Biofisica fisica24ore LACQUA…la sorgente della vita.

fisica24ore Biofisica

L’ACQUA…la sorgente della vita


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


…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……………….


Le proprietà fisiche e

chimiche dell’acqua sono

straordinariamente

complicate

e non ancora

completamente note e

capite


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

Idrogeno e Ossigeno...

...sono dei gas


…ma se si legano

danno originead un liquido

raffreddando il qualesi ottiene un solido


Diagramma di fase per l’acqua


T=100°C

T 10000°C


L’acqua è

causa primaria

di tutte le forme di vita sulla terra


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

in un ambiente di idrocarburi?


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


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

carbonio

metano

composti azotati

acqua

anidride carbonica


la sequenza degli eventi base dello “stato vivente”

autoorganizzazione

evoluzione

autocatalisi

riproduzione


un codice genetico

un set di amminoacidi di specifica chiralità

I sistemi viventi hanno messo a punto

Ala

DNA


Come l’acqua

ha contribuito e contribuisce

all’architettura e

al funzionamento

dei sistemi viventi ?


lipidi

proteine

acidi nucleici


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


Il processo di “folding” delle proteine


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

e due “lone pair”.

L’acqua è una molecola polare


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


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


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)


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


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

H2O


Legame H

e

interazioni idrofobiche

sono i due effetti principali che

determinano la struttura delle

biomolecole


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


lisozima

H2O


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


• NMR

• scattering neutronico

• diffrazione dei raggi X

• spettroscopie dielettriche

• spettroscopie ottiche


FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy


Spettro di assorbimento dell’acqua


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


registrando le quali...


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


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


Membrane: le interazioni idrofobiche creano il bilayer lipidico

modello di membrana

cellulare


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


vegetali


acquaaria

sali minerali

danno cibo agli erbivori

nutrono i carnivoririducono

tutto in….

alghe

funghibatteri rifiuti organici


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


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


La vita sulla Terrasi regge sulla fotosintesi

e quindi sull’acqua

Biofisica fisica24ore LACQUA…la sorgente della vita.

Documents

Transcript of Biofisica fisica24ore LACQUA…la sorgente della vita.