiche

non si tratta realmente di un tipo di forza, ma di una interazione fra l’acqua e una molecola apolare, modulata da variazioni di entropia

Le molecole d’acqua che circondano molecole apolari formano uno stretto reticolo di molecole connesse da ponti H, in cui moti e orientazioni sono fortemente limitati

S<0

fisica24ore Biofisica

L’interazione si traduce nella tendenza che queste molecole apolari mostrano di unirsi tra di loro escludendo l’acqua... i

H2O

fisica24ore Biofisica

Legame H

e

interazioni idrofobiche

sono i due effetti principali che

determinano la struttura delle

biomolecole

fisica24ore Biofisica

Interazioni che determinano la struttura delle biomolecole

Biomolecole Legame H Eff ettoidrofobico

carboidrati

lipidi

proteine

acidi nucleici

Biomolecole Legame H Eff ettoidrofobico

carboidrati

lipidi

proteine

acidi nucleici

Biomolecole legame H eff ettoidrofobico

carboidrati lipidi

proteine acidi nucleici

Biomolecole legame H eff ettoidrofobico

carboidrati lipidi

proteine acidi nucleici

fisica24ore Biofisica

lisozima

H2O

fisica24ore Biofisica

Molte tecniche fisiche permettono di “monitorare” lo stato dell’acqua

legata alle macromolecole biologiche.

Esse si basano sulle speciali

proprietà chimico-fisiche delle molecole d’acqua che, in tal modo,

vengono usate come

sonda

per studiare le macromolecole alle quali

sono coordinate

fisica24ore Biofisica

• NMR

• scattering neutronico

• diffrazione dei raggi X

• spettroscopie dielettriche

• spettroscopie ottiche

fisica24ore Biofisica

FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy

fisica24ore Biofisica

fisica24ore Biofisica

Spettro di assorbimento dell’acqua

fisica24ore Biofisica

Le molecole d’acqua trasformano l’energia della radiazione infrarossa in vibrazioni

fisica24ore Biofisica

registrando le quali...

fisica24ore Biofisica

proteine: l’interazione idrofobica guida la creazione del “core” dove le catene aminoacidiche apolari risultano racchiuse; i legami H interni e con l’ambiente esterno determinano la struttura.

ribonucleasi

fisica24ore Biofisica

DNA: le interazioni idrofobiche guidano la formazione della doppia elica, con le basi aromatiche all’interno e lo scheletro zucchero-fosfato, polare/carico, esposto all’acqua; i legami H determinano le interazioni tra le basi e quelle tra lo scheletro zucchero-fosfato e l’ambiente esterno

fisica24ore Biofisica

Membrane: le interazioni idrofobiche creano il bilayer lipidico

modello di membrana

cellulare

fisica24ore Biofisica

Soltanto mezzo miliardo di anni fa la vita uscì dagli oceani e incominciò a conquistare la terraferma...

…prima le piante e gli anfibi poi i rettili, gli uccelli, i mammiferi e infine l’uomo

fisica24ore Biofisica

vegetali

fisica24ore Biofisica

acquaaria

sali minerali

danno cibo agli erbivori

nutrono i carnivoririducono

tutto in….

alghe

funghibatteri rifiuti organici

fisica24ore Biofisica

Le piante, tramite la clorofilla,sanno utilizzare l’energia del sole

fisica24ore Biofisica

La luce del Sole ha esattamente l’energia necessaria per spezzare una molecola d’acqua rendendo possibile la formazione degli zuccheri che sono la fonte di energia di ogni creatura vivente

FOTOSINTESI

H2O + CO2=zuccheri

+ossigeno

fisica24ore Biofisica

La vita sulla Terrasi regge sulla fotosintesi

e quindi sull’acqua