Chimica dei viventi pp, Slide di Biologia

Scarica Chimica dei viventi pp e più Slide in PDF di Biologia solo su Docsity! La Chimica dei Viventi I BIOELEMENTI
Insieme degli elementi chimici che entrano nella composizione della materia vivente.
Costituenti ordinari degli organismi animali e vegetali ammontano a una trentina circa.
Vengono solitamente suddivisi in tre gruppi: - macrocostituenti o elementi plastici; - microcostituenti o oligoelementi; - microcostituenti accidentali. ea EL sotto forma a Chim | B tracce 5 E boro 10,81 s 13 vl alluminio 26,95 s là si silicio ze. 01 4 i Tn manganese 54,04 + Zé Fe ferro SASSI = DIF Co cobalto 56,93 7 ZO Cia rame 63.54 1 30 Zu zinco GSF = Se de selenio Fede ù AZ Io molibdeno 5 DA 1 53 I iodio 120,90 + La Chimica dei Viventi I BIOELEMENTI AZOTO
L'azoto è l'elemento chimico di numero atomico 7. Il suo simbolo è N (dal latino Nitrogenum).
è costituente fondamentale delle molecole organiche più importanti dal punto di vista biochimico (DNA, proteine, vitamine)
L'azoto molecolare (N2, composto di due atomi di azoto) è un gas incolore, inodore, insapore e inerte che costituisce il 78% dell'atmosfera terrestre (è il gas più diffuso nell'aria). La Chimica dei Viventi I BIOELEMENTI CARBONIO
Ha come simbolo C, numero atomico 6.
Il carbonio si trova in tutte le forme di vita organica ed è la base della chimica organica.
Questo non-metallo ha l'interessante caratteristica di essere in grado di legarsi con sé stesso e con una vasta gamma di elementi (producendo più di 10 milioni di composti). La Chimica dei Viventi I BIOELEMENTI
Le sue differenti forme includono una delle più soffici (grafite) e una delle più dure (diamanti) sostanze conosciute dall'uomo.
I composti di carbonio formano le basi di tutta la vita sulla Terra e il ciclo carbonio-azoto fornisce parte dell'energia prodotta dal sole e da altre stelle.
Varie Applicazioni:idrocarburi,petrolio,datazione al radiocarbonio,acciaio,ghisa etc.
Quattro allotropi del carbonio sono conosciuti: carbonio amorfo, grafite, diamanti e fullereni. La Chimica dei Viventi LE INTERAZIONI DEBOLI
Forze Intermolecolari (spesso indicate come forze di Van der Waals) - Forze di Dispersione (di London) - Interazioni Dipolo-Dipolo - Forze d’Induzione ( di Debye)
Interazioni Ione-Dipolo
Legami a ponte di Idrogeno La Chimica dei Viventi LE INTERAZIONI DEBOLI
Forze di Dispersione (di London) Sono attribuite all’effetto di spostamenti temporanei di carica che si verificano in tutti gli atomi o molecole, anche con una distribuzione simmetrica della struttura elettronica. Forze a corto raggio (1/r6) La Chimica dei Viventi LE INTERAZIONI DEBOLI In altri termini… Le forze dispersive derivano dal fatto che la distribuzione degli elettroni in un atomo o molecola non è simmetrica istante per istante. Se si considera un atomo di un gas nobile come l‘Argon, la distribuzione degli elettroni in media è perfettamente sferica e non c'è alcuna polarizzazione La Chimica dei Viventi LE INTERAZIONI DEBOLI
Forze di Induzione ( di Debye) Sono dovute alla formazione di un momento dipolare indotto in molecole che si trovano in prossimità di una carica (ione,dipolo permanente o campo elettrico E). Il contributo di queste forze, alle interazioni molecolari, generalmente è piuttosto piccolo. La Chimica dei Viventi LE INTERAZIONI DEBOLI Forze di Induzione (di Debye) La Chimica dei Viventi LE INTERAZIONI DEBOLI
Interazioni Ione-Dipolo Questa interazione è all'origine della solubilità delle sostanze ioniche in acqua. Durante il processo di idratazione (solvatazione) il catione attrae l’estremità negativa dei dipoli dell’acqua, l’anione l’estremità positiva. Il numero di molecole di acqua legate, denominato numero di idratazione dello ione, è direttamente proporzionale alla carica dello ione e inversamente proporzionale alla sua dimensione. La Chimica dei Viventi LE INTERAZIONI DEBOLI
Condizoni Neccessarie per la formazione di legami ad H: 1. L’atomo A deve avere una elletronegatività sufficentemente elevata 2. L’atomo A deve avere dimensioni sufficentemente piccole: La Chimica dei Viventi LE INTERAZIONI DEBOLI
Se l’atomo B appartiene ad un’altra molecola, il legame a Idrogeno è chiamato Intermolecolare;
Se l’atomo B appartiene alla stessa molecola, il legame a Idrogeno è chiamato Intramolecolare. La Chimica dei Viventi LE INTERAZIONI DEBOLI
La presenza di legami ad Idrogeno determina: - un aumento molto sensibile delle temperature di fusione ed ebollizione delle sostanze: - un notevole incremento dei calori di fusione e di vaporizzazione; - un aumento del calore specifico La Chimica dei Viventi LE PROPRIETA’ DELL’ACQUA
Ogni molecola di acqua può formare legami idrogeno con un massimo di quattro molecole di acqua.
Il legame idrogeno avviene tra un H parzialmente positivo di una molecola e l’atomo di O di quella vicina.
Questa proprietà è particolarmente evidente quando si scalda l’acqua, laddove la maggior parte dell’ energia termica si consuma per rompere i legami idrogeno. La Chimica dei Viventi LE PROPRIETA’ DELL’ACQUA
Lo stesso concetto lo si può applicare al fenomeno dell’ evaporazione.
Esempio nell’uomo: la sudorazione: Il calore per scindere i ponti idrogeno viene fornito dal corpo che così si raffredda. La Chimica dei Viventi LE PROPRIETA’ DELL’ACQUA
L’Acqua è il principale solvente presente in Natura;
Determina la struttura delle molecole biologiche, in quanto è la matrice fluida intorno alla quale si costruisce la struttura insolubile della cellula.
Ha spiccata capacità di formare ponti idrogeno con la maggior parte delle molecole organiche polari (proteine,zuccheri). La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE CARBOIDRATI
Gruppo di sostanze che comprende gli zuccheri semolici ( o monosaccaridi) e tutte le molecole più grandi a partire d a molecole di zuccheri.
Funzionano come depositi di energia chimica e come materiale di costruzione di lunga durata delle strutture biologiche. La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
La maggior parte degli zuccheri ha formula generale: (CH2O)n dove n può variare da 3 a 7 - se n=3 Triosi - se n=4 Tetrosi - se n=5 Pentosi - se n=6 Esosi - se n=7 Eptosi La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE La Struttura degli Zuccheri semplici
Ogni molecola di zucchero è composta da uno scheletro lineare di atomi di carbonio con legami singoli.
Ogni atomo di carbonio si lega ad un singolo gruppo idrossilico, ad eccezione di quello che porta il gruppo carbonilico (C=O). La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
L’unione degli zuccheri fra di loro Gli zuccheri si uniscono tra loro con legami glicosidici per reazione fra il carbonio C1 di uno zucchero e il gruppo carbossilico di un altro zucchero generando il legame -C-O-C- Saccarosio = glucosio + fruttosio Legame a (12) La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE Gli zuccheri possono anche legarsi assieme a formare piccole catene che si chiamano oligosaccaridi. Più spesso gli oligosaccaridi sono legati covalentemente a lipidi o proteine trasformandoli rispettivamente in glicolipidi o glicoproteine, strutture importanti nella membrana cellulare. La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
Polissaccaridi Sono polimeri di unità di zucchero unite con legami glicosidici. Alla metà del XIX secolo Claude Bernard scoprì il polisaccaride più importante per l’uomo: Il Glicogeno La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE Esistono anche altri tipi di polimeri chiamati “di struttura” : - La Cellulosa = monomeri di glucosio, B(14) - La Chitina = polimero N-acetilglucosammina -Glicosamminoglicani = con struttura “ a tandem” di 2 diversi zuccheri (--A-B-A-B--) La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE LIPIDI Gruppo di molecole biologiche che hanno in comune la proprietà di esser solubili in solventi organici e di essere insolubili in acqua. I Lipidi importanti per le funzioni della cellula sono: - Grassi; - Steroidi; - Fosfolipidi. La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
Grassi Sono composti da una molecola di glicerolo esterificata da tre acidi grassi  Triacilglicerolo Sono sorgente di energia a lunga durata 1gr  9 Kcal La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
Fosfolipidi Strutturalmente assomigliano ai grassi con la differenza di avere solo due acidi grassi, per cui vengono chiamati diacilgliceroli. Il terzo gruppo idrossilico del glicerolo è legato covalentemente ad un gruppo fosforico che a sua volta lega la colina La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE PROTEINE Sono la classe di molecole organiche più versatile dal punto di vista funzionale, infatti basti pensare agli enzimi, al citoscheletro, agli anticorpi, agli ormoni…etc Ma come mai hanno cosi tante funzioni? La loro grande varièta di funzioni dipende dalla grande varietà di strutture con cui possono prersentarsi ed inoltre dal loro altissimo grado di specificità. La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
Le proteine sono polimeri costituiti di molti monomeri che sono gli Aminoacidi (aa)
Ogni proteina ha una sequenza di aa unica
Tutti gli aa hanno un gruppo aminico e un gruppo carbossilico separati fra loro da un carbonio (alfa)
Gli aa isolati dalle proteine sono L-amminoacidi. La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
Inoltre i vari aa sono classificati in base alle caratteristiche del loro gruppo R: -Polari con carica eletterica: R sono acidi o basi forti (Es: Lys,Arg,His) -Polari,senza Carica: R sono acidi o basi deboli (Ser,Tyr) - Non polari: R sono idrofobici (Val,Leu,Met,Trp) - Particolari: sono tre e hanno gruppo R esclusivo 1) Glicina  R = H 2) Prolina  R = parte di anello idrofobico 3) Cisteina  R= gruppo sulfidrico reattivo La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
La struttura delle proteine Esiste un astretta correlazione tra forma e funzione; La struttura delle proteina può essere descritta a diversi livelli di organizzazione: - Primaria - Secondaria - Terziaria - Quaternaria La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
Primaria - E’ la sequenza lineare specifica degli aa che compongono la catena. - Tale sequenza possiede le informazioni necessarie per la forma tridimensionale della molecola - Per questo sono molto gravi mutazioni a carico della sequenza primaria.Un esempio è L’anemia falciforme dove un acido glutammico è sostituito da una Valina (in una delle catene Beta). La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
Beta-Foglietto = costituito da molti polipeptidi paralleli l’uno all’altro.
Lo scheletro di ogni polipetide assume conformazione pieghettata o “a organetto”
I legami idrogeno sono perpendicolari all’asse della catena polipeptidica La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE Struttura Terziaria
Per struttura terziaria, si intende il modo in cui l'intera catena polipeptidica è ripiegata nella struttura tridimensionale propria della proteina.
In pratica, la struttura terziaria definisce le coordinate spaziali di tutti gli atomi del polipeptide. La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE Struttura Terziaria
I ripiegamenti della catena fanno sì che elementi di struttura secondaria vengano a trovarsi vicini l'uno all'altro, in modo che le catene laterali R dei residui amminoacidici possano interagire fra loro formando legami deboli che contribuiscono a stabilizzare la conformazione 3D della proteina. La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
Le proteine in forma terziaria possono presentarsi come: - Proteine Fibrose: fungono da materiale di struttura all’esterno della cellula, costituite da lunghi filamenti o nastri che resistono alle forze di trazione o taglio. Es: collagene,elastina,cheratina. La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE - Proteine Globulari: rappresentano invece la maggior parte delle proteine all’interno della cellula. Con la loro forma più compatta (a globulo) resistono alle forze di compressione - Es: mioglobina, emoglobina. La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
Si è messo in evidenzia che ci sono due o più regioni, distinte e compatte, che funzionano in maniera semindipendente e sono collegate tra loro da porzioni “cerniera” della catena.
Tali regioni sono i domini.
Inoltre si è osservato che l’architettura di tali complessi a prima vista complicati, segue dei modelli ben precisi che prendono il nome di motivi. Es: Spirale avvolta, barile α/β La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE
L' emoglobina è un esempio classico di una proteina a struttura quaternaria. La proteina è un tetramero costituito dall'associazione di due catene α (141 amminoacidi) e due catene β (146 amminoacidi), ciascuna delle quali lega un gruppo eme La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE NUCLEOTIDI & ACIDI NUCLEICI
Gli acidi nucleici sono delle macromolecole polimeriche lineari ovvero polimeri di nucleotidi i cui monomeri sono i nucleotidi stessi, formati da uno zucchero, una base azotata e dei gruppi fosfato. Negli organismi viventi si trovano due tipi di acidi nucleici:
DNA (acido deossiribonucleico)
RNA (acido ribonucleico) NUCLEOTIDI = PENTOSO + BASE AZOTATA + FOSFATO NUCLEOSIDE = PENTOSO+BASE AZOTATA -PENTOSO: DESOSSIRIBOSIO (DNA) o RIBOSIO (RNA) -BASE AZOTATA: PURINICA (ADENINA, GUANINA) PIRIMIDINICA (CITOSINA, TIMINA,URACILE) Appaiamento per complementarietà tra una purinica e una pirimidinica --TIMINA CITOSINA---GUANINA I singoli nucleotidi si legano tra loro grazie a legami fosfodiesterici è un tipo di legame covalente in cui un atomo di fosforo è collegato ad altre due molecole tramite due legami esterei. La struttura del DNA Watson e Crick (1953) • La cristallografia a raggi-X ha mostrato che la molecola di DNA è una doppia elica • Formato da un doppio filamento di nucleotidi superavvolto. • Si trova : – nel nucleo delle cellule eucariotiche – nei mitocondri – nel citoplasma dei procarioti (nucleoide) • I due filamenti presentano una direzione “antiparallela”. • Portatore dell’informazione genetica • Nella sua sequenza di basi azotate contiene l’informazione necessaria per la sintesi proteica. La struttura del DNA Il DNA può andare incontro ad una separazione reversibile dei due filamenti Il modello di replicazione del DNA proposto nel 1953 da Watson e Crick Secondo il modello semiconservativo la duplicazione comporta le seguenti fasi: •Progressivo svolgimento delle due catene polinucleotidiche avvolte a spirale •Separazione delle catene per apertura dei ponti idrogeno tra basi complementari appaiate, che le rende quindi libere di interagire con quelle dei nucleotidi presenti nell'ambiente ( la separazione non avviene su base enzimatica) •Sintesi, ad opera dell'enzima DNA polimerasi, su ogni catena separata di una catena nuova complementare. Ognuna delle due catene parentali funziona da modello o stampo per la sintesi di una catena nuova mediante appaiamento di nucleotidi complementari ai propri. La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE Strutture alternative a doppia elica
Il DNA esiste in diversi tipi di conformazioni;
Solo le conformazioni A-DNA, B- DNA e Z-DNA sono state osservate nei sistemi biologici naturali.
Di tali conformazioni, la conformazione B è la più frequente nelle condizioni standard delle cellule. 18,4Å23,7Å25,5ÅDiametro 45,6Å33,2Å24,6Å Passo/gi ro d’elica 1210,010,7bp medie/giro 60°/2bp35,9°33,6°Rotazione/bp 2bp1 bp1 bpUnità ripetuta sinistrorsodestrorsodestrorso Senso dell'elica Z-DNAB-DNAA-DNA Gli ENZIMI sono costituiti da molecole di natura proteica e possono essere suddivisi in tre classi: • PROTEINE SEMPLICI • METALLO-PROTEINE • PROTEINE CONIUGATE Oloenzima: complesso cataliticamente attivo enzima-cofattore Apoenzima: la parte proteica,priva di cofattore, cataliticamente inattiva Cofattore: componente non proteica (Ione Metallico o Molecola Organica) Dal punto di vista strutturale gli enzimi possono essere distinti in: • MONOMERICI • OLIGOMERICI • COMPLESSI ENZIMATICI Cofattori Piccole molecole organiche o inorganiche la cui presenza è necessaria perché un enzima sia attivo • In genere TERMOSTABILI, mentre la maggior parte degli enzimi perde l’attività in seguito a riscaldamento GLI ENZIMI SONO PROTEINE!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! • Funzionano in genere da trasportatori intermedi di gruppi funzionali, di atomi specifici o di elettroni che vengono trasferiti nella reazione enzimatica generale. • GRUPPO PROSTETICO se legato molto saldamente all’apoenzima ATTIVATORI IONI ESSENZIALI COSTITUTIVI COFATTORI CO-SUBSTRATI COENZIMI GRUPPI PROSTETICI Gli enzimi catalizzano le reazioni abbassando la barriera di attivazione. Essi legano saldamente gli intermedi allo stato di transizione e l’energia di legame di questa interazione riduce l’ ENERGIA DI ATTIVAZIONE. Enzimi Sito di legame (microambiente tridimensionale della struttura della proteina dove vi è l’interazione con il substrato) SITO ATTIVO Specificità di reazione Sito catalitico (porzione limitata del sito attivo costituito dagli aminoacidi coinvolti direttamente nella reazione enzimatica) Le molecole non devono incontrarsi casualmente ma vengono ospitate nel sito attivo e quindi il loro incontro è facilitato inoltre vengono a confrontarsi in una posizione utile. La Chimica dei Viventi GLI ENZIMI
La maggior parte degli enzimi presenta una notevolissima specificità per la reazione catalizzata e per i substrati coinvolti.
Tale specificità è legata a diversi fattori che caratterizzano l'associazione tra il substrato ed il sito attivo, come: - la complementarietà dal punto di vista strutturale, - le cariche elettriche, - la natura idrofilica o idrofobica. …si giustifica così l’esistenza di due modelli di adattamento enzima-substrato! La Chimica dei Viventi GLI ENZIMI
Suggerito da Hermann Emil Fischer nel 1894, secondo il quale l'enzima ed il substrato possiedono una forma esattamente complementare che ne permette un incastro perfetto.
Tale modello è detto chiave-serratura La Chimica dei Viventi GLI ENZIMI
Nel 1958 Daniel Koshland propose una modifica del modello chiave-serratura: dal momento che gli enzimi sono strutture relativamente flessibili, egli suggerì che il sito attivo potesse continuamente modellarsi in base alla presenza o meno del substrato.
Come risultato, il substrato non si lega semplicemente ad un sito attivo rigido, ma genera un rimodellamento del sito stesso, che lo porta ad un legame più stabile in modo da portare correttamente a termine la sua attività catalitica