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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).