La vita e le sue molecole PDF

1 La vita e le sue molecole CHIEDITI PERCHÉ Pe h e« n èt p e r o...

1 La vita e le sue molecole CHIEDITI PERCHÉ Pe h e« n èt p e r o Scarica GUARDA! e inquadrami per guardare i video Al supermercato o al ristorante ti sarà capitato di vedere frasi che esaltano le proprietà di un tipo particolare di carne: per esempio, la carne equina, perché la più «sana»; la carne di bufalo, perché «adatta a tutte le diete», la carne di struzzo, che «va contro le intolleranze». Ciascuna di queste definizioni è molto generica ed esalta un aspetto della carne, trascurando tutti gli altri. Le proteine di origine animale sono un alimento ricco di nutrienti e quindi sono consigliate soprattutto nella fase di crescita dell’organismo, ma dosi eccessive possono essere dannose. Esistono database online che permettono di comparare i vari tipi di carne, per farsi un’idea più oggettiva degli alimenti che ingeriamo. 100 g Proteine (g) Lipidi (g) Colesterolo (mg) Ferro (mg) Calorie (kcal) Bufalo 20,4 1,37 46 1,6 99 Manzo 18,2 21,8 70 1,9 127 Cavallo 19,8 6,8 61 3,9 143 Agnello 20 8,8 70 1,7 159 Pollo 23,3 0,8 60 0,4 100 Struzzo 20,9 0,9 57 – 92 Capretto 19,2 5 – 1 122 Maiale 21,3 8 62 0,8 157 Fonte: Rapporto ISPRA 2018. osserva e rispondi fai un passo in più Qu ip ar pi co r e ? La n o l ic i n ic p o ne s o m i Eq e l i ? po t i r i v e l om le , i ta l o , Qu ar co g a p u de po n o t i l an r a R e v o n iz a d po di se l te me r hi r e e c r al qu de c e. Po or un el al ti r e as in Qu ar co g a s o l o se m a n u do as re t er Raccolta dati: settimana Elaborazione dati: minuti  Lezione La biologia studia 1 le caratteristiche della vita 1. Le proprietà dei viventiCHI IDEA CHIAVE La og è l en h ud i v ti t li ni p i d o c e ca t it co c e n om es tu ni ne m e no v e. GUARDA! La biologia è la scienza che studia la vita in tutte le Qualunque sia l’argomento di cui si occupa, un sue forme: dalle microscopiche cellule, invisibili a biologo avrà comunque a che fare con la vita. Dun- occhio nudo, fino agli organismi e alle loro intera- que, per prima cosa si domanderà: «Che cos’è la Audiolibro zioni con l’ambiente. Questa scienza comprende al vita?» In altre parole, dovrà trovare un modo per suo interno diverse discipline: alcune sono più anti- distinguere un organismo vivente da un oggetto che, come la zoologia che studia gli animali o la bota- non vivente. nica che studia le piante; altre sono più recenti, come Per distinguere ciò che è vivo da ciò che non lo è, la biologia molecolare che si occupa delle interazioni i biologi hanno identificato un insieme di proprietà tra le molecole che costituiscono gli esseri viventi. comuni a tutti gli organismi, che gli oggetti inani- FIGURA 1 Le caratteristiche dei viventi. 2 Gi g im o s t e r iz. Gi s i v is ot is t e co l e r at co an lo L in i c , e s i , o or z a n ec is ge ri 3 Gi g im so a t e l i. Es no me n ic ne g co n ec zi in n e ve. ol de s o, se , po de n o c e pe s de ca. 4 Gi s i v ir n o ag t o. G i g i m pe p on si l e r Il t o p em ri a 1 Gi pe p e c o t av un g im of or s e li t di l e La l a l it di de se v e t Gi g i m i l ar so s i ti ’u ce l en g o g mi pu c ul on ma mo c ul fe z a RISPONDI Come sono strutturati i viventi? 2 Capitolo 1 La vita e le sue molecole mati non possiedono o presentano solo in parte. FIGURA 2 Riconoscere un essere vivente non è sempre facile. Solo gli esseri viventi possiedono simultaneamente queste otto proprietà (figura 1): 1 sono costituiti da cellule; 2 hanno una struttura organizzata; 3 sono capaci di autoregolarsi; 4 reagiscono agli stimoli; 5 si riproducono; 6 ricavano energia da fonti esterne; 7 si accrescono e si sviluppano; 8 evolvono nel tempo. È facile affermare che una mosca, un pesce o una quercia sono esseri viventi, mentre i sassi, la piog- gia o l’aria che respiriamo non lo sono; tuttavia, de- finire la vita non è sempre così semplice. Gli esseri Qu no f o , u t Un s lo un re viventi infatti assumono forme e strutture molto pi ga s ò s e vi t a h a n sa b a r as s ut re re s a r. varie, e talvolta le differenze con la materia inani- mata non sono così evidenti (figura 2). 7 Gi g i m a c c o s il no I v ti 6 Iv ti n i g i n i. co r o l r i si ta le c e m go Pe v re r i f i n i l i il p o r I p ni l u l e t a c os i or s i n is di gi ag ul de ac s si ti ne c ip a al vi t i v o r i b i n qu fa il m i d u b o le t e c nu l i. 5 Iv ti po c o Gi g i m er al n i d i li s s e s ’ u te b a , pe m i d o u v e c a. ov or s o r , i ri d e m o l si di te è l ci v a. 8 Gi g i m ov Tu g o g mi di n o d a t oc e s o f a ne m a t r o p es h a ev i n li al el p e m o s i RISPONDI Che cos’è di t i c ni di ur a si t un ciclo vitale? Lezione 1 La biologia studia le caratteristiche della vita 3  2. I livelli gerarchici della vita IDEA CHIAVE La ès t at iv li l e r ci v o da c ul o l i s a. GUARDA! Il mondo dei viventi è estremamente complesso ed nella stessa area e che appartengono alla stessa è strutturato in diversi livelli gerarchici (figura 3): specie, cioè sono in grado di accoppiarsi tra di 1 le cellule, che si distinguono in cellule proca- loro e generare prole fertile; Audiolibro riotiche, come i batteri, e cellule eucariotiche 7 le comunità, costituite da tutte le popolazioni dotate di organuli; di tutte le specie presenti in un’area; 2 i tessuti, cioè l’insieme di cellule simili che col- 8 gli ecosistemi, cioè l’insieme dell’ambiente fisi- laborano per svolgere una funzione specifica; co e della comunità che lo abita; 3 gli organi, costituiti dall’insieme di tessuti di- 9 la biosfera, la totalità degli ecosistemi presenti versi per svolgere un determinato compito; sulla Terra. 4 i sistemi e gli apparati, formati da più organi In realtà anche una cellula è formata a sua volta che lavorano assieme; da atomi, le più piccole particelle organizzate che 5 gli organismi, esseri viventi formati dall’insie- costituiscono la materia. Gli atomi si associano tra me integrato di apparati e organi; loro per formare molecole che compongono tutte 6 le popolazioni, gruppi di individui che vivono le strutture cellulari. FIGURA 3 I livelli gerarchici in cui è organizzata la vita. 5 Il è n or s o fo t 6 Un n i l è n po zi 4 L ap to ci l o è da ri p a si m e c e v el s a a p at e fo t a c e d i co an di. al t a s e Ca l u. sa g i h s ot at le l e l po lo s o l ot nu t e r ol le 7 Lu c i, p e so n i s t qu so la t al de p o z o c e s us ol co tà ti de 3 Il e n or Ap n i co t i te t u c e, ne s e c ti c om sa in t i r 8 Gi s i v i sa b o t i en ac ’ i n i cu on ’ec te 2 Il tet ca co ti de p e n fo t a l el èc te z o mu l i p i c ra. mo g on c c e r a d 9 Li s e t ig se nit ra ec te r e t la va il ab d i 1 La ce l è l tà d e t Te , le f it pe p a ni di t i v ti sa l a oc i h o c a mu l e r a h o m un k i q a c tu e n i c o r i ab. la bi ra. RISPONDI Che cos’è un tessuto? 4 Capitolo 1 La vita e le sue molecole  Lezione Le ipotesi 2 sull’origine della vita 3. La teoria cellulare IDEA CHIAVE La l a l it zi e s tu l i t li ni v e t Tutti gli organismi che popolano il nostro pianeta, Nel 1858 nacque così la prima formulazione della grandi o piccoli che siano, dalla quercia al colibrì, teoria cellulare, che si basava su tre punti fonda- dal fungo al lievito, sono formati da unità strut- mentali: turali organizzate nello stesso modo e invisibili ogni essere vivente è costituito da cellule; a occhio nudo: le cellule. L’osservazione e la de- la cellula è l’unità funzionale e strutturale dei vi- scrizione delle cellule divenne possibile solo nella venti; seconda metà del diciassettesimo secolo, grazie tutte le cellule derivano da cellule preesistenti. all’invenzione di strumenti che potevano ingran- dire l’immagine di oggetti molto piccoli e perciò FIGURA 5 Il primo microscopio (A) con cui Hooke osservò le cellule della corteccia della quercia da sughero (B). chiamati microscopi (figura 4), parola che significa «guardare ciò che è piccolo». Il termine cellula fu introdotto dallo scienziato inglese Robert Hooke nel 1674 mentre osserva- va, con un semplice microscopio costruito da lui, delle fettine di sughero. Egli notò che ciascuna fet- tina a occhio nudo sembrava avere una struttura continua, ma al microscopio appariva costituita da tante piccole cellette, che chiamò appunto cellule (figura 5). Fu soltanto due secoli dopo, però, che gli scien- ziati giunsero alla conclusione che tutti gli organi- smi sono formati da cellule e che le cellule possono originarsi solo da altre cellule. A B FIGURA 4 Tutti gli esseri viventi sono formati da cellule di dimensioni così piccole da essere visibili solo al microscopio. Tu g e s iv so r a d ce l i m i n o p ol RISPONDI Da cosa sono formati i viventi? es vi li al r op 6 Capitolo 1 La vita e le sue molecole 4. Gli esperimenti di Redi e Pasteur IDEA CHIAVE Le v er ta mo r he l a ra im no p on er og mi ni Oggi sappiamo che gli organismi viventi si origi- definitiva fu data nel 1861 dal chimico e biologo GUARDA! nano solo da altri organismi viventi, ma in passa- francese Louis Pasteur: i suoi esperimenti confuta- to molti scienziati hanno condiviso la teoria della rono una volta per tutte la teoria della generazione Audiolibro generazione spontanea. Secondo questa teoria, spontanea e permisero di affermare la teoria della piccoli animali come mosche, vermi o rane posso- biogenesi, secondo cui tutti gli esseri viventi sono no talvolta essere generati dal fango o dall’acqua generati da altri esseri viventi (figura 7). Video stagnante, dal fieno umido o dalla carne in putre- Come è stata fazione. Questa teoria restò valida per secoli fino a negata la generazione che, nel 1668, il medico e naturalista toscano Fran- FIGURA 7 L’esperimento di Pasteur. spontanea? cesco Redi dimostrò che non era vero (figura 6). Nonostante ciò, due secoli dopo la teoria della 1 Pa r i nu l ed ro c o l un d i se r generazione spontanea aveva ancora molti sosteni- c e m or s i g e s os t e neC af a tori. Se la generazione spontanea di organismi com- de m i t ac as re lo l te re or S plessi come i vermi era stata smentita, la scoperta di microrganismi come le muffe del pane o della frut- ta aveva riproposto la stessa questione. La risposta FIGURA 6 L’esperimento di Redi. Re em f a n i r ne lò el ò a t Ne mi r ep ve n ut , o d e or e f e d a, t eg ti m o , i 1 qu i r o s e s e l in t i f ro la c o s il ro ad. 2 Il l a S e m va al r a ta m bo c ol e mi r is F e 2 bo r i r i m a uc re t e r i vi r e t ’i r 3 Is ni de g e z o p an o ta c e s am n a ’ a m e r a r i n de v a p òR ip ’e r e t re 3 Al m e l s e m o l do c en e c co fa n o n az qu mo l i n av S o v a n a n a; ve co v i r o, r o in t oc ca , em h o n a n co m a d e pe n or vi P e r cu c vo l an re t o g òf di. ne h i m r a s ig an la ri a m a Lezione 2 Le ipotesi sull’origine della vita 7  5. L’origine delle biomolecole IDEA CHIAVE G i g i m en no m i bo co h e r or es Te p or e. GUARDA! Se la vita non si può generare spontaneamente dal- ma di certo era priva di ossigeno e ricca di vapore la materia inanimata, come si sono originati i pri- acqueo. La condensazione del vapore in quota e le mi organismi viventi? conseguenti precipitazioni avrebbero permesso la Audiolibro L’Universo ha avuto origine da una enorme formazione dei primi oceani, caldi e poco profon- espansione, chiamata Big Bang, che secondo cal- di, in cui si sarebbero create le condizioni necessa- Video coli recenti sarebbe avvenuta 13,8 miliardi di anni rie alla formazione delle molecole che costituisco- Come fa. Da un ammasso di polveri cosmiche e gas, 4,6 no tutti gli organismi viventi. è stata miliardi di anni fa, in una porzione molto piccola Nel 1924, il biologo russo Alexander Oparin confermata l’ipotesi di dell’Universo si è formata una stella, il Sole, e in- formulò la teoria dell’evoluzione chimica, secon- Oparin? sieme a essa otto pianeti tra cui la Terra. In origine do cui le piccole molecole contenenti carbonio, la Terra era una massa fusa e incandescente, ma idrogeno e azoto presenti nei primordiali oceani con il passare del tempo la superficie del nostro (il cosiddetto «brodo primordiale») avrebbero re- pianeta iniziò a raffreddarsi. Si originò così, circa agito fra loro fino a formare molecole più grandi e 4,1 miliardi di anni fa, la crosta terrestre solida. Le complesse: le biomolecole. Nel 1953, gli scienziati condizioni della Terra e dell’atmosfera primordiali statunitensi Stanley Miller e Harold Urey misero erano molto diverse da quelle attuali. a punto un esperimento per verificare la teoria di Non sappiamo esattamente quale fosse la com- Oparin (figura 8). posizione dell’aria quando si è originata la vita, FIGURA 8 L’esperimento di Miller-Urey. Sa c e t c e m a n if ni f iv ’e g a pe s es u v o p. Un l e n en s o q e em da c i l i, c i no H2O di do r o ,a na zo id no m a l t of pi t a N2 CH4 pi d o g om ca po qu NH3 CO2 po ne d ’e ra ed oc i H2 compartimento Un d at af d a g «atmosferico» de ’ m er un og c e n ev o c os Ic s i no c i nu en l «o o» acqua fredda Do a s ma Un uz e n en ne ’ an an se so n hi h e p compartimento condensazione di s o p or ci er l a ri d e «oceanico» in s a n a n a l oc o p ti c e n e tà de p o ne d i n ac pa t i p ib ot e ga p de b o co RISPONDI Che cosa dimostrò c e s us o v e t l’esperimento di Miller-Urey? calore beuta 8 Capitolo 1 La vita e le sue molecole  Lezione L’acqua 3 e le sue proprietà 6. L’acqua e la vita IDEA CHIAVE L a q ot ic o p ed ma c or i t gi g i m en Osservando un’immagine della Terra scattata dallo circa tre miliardi di anni, prima di «conquistare» spazio, possiamo notare che quasi tre quarti della la terraferma. Inoltre, tutti gli esseri viventi sono sua superficie sono ricoperti d’acqua (figura 9A). La costituiti per la maggior parte da acqua: persino le presenza dell’acqua rende il nostro pianeta diverso nostre ossa ne contengono circa il 60% (figura 9B), da tutti gli altri e, soprattutto, ha reso possibile la mentre il corpo di una medusa è fatto quasi soltan- comparsa della vita. to di acqua (figura 9C). Tutti gli scienziati concordano sul fatto che le L’acqua possiede caratteristiche e proprietà che prime forme di vita abbiano avuto origine nell’ac- la rendono una sostanza unica sul nostro pianeta e qua e che si siano poi evolute in tale ambiente per indispensabile per tutti gli esseri viventi. FIGURA 9 L’acqua è una componente importante sulla Terra (A) e fondamentale per gli esseri viventi (B C). Gi an im op il % la su f i l i ta r A In m i p o l to r è co t i r ic % d qu qu qu tà ar e l so de v a n u z e l t i t s ot B Il p i me èq i in me c os ’ u. i di r a l pi a, to al pe l % l pi so p e RISPONDI Quanta acqua è presente nel nostro corpo? C 10 Capitolo 1 La vita e le sue molecole 7. La struttura chimica dell’acqua IDEA CHIAVE Le co ’ u s o l i f an am id no c e n aq as n a r et da t i r it Una molecola d’acqua (H2O) è costituita da due che nelle altre sostanze. Grazie alla loro polarità, GUARDA! atomi di idrogeno uniti a un atomo di ossigeno inoltre, le molecole di acqua sono attratte anche da mediante un legame covalente. La particolarità di molecole di altri materiali; questo tipo di attrazio- Audiolibro questa molecola è che gli elettroni non sono con- ne è detta forza di adesione. divisi equamente tra gli atomi (figura 10A); per La presenza del legame a idrogeno spiega non questo motivo, l’estremità della molecola con l’os- solo la forte coesione e adesione delle molecole Video sigeno assume una parziale carica negativa, mentre d’acqua, ma anche le altre proprietà che distinguo- Quali sono le l’estremità con i due atomi di idrogeno assume una no questa sostanza da qualunque altro composto caratteristiche dell’acqua? parziale carica positiva. Una molecola di questo (figura 11 alle pagine seguenti): tipo, con cariche elettriche opposte ai due poli ( + Perché l’acqua è il solvente e –), è detta polare. A la capillarità, che consente il trasporto d’acqua universale? L’acqua è quindi una sostanza composta da mo- nelle piante; Quali sono lecole polari che interagiscono tra loro e si posi- B la tensione superficiale, che permette agli in- le proprietà setti pattinatori di «camminare sull’acqua»: dell’acqua? zionano come nella figura 10B. Il legame chimico tra un atomo di idrogeno leggermente positivo di C la densità del ghiaccio minore di quella dell’ac- Perché avvengono i una molecola e un atomo di ossigeno leggermente qua liquida, che determina il galleggiamento passaggi di negativo di un’altra molecola è chiamato legame a degli iceberg; stato? idrogeno. D l’elevato calore specifico e l’elevato calore di Nell’acqua allo stato liquido, i legami a idrogeno evaporazione consentono all’acqua di «resiste- tra le diverse molecole si rompono e si formano in re» più degli altri materiali alle variazioni di continuazione. Questa tendenza di molecole dello temperatura; stesso tipo a stare unite fra loro è chiamata forza di E il potere solvente che permette di formare del- coesione e, nell’acqua liquida, è molto più elevata le soluzioni e di sciogliere molte sostanze. FIGURA 10 L’acqua è una molecola polare (A) che forma legami a idrogeno (B). modello di Bohr – legami H O a idrogeno + H H – O + H + – – legami + covalenti H polari A B La co l ac a n om “ , Lo s od a c ol ad q a co ’ od ig a v ce du av un ge ri ga , a r i at i d en e s mi po. at i d en r i m e p iv le mo le ne r e t e mi r a un me d o n RISPONDI Che caratteristiche ha la molecola d’acqua? Lezione 3 L’acqua e le sue proprietà 11 FIGURA 11 Le proprietà dell’acqua. vetro A La la t Ad o e co o so molecola d’acqua al se f o n de c i l à: le da q a so le r i di c i b i , ca l i, e pe si ra n o n sé r o c e ’ a. La la t e m il s to c a stato liquido ne p a : va zi el gi « i c a» le da q al ic RISPONDI Che ruolo svolge la capillare capillarità nelle piante? at v o s li d i d r o. B La so pe c a Le co l a p ic de ’ as at t da m e l o t ni me r lo da mo le l i , no so la S e c ì so d e l a l ic su f i. La s o pe c a ne t ac an i, il li pu , i ve RISPONDI Come si crea la su ’ a. tensione superficiale? legame C La s à a idrogeno La q o d èm en de ’ al i , o pa di me am mi. e g ci le a d en o s li bo c em ol u GHIACCIO re lo n ne ’ a ACQUA ALLO li a l a s o s il STATO LIQUIDO el ec im o pù vi. Qu la q e , hi o g g i e s a ’ a l i s os t 12 Capitolo 1 La vita e le sue molecole D Il re c i La q e s al i zo di p a r os a un at or ci. Pe r u t e ° a te r u d ’a oc r fo r o t or r e in r a t or ’a pe v ar iq a ga s a q i n e t ca di or o. In li r i da q i l i s Ne en ’ u i t a s li r a s ad ù n en l e l er te r u : a d i m ac RISPONDI Che cos’è la q a c o s if ag e. il calore specifico? ev a s ra or os c o. E Il re v e Qu ag gi el in c i r ac or o n so on , i u m g i og o c i c a l o t c e s i l e so n , e l e l o t c e ne l a so. ac è il v e p c a d e c le in d i c i r o t ta. ione cloruro (Cl–) cloruro ione di sodio sodio non disciolto (Na+) Le t ec r a f im so on ac e, il ol c e ( ec molecole d’acqua po ) o d e id le. Le t ec se da co ol co r i li te n a s e in bi ac es et id bi. Lezione 3 L’acqua e le sue proprietà 13  8. Il pH e i viventi IDEA CHIAVE La l e p is ’a tà l a c à na zi ne en p èm nu sa t i s it ne GUARDA! Nell’acqua allo stato liquido una piccola percen- universali, cioè cartine imbevute di una miscela di tuale di molecole tende a dissociarsi in ioni: dalla sostanze che assumono colori differenti in base al scissione di una molecola d’acqua si ottengono uno valore di pH (figura 13). Audiolibro ione idrogeno carico positivamente (H+) e uno ione Molti processi biochimici dei viventi dipendono ossidrile carico negativamente (OH–). da una corretta regolazione del pH. Il pH del no- Nell’acqua pura la quantità di ioni H+ corrispon- stro sangue, per esempio, deve essere pari a 7,4 e de a quella di ioni OH–. La dissoluzione in acqua di una variazione anche minima provoca gravi pro- atomi o molecole elettricamente carichi o di una blemi. Per evitare pericolose variazioni di pH, nelle sostanza con molecole polari può però modificare cellule sono presenti dei sistemi tampone, cioè so- il numero relativo di ioni H+ e OH–. Un composto luzioni contenenti sostanze in grado di mantenere che in acqua libera ioni H+ è detto acido. L’acido il pH costante, accettando ioni H+ quando questi cloridrico (HCl), per esempio, in acqua è quasi sono in eccesso e cedendoli quando sono in difetto. completamente dissociato in ioni H+ e Cl–, perciò una soluzione di HCl contiene più ioni H+ che ioni FIGURA13 Un indicatore universale del pH. OH– ed è acida. Un composto che in acqua libera ioni OH– è invece detto base. L’idrossido di sodio (NaOH) in acqua libera ioni Na+ e OH–, perciò in una soluzione di NaOH ci sono più ioni OH– che ioni H+ e la soluzione è basica. Il grado di acidità o basicità di una soluzione vie- ne espresso mediante la scala del pH (figura 12). La scala varia da 0 a 14; a pH = 7 la concentrazione degli ioni H+ e OH– è identica e si ha una condi- zione di neutralità, un valore di pH inferiore a 7 è acido e un valore di pH superiore a 7 è basico. Per misurare il pH si possono usare gli indicatori FIGURA 12 La scala del pH. acido succo sapone cloridrico di limone pomodoro latte liquido candeggina uova bicarbonato di sodio aceto liquido per acqua soda pioggia caustica batteria detersivo ammoniaca acido neutro basico 14 Capitolo 1 La vita e le sue molecole  Lezione I composti 4 del carbonio 9. Gli elementi indispensabili alla vita IDEA CHIAVE G i g i m en no t u da to me c ic pi c i: ge c on i r o zo Tutta la materia, compresa quella che costituisce essenziale per la struttura delle ossa, lo zolfo è un gli esseri viventi, è composta da atomi, che si com- componente fondamentale di diverse molecole, il binano tra loro a formare elementi (sostanze pure ferro è necessario per il trasporto dell’ossigeno nel formate da atomi uguali) e composti (sostanze for- sangue. mate da atomi diversi). Il carbonio è l’atomo più importante per gli or- Sul nostro pianeta, il 96% della materia viven- ganismi viventi: insieme all’acqua, infatti, i com- te è costituito da quattro tipi di atomi: carbonio, posti contenenti carbonio sono le sostanze più idrogeno, ossigeno e azoto (figura 14). Il restante 4% comuni nella materia animata. Come abbiamo vi- è rappresentato da elementi che, pur essendo pre- sto, l’acqua possiede caratteristiche che la rendono senti solo in tracce, sono ugualmente importanti: il indispensabile per la vita, mentre l’atomo di car- sodio e il potassio, per esempio, sono indispensabili bonio può formare grandi molecole molto diverse per il funzionamento dei nervi, il calcio è coinvolto tra loro, le biomolecole, che conferiscono a ciascun nella contrazione muscolare e, assieme al fosforo, è organismo le sue peculiari caratteristiche. FIGURA 14 La composizione degli esseri viventi. carbonio (18,5%) ossigeno (65%) C idrogeno (9,5%) O Ic s i l ca n o H so la de v a azoto (3%) su s pi a. N altri (4%) sodio potassio calcio fosforo RISPONDI Quali sono i componenti zolfo principali della materia vivente? ferro 16 Capitolo 1 La vita e le sue molecole 10. Le caratteristiche del carbonio IDEA CHIAVE G i mi r o si no l o c at em pe r e n an ri im ol an. Le biomolecole fanno parte di un gruppo molto 15B). L’unica regola è che ogni atomo di carbonio GUARDA! ampio di sostanze contenenti carbonio, che com- può formare complessivamente quattro legami. prende fibre naturali (come canapa, lino e cotone) Un altro importante motivo per cui i composti Audiolibro o sintetiche (come nylon e rayon), coloranti, far- organici sono molto numerosi e diversificati è la maci, materie plastiche, pesticidi, diserbanti, pro- possibilità di formare isomeri. Gli isomeri sono fumi, aromatizzanti e tutti i derivati del petrolio. composti formati dagli stessi atomi, ma disposti Nel loro complesso, questi composti del carbonio in modo diverso nello spazio. Tra gli isomeri degli sono detti composti organici. Le sostanze come idrocarburi più semplici ci sono quelli di struttura, l’acqua e il diossido di carbonio, che si possono in cui cambia la disposizione degli atomi di carbo- trovare anche nella materia inanimata, sono dette nio nella catena carboniosa, oppure la posizione invece composti inorganici. L’esistenza di un nu- dei legami tra gli atomi di carbonio (tabella 1). mero elevato di composti del carbonio dipende da FIGURA 15 L’atomo di carbonio (A) e alcuni idrocarburi (B). alcune proprietà di questo elemento: grazie alla presenza di quattro elettroni nel li- vello energetico più esterno (figura 15A), il car- La m i r i p i d bonio può formare quattro legami covalenti sia qu r e t i n ve con altri atomi di carbonio sia con atomi diversi; en ti ù s no il carbonio ha la possibilità di formare legami covalenti singoli, doppi oppure tripli; gli atomi di carbonio possono legarsi tra loro a H formare lunghe catene stabili (catene carboniose), H A H C H che possono contenere anche migliaia di atomi. H C H H C H C C Tra i composti organici più semplici ci sono gli idro- H H H H H H H H H C C carburi, formati soltanto da carbonio e idrogeno. H C C C C C C H H C C C C H H C H Le molecole degli idrocarburi possono assumere H H H H H H H H H diverse forme: lineare, ramificata o ad anello (figura B a catena lineare a catena ramificata ad anello TABELLA 1 Esempi di isomeri di struttura. Formula grezza Nome Formula di struttura Differenze C4H8 2-butene H H H H posizione del doppio legame H C C C C H H H C4H8 n-butene H H H posizione del doppio H legame C C C C H H H H C4H8 ciclobutano composto ciclico H2C CH2 H2C CH2 C4H8 isobutene H3C composto ramificato C CH2 H3C Lezione 4 I composti del carbonio 17  11. I gruppi funzionali IDEA CHIAVE I g p u z a l a le t e r i s e r an le p e c ic fi h el ec Le proprietà chimiche e fisiche di un composto or- Nella figura 16 sono rappresentate alcune classi di ganico non sono determinate solo dalla lunghez- composti organici. Alcune biomolecole conten- za e composizione della catena carboniosa, ma gono più gruppi funzionali: gli amminoacidi, per soprattutto da particolari gruppi di atomi, detti esempio, possiedono sia il gruppo amminico sia il gruppi funzionali, che si legano a essa. I compo- gruppo carbossilico. La lettera R indica una catena sti organici sono organizzati in classi di sostanze variabile di atomi di carbonio e idrogeno: può indi- in base al gruppo funzionale che ne determina le care un gruppo –CH3 (radicale metilico), un grup- specifiche caratteristiche. po –C2H5 (radicale etilico) o infiniti altri gruppi. FIGURA 16 Alcuni esempi di gruppi funzionali. Gruppo ossidrilico o ossidrile L al ti (o ol co n o t e l an OH al c e na t a c ef t u n r classe di composti: ce l e n ad at e l po m o. Alcoli R OH Gruppo carbonilico o carbonile A B C O A Al al ih un te f a ne classi di composti: il f o l on do al ci l , u l i. Aldeidi Chetoni B Il t e l or pi pi l ac e, O O us om ve p o s t a g e C C R H R R* Gruppo carbossilico o carbossile COOH classe di composti: L ac a t o vi ro t a t i c n es Acidi carbossilici di ge l i t za pa r a l c e l o H O po r à t et ed sa me d e t C R OR* Gruppo amminico NH2 La fe ti m a è c ci om lo d pe h classe di composti: vi il at ce l u n ro o s me Ammine di i am Èc nu c e l a , pe H H qu èc de un t e r vo ra. N R Gruppo tiolico o tiolo SH L et ol e g t i li n u p o re classe di composti: s ad e. r a , es o, d et e Tioli o mercaptani di ni p ic nu l ag e n ci l R SH Pi l u t à t o n o g i t a s ur RISPONDI Che gruppo funzionale pe l a n re z i s i r e c en. ha un chetone? 18 Capitolo 1 La vita e le sue molecole 12. I polimeri IDEA CHIAVE Mo bo co no me si ti it ù c e, de m o r Nelle diverse classi di composti organici ci sono mero tramite la reazione di condensazione: quan- GUARDA! molecole di dimensioni eterogenee: esistono mole- do avviene si libera una molecola d’acqua, grazie cole molto piccole, come quella del metano (CH4) alla perdita di un gruppo ossidrilico (–OH) da un Audiolibro che è formata da appena 5 atomi, e molecole mol- monomero e di un atomo di idrogeno (–H) dall’al- to grandi, le macromolecole, che sono formate da tro (figura 17A). Al contrario, se un polimero viene centinaia, migliaia o perfino milioni di atomi. suddiviso nei monomeri che lo costituiscono, ha Molte macromolecole sono polimeri costituiti luogo una reazione di idrolisi, cioè una scissione dall’unione di molecole più piccole, dette mono- per aggiunta di una molecola d’acqua: il legame tra meri, che possiedono due o più gruppi capaci di i monomeri si rompe e il gruppo ossidrilico della formare lunghe catene o reti tridimensionali. molecola d’acqua si lega a uno di essi, mentre l’ato- Due monomeri si uniscono a formare un poli- mo di idrogeno si lega all’altro (figura 17B). FIGURA 17 La reazione di condensazione (A) e di idrolisi (B) dei polimeri. A H OH + H OH Monomero Ne co n i n l a q H2O vi im. H OH + H OH Si m u g e v e t H 2O ta m o r H OH A B H OH Du t id si vi H2O ag ta a. H OH + H OH Si p u g e v e t ta m o r H 2O RISPONDI Che reazione porta + all’unione di due monomeri? H OH H OH Lezione 4 I composti del carbonio 19  Lezione 5 Le biomolecole 13. I carboidrati IDEA CHIAVE G i c ri s o s e m ci il c i co l co ’ i , ni n e ga ce l e h an n u s ut le I carboidrati, detti anche glucidi o zuccheri, sono I monosaccaridi sono costituiti da una catena GUARDA! composti organici contenenti carbonio, idrogeno e di 3-7 atomi di carbonio sulla quale si inserisco- ossigeno; per ogni atomo di carbonio ci sono due no due o più gruppi ossidrilici (che danno agli Audiolibro atomi di idrogeno e uno di ossigeno: la loro for- zuccheri caratteristiche alcoliche) e un gruppo mula generale è perciò CnH2nOn. I carboidrati più carbonilico. In base al numero di atomi di car- semplici sono i monosaccaridi, che esistono come bonio, gli zuccheri sono detti triosi (3C), tetrosi Video molecole a sé stanti ma sono anche le unità di base (4C), pentosi (5C) ed esosi (6C). Gli esosi sono i Che cosa per formare zuccheri più complessi, come i disac- sono i monosaccaridi più comuni: ne sono un esempio carboidrati? caridi, gli oligosaccaridi e i polisaccaridi. il glucosio e il fruttosio (figura 18). FIGURA 18 Gucosio (A) e fruttosio (B) sono monosaccaridi. A C6 C5 Il g u s o è l bu b e C4 C1 ut za le l ep ot re n i n es a C3 C2 as g e p ri iv èp ne m eb de e n ra. glucosio C6H12O6 G u s o f to os on te f ul mi m a n B un er s o zo gi mi l az i so is i. C6 C5 C2 C1 Il f u t o è l c e C4 C3 p e n el e n a f u t ha te do f a t er e qu de l i. fruttosio C6H12O6 RISPONDI Perché glucosio e fruttosio sono isomeri? Lezione 5 Le biomolecole 21  I disaccaridi sono formati dall’unione di due carboidrati più abbondanti e sono prodotti sia monosaccaridi tramite un legame glicosidico dai vegetali (amido e cellulosa), sia dagli animali che si forma attraverso una reazione di conden- (glicogeno e chitina, figura 21). sazione. Alcuni esempi importanti sono il sacca- rosio, il maltosio e il lattosio (figura 19) FIGURA 20 Gli oligosaccaridi in una membrana cellulare. GUARDA! Gli oligosaccaridi sono costituiti dall’unione di gi p en ca da alcune molecole (fino a circa 10) di monosacca- gi l i ridi. In genere nelle cellule si trovano associati Audiolibro a proteine o a lipidi a formare le glicoproteine o i glicolipidi, molecole complesse che si trova- no per esempio nelle membrane che rivestono le cellule (figura 20). I polisaccaridi sono polimeri formati dall’u- nione di numerose molecole di monosaccaridi; nonostante siano costituiti da zuccheri, sono poco solubili in acqua e non sono dolci. Sono i FIGURA 19 Saccarosio (A), maltosio (B) e lattosio (C) sono esempi di disaccaridi. Il sa r i è l Ne c a d Ne b ab o d co zu h zu h i s ro è zu h i s ro è da la im zi t e f. im z i t el ic p o t al pi. A glucosio fruttosio H2O saccarosio Il t i to n a s ne ’ qu Il ma s o, o z h o is er no s a t o d i di t è t i z el po s ip zi de b a n a pe r i di r i. B glucosio glucosio H2O maltosio Il la soèl c e Il t i p e n co n o l te n i ne t ro t a su e v i l el ma f i in t a ut za co di al ta ne p ar o d o t al ti m a m C sa pa RISPONDI Da cosa è formato il lattosio? glucosio galattosio H2O lattosio 22 Capitolo 1 La vita e le sue molecole FIGURA 21 Amido (A), cellulosa (B), glicogeno (C) e chitina (D) sono esempi di polisaccaridi. L am è Le co ac la le am on ma pi in ni da g at i ri v o s i gu so om ( a , no z ra ca fu ( at ra ( a ca RISPONDI Che struttura ha l’amido? A La ce l a è l im pi on t i Im er na ed p en l gu so l ri t e t le l e ce l a n ve li f i n di s i l h s ut le l iv ca pa l e os no l te n ta s i r o ba r i r i le a d en so p. az r B Il g i g o è p to da ni co Il c e un ri v i r i è po ro g os ac la im li co s ut en ga re r mo s i qu so p qu de ’ o, ù lo g mo so ra ca di c i C La t a na s ut si al La c i n è l ce l a m u co n e mo ro na p i c ed mo la l o co z e r i mo ca n co t i n e t am zu h , e e d ve m i co ne o( l ce l e fu h e n p o ti n ar on D Lezione 5 Le biomolecole 23  14. I lipidi IDEA CHIAVE I l is u g p ot er ca ma m e l no l e c i s il a q GUARDA! I lipidi costituiscono una classe di composti piut- Negli animali e nei vegetali, i trigliceridi costi- tosto diversi l’uno dall’altro sia dal punto di vista tuiscono una riserva energetica eccellente poi- strutturale sia per le funzioni che svolgono negli ché, a parità di peso rispetto ad altri composti Audiolibro organismi viventi, tuttavia hanno una caratteristi- organici, racchiudono il massimo di energia uti- ca in comune: l’incapacità di sciogliersi in acqua, e lizzabile. Essi presentano però lo svantaggio di Video pertanto sono detti idrofobici. essere metabolizzati molto più lentamente de- Che cosa I lipidi si dividono in trigliceridi (o grassi), fosfo- gli zuccheri. I grassi possono essere di due tipi: sono i lipidi? lipidi, steroidi e cere. grassi saturi e grassi insaturi (figura 22). FIGURA 22 I trigliceridi. glicerolo tre molecole di acidi grassi H O H C O C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 acido grasso saturo O H C O C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 acido grasso saturo O H C O C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH CH H 2 CH acid 2 CH o gr asso 2 CH insa turo 2 CH 2 CH Ne ni om e m g a s 2 CH ac la to c e n a c 2 CH 3 I t l e d o c it i na co un zi i l e, i t g i r o (u c a t om ar o) t lo g mo m en os t a ca di ca r hi e ac ra. te r u nen A Ne g a s ur g i di s on g o n e m im B Ne g a s at t a l o d a b o n es di i d og g i mi r o de c e s o an l a c a n op e l er a m i r e pe n u t o d le co n i m ci. no q e m im si. Ig s i gi im co r o s t el , Ig s i t i n o t i n e c ne et a so tu so at ra am te te r u m i t o l u so f a d ol. 24 Capitolo 1 La vita e le sue molecole  I fosfolipidi sono molecole molto importanti FIGURA 23 I fosfolipidi. per le cellule perché costituiscono le membrane plasmatiche, inoltre sono in parte simili ai tri- COLINA gliceridi, ma sono presenti solo due molecole di CH3 testa polare (idrofila) acidi grassi: la terza è sostituita da un composto CH2 N+ CH3 La t i f a contenente un gruppo fosfato (figura 23). Nella CH2 CH3 at t al le membrana plasmatica i fosfolipidi si organizza- O FOSFATO de ’ a. no formando un doppio strato, con le teste ri- O P O- volte verso l’ambiente acquoso e le code rivolte CH2 CH O GLICEROLO O O CH2 una verso l’altra. C O C O Gli steroidi costituiscono un’altra famiglia di li- ACIDO GRASSO CH2 CH2 ACIDO GRASSO pidi che presenta una formula chimica del tutto CH2 CH2 Le ap i coda apolare (idrofobica) CH2 CH2 diversa da quella dei trigliceridi: nella moleco- CH2 CH2 id bi s la degli steroidi, infatti, sono presenti quattro CH2 CH2 al t a d ’a. CH2 CH2 strutture ad anello (figura 24). CH2 CH2 CH2 CH Le molecole delle cere sono costituite da un aci- IN CH2 CH SA CH2 CH2 do grasso legato a un alcol. Le cere hanno la pro- TU CH2 SATURO CH2 CH2 RO prietà di limitare la perdita di acqua (figura 25). CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 CH2 CH3 RISPONDI Quanti acidi grassi ha un fosfolipide? FIGURA 24 Gli steroidi. H3C CH3 Il co t o è n er e h ro qu ut ce l e CH3 CH3 co r i c re re l i de m ra ab d e n u v e ne c e r ed n ec re po n o m de s e de. CH3 OH HO G i or s e de so me g i c ci O testosterone me n i m i zo OH di s i t t o p i n so em l es g i e l te s on , o n es i fe n i m hi HO estrogeni Al s e di t fe ni, e v al un i n t a d i di ro p i c e l al FIGURA 25 Le cere. Le l e fu d mo p a , ì An g i s e co cu r i mo l i n a t a le g e so r e t to lu , o r ti di r a ne di. so l ra ce Lezione 5 Le biomolecole 25  15. Le proteine IDEA CHIAVE Le t i no me am ac he mo qu r ru r in li c i n o l o f i n GUARDA! Le proteine sono la classe più diversificata di bio- Tale catena si può ripiegare poi su se stessa dan- molecole. Sono composte da una o più catene pep- do origine alle strutture secondaria e terziaria. tidiche formate da amminoacidi legati uno di se- Alcune proteine possono essere costituite da più Audiolibro guito all’altro. Ogni amminoacido è costituito da catene polipeptidiche unite a formare una strut- un atomo di carbonio centrale al quale sono legati tura più complessa detta struttura quaternaria. Video quattro gruppi: un atomo di idrogeno, un gruppo Che cosa carbossilico, un gruppo amminico e una catena la- FIGURA 26 Formazione di un legame peptidico. sono le terale variabile, che conferisce all’amminoacido le gruppo gruppo proteine? sue proprietà chimiche. In natura esistono centina- amminico carbossilico ia di amminoacidi che differiscono per la compo- H H H O H O sizione della catena laterale, ma di questi solo 20 si N C C N C C combinano tra loro, susseguendosi in modo diver- H OH H OH so, e costituiscono un’enorme varietà di proteine. catena R R Gli amminoacidi sono legati l’uno all’altro dal laterale legame peptidico, che si forma tramite una reazio- amminoacido ne di condensazione tra il gruppo amminico di un H2O amminoacido e il gruppo carbossilico dell’ammi- legame peptidico noacido seguente (figura 26). Una proteina è costi- H O H tuita normalmente da centinaia di amminoacidi ed H O è organizzata in differenti strutture (figura 27). N C C N C C Si definisce struttura primaria l’ordine secondo H OH R R il quale si susseguono gli amminoacidi per for- mare una catena lineare più o meno lunga. dipeptide FIGURA 27 Le quattro strutture delle proteine. Struttura primaria monomeri (amminoacidi) legame peptidico 2 Ta l in i 1 Lo d eg de c e s i t a am ac s ut in zi he n a pi r a) e d i mo la or og r e. el o f i t ri at Qu èl s ut Struttura secondaria Ơelica foglietto ơ se d i. 4 Un te u legame a idrogeno es fo t a 3 Ta d es ti l legame a idrogeno ca c e r o mo la r a l a s ut qu na. Struttura terziaria Struttura quaternaria c e p an ri ar subunità 2 ge n o s e f a foglietto ơ subunità 1 fo t im on et Ơelica subunità 3 s ut te ri. legame RISPONDI Che forme a idrogeno ponte può assumere la disolfuro struttura secondaria? subunità 4 26 Capitolo 1 La vita e le sue molecole La forma di una proteina dipende da legami chimi- FIGURA 28 La denaturazione di una proteina. ci deboli che si instaurano tra le diverse parti della catena peptidica; pertanto essa non è stabile, ma si modifica al variare delle condizioni ambientali. Se la variazione di forma è irreversibile, la molecola perde le sue proprietà: questo processo viene detto denaturazione. La denaturazione di una proteina può avvenire, per esempio, a causa di un aumento di temperatura (figura 28). Le proteine svolgono numerosi compiti in tut- ti gli organismi viventi, e all’interno delle cellule Qu cu un ol b e r c e si svolgono incessantemente processi in cui sono ta p te g a n o d ta do n o pa coinvolte proteine. Il ruolo che una certa proteina Se c a f d e ’ o l b e n or ùc svolge nell’organismo dipende strettamente dalla p i d ac ra p e n a m a n o sua struttura (figura 29). ir ri l e po r à c è de ra FIGURA 29 Le funzioni delle proteine. Po ne ma h e z Pa c a re no az i Po ne r or c i c he n o n a Co ’em bi , e ce l e ne po am i, ta p lo s on un ma d o d n e s sa , e l li r e , da g a d al i c i l c e r ra ga s ne d et e ca da. ne n e Po ne fe S og u ’ o p et , pe m i re p o l ri zi el ri fa r di ul o ) e l if Po ne po da ro to r i Co ’al na, an r i, i s a d el p o t el to h p o t el lo s o co t i na r a di no i l ca a, es ne la d i m e. Po ne t ti Co ’ac e l mi a, e pe t ol t a ne mu l e q i l o m o. Po ne r ra Po ne s er Co co g e, e l in le Al me g i c ci or ) o p en co n e f so c o, l ne un pi in na e l g u g e c e t a, e na p e t p o t al c a, r o n im t e d el n i , i p e. la c ra e d l o ne n e Lezione 5 Le biomolecole 27  16. Gli acidi nucleici IDEA CHIAVE G i di l i no me nu ti f at lo la da uc r e t un e z a un p os. GUARDA! In tutti gli organismi, le istruzioni per costruire le I nucleotidi si uniscono tra loro con reazioni di proteine sono contenute in una molecola spec