BIOLOGIA LEZIONE N 3 Slide N 44 La

BIOLOGIA LEZIONE N. 3 Slide N. 44 La CHIMICA della VITA BIOELEMENTI e BIOMOLECOLE Classe II ITI Prof. Fabrizio CARMIGNANI fabcar@hotmail. it www. fabriziocarmignani. com IISS “Mattei” – Rosignano S. (LI)

BIOCHIMICA o BIOLOGIA MOLECOLARE Parte della BIOLOGIA che studia la struttura e le funzioni delle sostanze chimiche formano il corpo degli esseri viventi 1. BIO-ELEMENTI 2. BIO-MOLECOLE

1. BIOELEMENTI Le proprietà caratteristiche dei viventi si possono osservare a ogni livello della loro struttura gerarchica D. ORGANO: muscolo delle ali Le strutture biologiche hanno un’organizzazione gerarchica, alla cui base, come per tutta la materia, ci sono gli C. CELLULE e TESSUTI: muscolari ELEMENTI CHIMICI del. Cellule tessuto muscolare Farfalla notturna: FALENA della crotalaria (Utetheisa ornatrix) B. ORGANULO: miofibrilla (solo nelle cellule muscolari) ACTINA MIOSINA A. MOLECOLA: actina ATOMO

Nella composizione chimica degli esseri viventi rientrano circa 25 elementi naturali definiti BIOELEMENTI, in proporzioni diverse, che si possono combinare tra loro per formare i composti Per la VITA Sono fondamentali circa 25 elementi chimici (sostanze che non possono essere scomposte in altre sostanze mediante mezzi chimici tradizionali) rispetto al centinaio e passa della TAVOLA PERIODICA degli ELEMENTI dall’IDROGENO (numero atomico 1) all’URANIO (numero atomico 92) sono NATURALI dopo sono tutti ARTIFICIALI

TAVOLA PERIODICA degli ELEMENTI

CARBONIO, IDROGENO, OSSIGENO e AZOTO sono i 4 elementi fondamentali per costruire la maggior parte della materia vivente (da soli costituiscono quasi il 97% della materia vivente) BIOLELEMENTI Elementi PRINCIPALI Elementi SECONDARI OLIGOELEMENTI

Gli elementi in tracce (OLIGOELEMENTI) sono essenziali per gli organismi ma soltanto in minime quantità e in modo variabile a seconda degli organismi OLIGOELEMENTI: MOLTI sono indispensabili per tutte le forme di vita, mentre ALCUNI lo sono solo per certe specie q FERRO: es. si trova nell’emoglobina dei GLOBULI ROSSI (ERITROCITI o EMAZIE) dei vertebrati q VANADIO: solo nel sangue delle ASCIDIE Phylum CORDATI e sub/phylum TUNICATI o UROCORDATI

OLIGOELEMENTI : sono additivi comuni di cibo e acqua Carenze alimentari di alcuni OLIGOELEMENTI possono causare diverse condizioni fisiologiche Per es. una carenza o un eccesso di IODIO impediscono il normale funzionamento della ghiandola TIROIDE (ghiandola endocrina) provocandone l’ingrossamento, malattia chiamata GOZZO Donna affetta da GOZZO

Principi di CHIMICA Ø INORGANICA ØORGANICA Differenze tra i 2 settori della CHIMICA e le rispettive sostanze studiate: 1. Sostanze INORGANICHE 2. Sostanze ORGANICHE

In passato, si pensava che le sostanze ORGANICHE, che contenevano CARBONIO, potessero essere prodotte solo dagli esseri viventi (MONDO BIOTICO) e che le sostanze INORGANICHE appartenessero solamente al mondo dei non viventi (MONDO ABIOTICO) Infatti la parola “organica” deriva da organismo. Questo modo di pensare è andato avanti sino al 1828 quando il chimico tedesco WHOLER riuscì ad ottenere in laboratorio (artificialmente) una sostanza tipica degli esseri viventi e quindi contenente carbonio e cioè l’UREA: NH 2 C=O NH 2 Formula struttura UREA

Quindi, da quel momento (metà 1800), la tradizionale distinzione tra sostanze organiche ed inorganiche si è modificata, anche in virtù del fatto che dopo la produzione in laboratorio dell’UREA tante altre sostanze contenenti carbonio sono state prodotte artificialmente e tante vengono prodotte ancora oggi ogni giorno dall’industria chimica. Quindi la definizione moderna è: 1. CHIMICA ORGANICA - settore della chimica che studia i composti del CARBONIO 2. CHIMICA INORGANICA - settore della chimica che studia tutti gli altri composti tranne alcune eccezioni: CO 2 – CO – H 2 CO 3 e suoi sali (CARBONATI) che pur contenendo carbonio presentano caratteristiche simili a quelle delle sostanze inorganiche

ELEMENTI CHIMICI possono combinarsi insieme per formare i composti COMPOSTO sostanza costituita da più elementi combinati secondo un rapporto fisso SODIO Na CLORO Cl 2 CLORURO di SODIO Na. Cl

Gli ATOMI sono formati da: q. PROTONI q. NEUTRONI q. ELETTRONI PARTICELLE SUB-ATOMICHE ATOMO: il nome deriva dalla parola greca àtomos che significa «indivisibile» . Termine usato per la prima volta dal filosofo dell’antica Grecia DEMOCRITO è la più piccola unità di materia che conserva le proprietà di un ELEMENTO. . ma NON di un COMPOSTO dove la più piccola unità è la MOLECOLA….

Le PARTICELLE SUB-ATOMICHE q Un ATOMO è costituito da protoni e neutroni situati in un NUCLEO CENTRALE q Il NUCLEO è circondato da elettroni organizzati in gusci elettronici – – + + Struttura di un ATOMO Numero atomico 2 (ELIO) NUVOLA ELETTRONICA 2 e– + + NUCLEO 2 + Protoni Neutroni 2 2 – Elettroni Numero di massa = 4

La DIVERSITÀ tra ELEMENTI Gli ATOMI di ciascun elemento sono caratterizzati da uno specifico numero di protoni, che rappresenta il NUMERO ATOMICO, corrispondente a quello degli elettroni in quanto gli atomi sono neutri NUVOLA ELETTRONICA Struttura schematica di un ATOMO 6 e– Numero atomico 6 (CARBONIO) ++ NUCLEO 6 PROTONI e 6 ELETTRONI +6 -6 = 0 Gli ATOMI sono nel complesso NEUTRI 6 + Protoni 6 Neutroni 6 – Elettroni NUMERO di MASSA = 12

Gli ISOTOPI q Il numero di NEUTRONI in un atomo può variare q Alcuni elementi presentano forme diverse di atomi dette ISOTOPI quindi con stesso numero atomico ma diverso numero di massa q Alcuni ISOTOPI sono radioattivi cioè emettono radiazioni (particelle alfa, beta e raggi gamma) ISOTOPI del CARBONIO

COLLEGAMENTI Gli ISOTOPI RADIOATTIVI possono essere utili ma anche pericolosi UTILITA’ degli ISOTOPI RADIOATTIVI La ricerca scientifica I biologi spesso usano i traccianti radioattivi (ISOTOPI) per seguire le trasformazioni chimiche (VIE METABOLICHE) subite dalle molecole nelle cellule degli organismi

La DIAGNOSTICA MEDICA I traccianti radioattivi (ISOTOPI) sono spesso usati nella diagnostica medica in combinazione con sofisticate strumentazioni per la realizzazione di immagini Tomografia ad emissione di positroni - PET Immagine PET: cancro alla gola

PERICOLI degli ISOTOPI RADIOATTIVI Nonostante le loro molteplici applicazioni positive, l’esposizione incontrollata agli ISOTOPI RADIOATTIVI può essere nociva per gli organismi viventi Le particelle e l’energia emesse dagli atomi radioattivi possono spezzare i legami originari tra gli atomi, formandone altri Questi processi possono danneggiare molecole importanti all’interno dell’organismo (in particolare, il DNA, provocando le cosiddette MUTAZIONI)

CONFIGURAZIONE ELETTRONICA: determina le proprietà chimiche di un atomo Gli elettroni in un atomo si dispongono in gusci elettronici che possono contenere numeri diversi di elettroni GUSCIO ELETTRONICO PIÙ ESTERNO (può contenere fino a 8 elettroni) GUSCIO ELETTRONICO PIÙ INTERNO (può contenere fino a 2 elettroni) ELETTRONE IDROGENO (H) Numero atomico = 1 CARBONIO (C) AZOTO (N) Numero atomico = 6 Numero atomico = 7 OSSIGENO (O) Numero atomico = 8

Le reazioni chimiche implicano un coinvolgimento degli elettroni degli strati più esterni (REAZIONI ELETTRONICHE) Infatti 2 atomi con un guscio elettronico esterno incompleto reagiscono per raggiungere la completezza e ciascuno di essi mette in comune (cede oppure riceve) ELETTRONI in modo, appunto, da occuparlo completamente Queste interazioni solitamente fanno sì che gli atomi vengano tenuti insieme da forze di attrazione chiamate LEGAMI CHIMICI

LEGAME IONICO Interazione che si stabilisce tra IONI di carica opposta Quando gli atomi cedono o ricevono elettroni si creano atomi carichi chiamati IONI Trasferimento di elettroni Na Na Atomo di SODIO – + – Cl Cl Atomo di CLORO LEGAME IONICO Na Na+ Ione SODIO – Cl Cl– Ione CLORO CLORURO di SODIO (Na. Cl)

Due ioni aventi cariche opposte si attraggono Se l’attrazione è abbastanza forte, si forma un legame detto legame IONICO Es. gli ioni SODIO e gli ioni CLORO si legano per formare il CLORURO DI SODIO (comune sale da cucina) Cella ELEMENTARE cristallina CUBICA CLORURO di SODIO Na+ Cl–

LEGAME COVALENTE: Gli atomi condividono elettroni formando MOLECOLE Nei legami COVALENTI 2 atomi mettono in comune una o più coppie di elettroni poste sui loro livelli energetici più esterni, formando molecole Esempi LEGAMI COVALENTI

Le REAZIONI CHIMICHE consentono alle sostanze di ricombinarsi In una reazione chimica i REAGENTI (materiali di partenza) interagiscono, cambiano l’organizzazione degli atomi e formano il PRODOTTO FINALE Rottura e formazione di legami in una reazione chimica 2 H 2 O 2 2 H 2 O

Nelle cellule viventi avvengono, in ogni istante, migliaia e migliaia di REAZIONI CHIMICHE che trasformano la materia (nel complesso questo fenomeno è indicato con il termine METABOLISMO) Es. il beta-carotene viene convertito in vitamina A + BETA-CAROTENE O 2 + 4 H = VITAMINA A (2 molecole) Reazione che converte il beta-carotene in vitamina A

2. BIOMOLECOLE SOSTANZE INORGANICHE: Ø ACQUA Ø SALI MINERALI SOSTANZE ORGANICHE: Ø PROTIDI o PROTEINE Ø GLUCIDI, CARBOIDRATI o ZUCCHERI Ø LIPIDI o GRASSI Ø ACIDI NUCLEICI (DNA e RNA) Ø VITAMINE

ACQUA L'acqua è il componente fondamentale di tutti gli organismi viventi presenti sul nostro pianeta “Macronutriente”

Composizione percentuale (in massa) del CORPO UMANO L'acqua rappresenta il 65% circa della massa corporea

Importanza BIOLOGICA dell'ACQUA Presente in elevate percentuali nelle cellule, soprattutto nel citoplasma e nei VACUOLI delle cellule vegetali e quelle di alcuni protisti dove viene introdotta attraverso il processo di PINOCITOSI In tutte le cellule, sia procariotiche eucariotiche, l'acqua rappresenta il composto predominante e agisce come SOLVENTE per tutte le biomolecole (sali minerali, carboidrati, proteine, vitamine idrosolubili ecc. ), dando loro la possibilità di reagire tra di loro nelle varie reazioni biochimiche

Oltre che come solvente, l'acqua partecipa attivamente come reagente in diverse reazioni metaboliche, soprattutto in quelle di IDROLISI, ed è uno dei principali reagenti della FOTOSINTESI CLOROFILLIANA Essendo il principale costituente degli esseri viventi, l'acqua è quindi presente anche nell'organismo umano, in percentuali variabili a seconda dell'età, del sesso e del peso FLUIDI CORPOREI con maggiore contenuto di acqua: ØLIQUIDO CEFALO-RACHIDIANO (99%) ØMIDOLLO OSSEO (99%) ØPLASMA SANGUIGNO (85%)

L’ACQUA è di fondamentale importanza per il trasporto dei nutrienti in tutti i distretti corporei e per l'eliminazione e l'escrezione (URINA) delle scorie prodotte nelle reazioni biochimiche L'acqua inoltre svolge una funzione determinante nella regolazione della temperatura corporea (sudorazione) e della concentrazione dei sali minerali Partecipa inoltre alla digestione, favorendo il transito intestinale e l'assorbimento delle sostanze nutritive. Proprio perché l'acqua deve essere presente in quantità molto elevate nell'alimentazione umana viene classificata come "MACRONUTRIENTE“ Nelle PIANTE è il componente principale della linfa (funzione di trasportare i principi nutritivi in tutti i tessuti) e dei vacuoli (regolano la pressione osmotica)

ACQUA: proprietà La molecola dell’acqua è polare (angolo di legame tra i due H e l’O di circa 105°) q Una molecola è NON POLARE quando i suoi atomi legati da legame covalente condividono gli elettroni equamente (atomi con uguale ELETTRONEGATIVITA’) q In un legame covalente polare la condivisione degli elettroni tra gli atomi è asimmetrica e crea una MOLECOLA POLARE (dotata cioè di poli con cariche elettriche parziali opposte) (–) O Struttura molecola ACQUA H modello a sfere (+) 105° H (+)

La POLARITÀ della molecola dell’acqua consente la formazione del legame a idrogeno Le estremità cariche delle molecole d’acqua vengono attratte dalle estremità dotate di carica opposta delle molecole vicine (–) Questa attrazione forma legami deboli chiamati: LEGAMI a IDROGENO (+) H (+) O (–) H (–) (+) LEGAMI a ponte di IDROGENO

LEGAMI a IDROGENO: sono i responsabili delle caratteristiche particolari dell’acqua, che sono: 1) COESIONE: forza attrattiva tra molecole q. Grazie ai legami ad idrogeno, le molecole d’acqua possono spostarsi dalle radici sino alle foglie di una pianta (CAPILLARITÀ) anche per decine di metri (Es. SEQUOIE, alte anche più di 100 metri) q. Gli insetti riescono a camminare sull’acqua grazie alla TENSIONE SUPERFICIALE creata dalla coesione delle molecole d’acqua Tensione superficiale: IDROMETRA (insetto Gerride)

2) ELEVATO CALORE LATENTE I legami ad idrogeno regolano la temperatura dell’acqua La capacità dell’acqua di immagazzinare calore regola la temperatura del corpo e il clima q. CALORE: quantità di energia associata al movimento degli atomi e delle molecole di un corpo q. TEMPERATURA: misura dell’intensità del calore (velocità media molecole) e NON quantità totale di energia termica di un corpo

Per rompere i LEGAMI a IDROGENO serve energia (la rottura dei legami è accompagnata da assorbimento di calore) Per questo, l’acqua è in grado di assorbire una grande quantità di calore senza un grande aumento della temperatura Mentre, al contrario, quando l’acqua si raffredda, un piccolo calo nella temperatura libera una grande quantità di calore

q Quando una molecola d’acqua evapora, assorbe energia q Questo permette il raffreddamento (abbassamento di temperatura) per evaporazione Raffreddamento per EVAPORAZIONE

3) Il GHIACCIO è meno denso dell’ACQUA LIQUIDA I LEGAMI ad IDROGENO tengono insieme le molecole di acqua nel ghiaccio in modo meno denso che nell’acqua allo stato liquido LEGAMI ad IDROGENO: GHIACCIO e ACQUA LEGAME IDROGENO GHIACCIO legami idrogeno Stabili. Meno molecole MINIMA DENSITA’ ACQUA LIQUIDA legami idrogeno si spezzano e si formano continuamente. Più molecole MASSIMA DENSITA’

La massima DENSITÀ dell’acqua si ha alla temperatura di 4°C dove l’acqua è ancora allo stato liquido Il GHIACCIO (0°C) è meno denso dell’acqua allo stato liquido e per questo motivo riesce a galleggiare Il fatto che il ghiaccio galleggi, protegge i laghi e gli oceani dal congelamento solido permettendo la vita a tutta una serie di organismi acquatici

4) L’ACQUA è un SOLVENTE versatile I soluti polari o carichi elettricamente si sciolgono quando le molecole d’acqua li circondano, formando soluzioni acquose omogenee Na+ – + SALE da CUCINA (Na. Cl) che si scioglie nell’acqua – Cl– + – Na+ Cl– + – – + + – – Ioni in soluzione Cristallo di sale –

PUNTO TRIPLO dell'ACQUA Rappresenta le condizioni di temperatura (T) e di pressione (P) in cui possono coesistere le 3 fasi dell'acqua e cioè solida , liquida e gassosa TEMPERATURA: = +0, 01°C PRESSIONE: = 4, 58 mm Hg sono i valori che caratterizzano il PUNTO TRIPLO dell'acqua

La chimica della vita è influenzata dall’ACIDITÀ e dalla BASICITÀ q. Un composto chimico che cede ioni H+ ad una soluzione è un ACIDO q. Un composto che è in grado di accettare ioni H+ rimuovendoli da una soluzione è una BASE L’acidità è misurata con la scala del p. H che va da 0 (massima acidità) a 14 (minima acidità e massima basicità) p. H 7(neutralità)

LA SCALA DEL p. H H+ OH– H+ H+ H+ SOLUZIONE ACIDA OH– H+ H+ OH– OH– H+ SOLUZIONE NEUTRA OH– OH– H+ OH– OH– SOLUZIONE BASICA NEUTRALITÀ [H+]=[OH–] BASICITÀ in aumento H+ H+ ACIDITÀ in aumento 0 1 SUCCO LIMONE SUCCHI GASTRICI 2 SUCCO POMPELMO SUCCO POMODORO 3 4 5 URINA 6 7 ACQUA PURA 8 SANGUE UMANO 9 10 11 12 13 14 ACQUA DI MARE BICARBONATO AMMONIACA CANDEGGINA DETERGENTE FORNI Acqua

Il p. H della maggior parte delle cellule è mantenuto vicino a 7 (neutro) da sostanze presenti nei liquidi intracellulari e chiamate SOSTANZE TAMPONE q URINA: p. H circa 6 q SANGUE umano: p. H circa 7 SOSTANZE TAMPONE: Contrastano i cambiamenti di p. H accettando ioni H+ quando sono presenti in eccesso oppure cedendoli se la loro concentrazione diventa troppo bassa

FINE della LEZIONE 2 La chimica della vita: BIOELEMENTI e BIOMOLECOLE Grazie per l’attenzione E ricordatevi… …. . Considerate la vostra semenza fatti non foste a viver come bruti ma per seguir virtute e canoscenza…. . DANTE ALIGHIERI (Divina Commedia, INFERNO, canto XXVI , 118 -120) Prof. CARMIGNANI FABRIZIO fabcar@hotmail. it