Biochimica: Acqua, struttura e funzione

• Lezione di Sara Baldelli su acqua, struttura e funzione

Aspetti generali dell'acqua in biochimica

• La struttura e la funzione delle molecole biologiche dipendono dalle proprietà chimiche e fisiche dell'acqua circostante
• Il trasporto di prodotti e reagenti dentro e fuori le cellule durante le reazioni metaboliche si basa sull'acqua.
• La reattività dei gruppi funzionali delle molecole biologiche dipende dalle concentrazioni relative degli ioni H3O+ e OH−.
• L'acqua è il mezzo in cui si trasferisce l'energia chimica.

Elementi e composti

• Gli elementi non possono essere scomposti ulteriormente
• Gli elementi più abbondanti negli esseri viventi sono carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O) e azoto (N)
• I composti sono formati da più elementi tenuti insieme da legami chimici
• Possono essere scomposti negli elementi che li formano tramite reazioni chimiche
• Il composto più abbondante negli esseri viventi è l'acqua, seguita da proteine, lipidi, carboidrati e acidi nucleici

Funzioni dell'acqua nei sistemi viventi

• L'acqua è il composto più abbondante nelle cellule e svolge diverse funzioni
• Funzione solvente: l'interno delle cellule è prevalentemente acqua, che contiene disciolte diverse sostanze
• Può agire come reagente partecipando ad alcune reazioni, ad esempio la fotosintesi
• Funzione termoregolatrice: l'evaporazione dell'acqua aiuta a controllare la temperatura degli organismi.
• Funzione di trasporto: l'acqua distribuisce sostanze nutritive e rimuove i rifiuti tra le cellule

Struttura dell'acqua

• Ogni molecola d'acqua è formata da un atomo di ossigeno che forma due legami covalenti con due atomi di idrogeno (H2O)
• La molecola d'acqua è polare perché l'ossigeno ha una parziale carica negativa e l'idrogeno ha una parziale carica positiva
• Quando due molecole si avvicinano, la parte negativa di una molecola attrae la parte positiva dell'altra formando un legame a idrogeno

Molecola polare

• La presenza di cariche parziali positive sugli atomi di idrogeno e negative sull'ossigeno fa sì che le molecole si orientino in modo da rendere più efficaci le attrazioni elettrostatiche
• Quando le molecole sono sufficientemente vicine, si forma un legame a idrogeno

Legame idrogeno

• I legami idrogeno legano insieme le molecole d'acqua, si formano tra zone debolmente negative e debolmente positive e non avvengono necessariamente tra molecole di idrogeno
• Sono facili da spezzare
• Un legame idrogeno dura un centomiliardesimo di secondo
• Gli atomi di H di una molecola vengono attratti da un atomo O di un'altra molecola
• Il legame idrogeno è debole, si forma e si rompe contemporaneamente nel liquido
• Per rompere i legami a idrogeno occorre fornire energia
• Le molecole si agitano quando si trasformano in vapore
• Quando il vapore condensa, libera energia, ovvero calore latente.

Stati fisici dell'acqua

• L'acqua è l'unica sostanza sulla terra che si può trovare allo stato solido, liquido e gassoso
• Gli stati fisici dipendono dall'energia cinetica delle molecole di acqua, bassa nel ghiaccio, media nell'acqua liquida, alta nel vapore
• Liquido: mari, fiumi, laghi, falde sotterranee
• Gassosa: atmosfera
• Solida: ghiacciai, banchisa polare, iceberg

Proprietà dell'acqua

• Grazie ai legami idrogeno, l'acqua presenta proprietà uniche
• Tensione superficiale: la formazione di una pellicola dovuta ai legami tra le molecole
• I saponi (tensioattivi) possono rompere questa pellicola
• Capillarità: la capacità di risalire attraverso spazi stretti, grazie ai legami tra l'acqua e le superfici con cui è contatto
• Calore specifico: È la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di 1°C di una sostanza, nel caso dell'acqua, i legami ad idrogeno limitano i movimenti delle particelle e di conseguenza l'aumento della temperatura
• Densità: È il rapporto tra massa e volume
• Nel ghiaccio, per via dei legami ad idrogeno, le molecole si allontanano, occupando più spazio (volume) a parità di massa
• La presenza del legame a idrogeno influenza fortemente le caratteristiche dell'acqua allo stato solido e liquido
• Allo stato solido le molecole occupano posizioni geometriche molto precise, in un'impalcatura tridimensionale stabile chiamata reticolo cristallino
• Allo stato liquido la disposizione delle molecole è altamente disordinata
• La densità aumenta al diminuire della temperatura, fino a circa 4°C
• A questo valore l'acqua è allo stato liquido e ha la sua massima densità, ovvero 1g/cm^3
• Allo stato solido occupa un minor mole, ed una minore densità
• Rimane allo stato liquido da 0°C a 100°C
• L'acqua ha un elevato calore specifico ovvero 4,18 J/g*°C

Potere solvente

• Una miscela omogenea liquida si definisce soluzione
• Il componente più abbondante è il solvente, quello meno abbondante è il soluto
• L'acqua è in grado di dissolvere un gran numero di sostanze e per questo sono dette idrofile
• Se non si sciolgono sono definite idrofobe
• Sono solubili in acqua le sostanze formate da molecole polari (con una carica parziale sulla loro superficie, p.e. il saccarosio o l'alcool etilico) o ioniche (costituite da ioni, ossia atomi carichi, p.e. il cloruro di sodio)
• Sono insolubili le sostanze apolari, ossia prive di cariche (p.e. l'olio, così come tutti i grassi)

Acqua e pH

• Quando una sostanza si scioglie in acqua può determinare la formazione di ioni H3O+ (ioni idronio) o di ioni OH- (ioni ossidrile)
• Se in acqua produce ioni H3O+ è un acido
• Se si introduce un acido la soluzione che produce è acida ma in acqua produce ioni OH è una base
• Se i si introduce un base la soluzione che si produce è basica
• L'acidità di una soluzione si indica sulla scala del pH, che va da 0 a 14
• Una soluzione con pH tra 0 e 6,99 è acida
• Una soluzione con pH da 7,01 a 14 è basica
• Una soluzione con pH=7 è neutra
• Ogni grado della scala di pH indica un'acidità 10 volte maggiore del grado precedente
• Nell'acqua è sempre presente una piccola quantità di molecole dissociate in uno ione idrogeno o protone H+ e uno ione idrossido OH-
• Nell'acqua pura il numero di ioni idrogeno è uguale al numero di ioni ossidrile, quindi è neutra
• Si definisce neutra qualunque soluzione acquosa che contenga un'uguale concentrazione di ioni negativi (OH-) e di ioni positivi (H+)
• Si definisce acida la soluzione in cui prevalgono ioni H+ (e acidi sono i composti che in acqua liberano ioni H+)
• Si definisce basica la soluzione in cui prevalgono ioni OH (e basi o idrossidi sono i composti che in acqua liberano ioni OH-).
• L'acidità o la basicità dipende dalla quantità di ioni H+ (o di ioni OH) presenti nella soluzione
• Per misurarla, i chimici fanno riferimento alla scala del pH, divisa in 14 gradi
• A metà della scala, il valore 7 (pH=7) significa che nella soluzione vi è un ugual numero di ioni H+ e OH-, ovvero la soluzione è neutra
• I valori inferiori indicano che la soluzione è acida
• I valori superiori che la soluzione è basica

Contenuto di acqua nei tessuti

• L'acqua è il componente più abbondante, seguita da proteine, lipidi, acidi nucleici, carboidrati e minerali
• Le singole cellule, i tessuti del parenchima e il tessuto muscolare hanno un'elevata analogia composizionale con l'acqua che costituisce il 68-74% del peso fresco.
• Il tessuto adiposo ha il più basso contenuto di acqua (10-12%) e il più elevato contenuto di lipidi (70-82%) in quanto addetto al deposito di trigliceridi.
• Il tessuto nervoso è il più ricco di acqua (75-78%) e ha pure un elevato contenuto lipidico (10-15%), in particolare fosfolipidi e glicolipidi
• Il tessuto osseo contiene il 30% di acqua e il 60% di minerali
• Il contenuto di acqua negli organi e nei tessuti è superiore nei soggetti in età infantile (fino al 20% in più) che negli adulti.
• Negli adulti, l'acqua è distribuita per circa il 65% intracellularmente e per il 35% nel liquido extracellulare, col resto nei tessuti di sostegno
• Più è sviluppato il tessuto muscolare, maggiore è il contenuto di acqua
• Al contrario se è sviluppato il tessuto adiposo, minore è il contenuto di acqua

Introito ed escrezione

• Introduzione: bevande (1-1,5 litri), alimenti (1 litro)
• Escrezione: urine (1-1,5 litri), sudore (400-600 ml), respirazione (400 ml), feci (100-200 ml)

Funzioni dell'acqua

• Bere in quantità adeguate favorisce l'eliminazione delle sostanze di rifiuto dall'organismo, aumentando l'escrezione di urina e sudore
• Favorisce lo sviluppo muscolare in chi pratica attività fisica perché il 75% della massa muscolare è acqua
• L'acqua contrasta gli effetti catabolici del cortisolo
• Se è un'attività fisica è prolungata le ghiandole surrenali aumentano la produzione di cortisolo
• Il cortisolo è un ormone che ha un effetto catabolico sul tessuto muscolare, in quanto tende a disgregarlo" per produrre energia
• Aiuta a contrastare tale attività catabolica
• Ha un effetto "estetico", forma e rigidità ai tessuti
• Mantiene umide le superfici di naso, occhi e orecchie
• Favorisce la lubrificazione delle articolazioni tramite liquido sinoviale