BIOLOGIA
LEZIONE N. 3
Slide N. 44
La CHIMICA della VITA
BIOELEMENTI e BIOMOLECOLE
Classe II ITI
Prof. Fabrizio CARMIGNANI
[email protected]
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
che 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 delCellule
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
 FERRO: es. si trova nell’emoglobina
dei GLOBULI ROSSI (ERITROCITI o EMAZIE) dei vertebrati
 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
 INORGANICA
ORGANICA
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:
NH2
C=O
NH2
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:
CO2 – CO – H2CO3 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
Cl2
CLORURO di
SODIO
NaCl
Gli ATOMI sono formati da:
PROTONI
NEUTRONI
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
 Un ATOMO è costituito da protoni e neutroni situati
in un NUCLEO CENTRALE
 Il NUCLEO è circondato da elettroni organizzati in
gusci elettronici
– –
+
+
Struttura
di un ATOMO
Numero atomico 2
(ELIO)
NUVOLA
ELETTRONICA
2e–
+
+
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
6e–
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
 Il numero di NEUTRONI in un atomo può variare
 Alcuni elementi presentano forme diverse di atomi
dette ISOTOPI
quindi con stesso numero atomico ma diverso
numero di massa
 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
–
+
–
Cl
Na
Cl
Atomo di SODIO
Atomo di CLORO
LEGAME IONICO
Na
Na+
Ione SODIO
–
Cl
Cl–
Ione CLORO
CLORURO di SODIO (NaCl)
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 H2
O2
2 H2O
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
O2
+
4H
=
VITAMINA A
(2 molecole)
Reazione che converte il beta-carotene in vitamina A
2. BIOMOLECOLE
SOSTANZE INORGANICHE:
 ACQUA
 SALI MINERALI
SOSTANZE ORGANICHE:
 PROTIDI o PROTEINE
 GLUCIDI, CARBOIDRATI o ZUCCHERI
 LIPIDI o GRASSI
 ACIDI NUCLEICI (DNA e RNA)
 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 che 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:
LIQUIDO CEFALO-RACHIDIANO (99%)
MIDOLLO OSSEO (99%)
PLASMA 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°)
 Una molecola è NON POLARE quando i suoi atomi legati
da legame covalente condividono gli elettroni equamente
(atomi con uguale ELETTRONEGATIVITA’)
 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
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)
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
CALORE: quantità di energia associata al movimento
degli atomi e delle molecole di un corpo
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
 Quando una molecola d’acqua evapora,
assorbe energia
 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 (NaCl)
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
Un composto chimico che cede ioni H+ ad una
soluzione è un ACIDO
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 pH che va da
0 (massima acidità) a 14 (minima acidità e
massima basicità)
pH 7(neutralità)
LA SCALA DEL pH
H+
H+
H+
OH–
OH–
H+
H+
H+
H+
H+
SOLUZIONE ACIDA
ACIDITÀ in aumento
0
1
SUCCO LIMONE
SUCCHI GASTRICI
2
SUCCO
POMPELMO
SUCCO
POMODORO
3
4
5
URINA
6
OH–
H+
OH–
H+
H+
H+
OH–
OH–
H+
SOLUZIONE NEUTRA
OH–
OH–
OH–
OH–
H+
OH–
H+
OH–
OH–
SOLUZIONE BASICA
NEUTRALITÀ
[H+]=[OH–]
BASICITÀ in aumento
OH–
7 ACQUA PURA
SANGUE UMANO
8
ACQUA DI MARE
9
10
BICARBONATO
11
12
13
14
AMMONIACA
CANDEGGINA
DETERGENTE
FORNI
Acqua
Il pH della maggior parte delle cellule è mantenuto
vicino a 7 (neutro) da sostanze presenti nei liquidi
intracellulari e chiamate SOSTANZE TAMPONE
 URINA: pH circa
6
 SANGUE umano: pH circa 7
SOSTANZE TAMPONE:
Contrastano i cambiamenti di pH 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
[email protected]