Biologia Applicata PDF

BIOLOGIA APPLICATA Cos’è la biologia? È la scienza che studia la vita, intesa come organismi ed esseri viventi. È una disciplina che ha diversi livelli: - Livello molecolare - Cellulare - Organismo - Popolazione - Ecologia È uno studio che si estende dalla scala microscopic...

BIOLOGIA APPLICATA Cos’è la biologia? È la scienza che studia la vita, intesa come organismi ed esseri viventi. È una disciplina che ha diversi livelli: - Livello molecolare - Cellulare - Organismo - Popolazione - Ecologia È uno studio che si estende dalla scala microscopica (molecole e cellule che costituiscono un organismo) ad una scala macroscopica (l’organismo stesso e come interagisce con l’ambiente). - Le molecole e macromolecole tendono ad unirsi attraverso precise relazioni spaziali e temporali creando strutture via via più complesse come le cellule che poi a loro volta costituiscono la struttura base della vita. - Le cellule sono l’unità base della vita e costituiscono gli organismi viventi (uni o pluricellulari). Si specializzano in forme e funzioni, e questa specializzazione deriva da una diversa espressione di geni ( → si parte da cellule che hanno tutte lo stesso genotipo, successivamente alcuni geni contenuti in queste cellule vengono espressi, altri no → differenziamento cellulare); più cellule formano tessuti, più tessuti formano organi e più organi, sistemi. I sistemi hanno la stessa origine embrionale che cooperano per adempiere ad una stessa funzione, gli apparati invece sono insiemi di organi che hanno origine embrionale diversa ma cooperano per svolgere la stessa funzione. Il sistema nervoso regola e controlla l’attività degli altri sistemi e apparati, riceve informazioni dall’ambiente esterno, successivamente le rielabora e le integra e produce delle risposte che si traducono per es. in un’azione motoria. Esseri viventi Gli organismi discendono tutti da un antenato comune, comparso circa 4 miliardi di anni fa di nome LUCA (last universal common ancestor) che è una proto-cellula. Da LUCA derivano diversi gruppi di esseri viventi che si suddividono in 3 grandi domini: - Batteri (o bacteria) - Archeobatteri (archea), vivono vicino a profondità marine in condizioni estreme (scarsità di ossigeno etc) - Eucarioti (eucaria), regno piante, funghi e animali Questo albero filogenetico è stato ricostruito sulla base della distanza genetica tra vari organismi viventi. = batteri – archeobatteri = procarioti privi di nucleo e anche degli organelli Le caratteristiche dei viventi Sia gli esseri viventi che quelli non viventi sono costituiti da molecole che sono insiemi di atomi; quindi, per definire un essere vivente è necessario che sia riscontrata una compresenza di determinate caratteristiche: Un organismo è costituito da molecole fatte di atomi. I viventi sono definiti dalla compresenza di diverse caratteristiche come: - componenti comuni come: carboidrati, lipidi, acidi nucleici e proteine - costituiti da cellule delimitate da membrane plasmatiche lipidiche - trasformano molecole ambientali in nuove molecole biologiche - estraggono energia dall’ambiente e la utilizzano per svolgere processi biologici - contengono informazione genetica che utilizza un codice universale per specificare le proteine (tutto viene scritto in un codice che è il nostro codice genetico) - condividono similarità tra una serie di geni fondamentali (il che ha permesso di giungere a LUCA) e replicano la propria info genetica quando si riproducono 1 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected])  - formano delle popolazioni che evolvono nel tempo attraverso cambiamenti di frequenze geniche – il cambiamento che vediamo è il risultato di cambiamenti che avvengono a livello genetico: se il cambiamento garantisce vantaggi alla specie viene trasmesso alla prole. - autoregolano il proprio meccanismo interno, mantenendo condizioni che permettono loro di sopravvivere (omeostasi – equilibrio) Terra La terra si stima si sia formata circa 4 miliardi e mezzo di anni fa: inizialmente era un ambiente inospitale alla vita per diverse ragioni: - atmosfera priva di ossigeno - vapore acqueo e idrogeno - ammoniaca - alte temperature - forti radiazioni Da quando è nata ci sono voluti circa 600 milioni di anni prima che apparisse qualche forma di vita estremamente semplice: le proto-cellule che hanno una membrana ma non presentano strutture complesse al loro interno. I primi fossili risalgono a circa 3,5 miliardi di anni fa e sono chiamati stromatoliti – depositi di sedimento stratificati, e hanno portato gli studiosi ad ipotizzare che ci fossero già i primi batteri in azione (questo perché si formano dove ci sono dei batteri che li imprigionano nelle mucillagini). Con la fotosintesi clorofilliana (c.ca 2 mlrd di anni fa) si ha l’immissione di ossigeno nell’atmosfera, che cambia la stessa e anche la condizione di vita degli organismi. Per due miliardi di anni sulla terra abbiamo avuto solo procarioti, dopodiché circa 1mlrd e mezzo di anni fa nascono i primi eucarioti dalla fusione di più procarioti (batteri) tra loro. Circa ottocento milioni di anni fa compaiono i primi organismi pluricellulari, agglomerati di cellule diverse che assolvono funzioni diverse e infine, circa 500 milioni di anni fa nacque l’homo sapiens. Com’è comparsa la vita? Le molecole biologiche complesse sono probabilmente derivate da casuali associazioni fisiche di componenti chimiche presenti nella miscela primordiale di gas presenti sulla terra (a sostegno di questa ipotesi vi sono stati anche degli esperimenti (come quello negli anni 50 di Miller – Urey) di simulazione delle condizioni nella Terra primordiale – no ossigeno, ma gas con atomi che costituiscono i viventi: C, H, P, N) Uno dei passaggi più importanti è la comparsa, tra le tante molecole, degli acidi nucleici ossia molecole in grado di riprodursi e fare da stampo per la sintesi delle proteine; ma anche la comparsa delle prime membrane biologiche, fondamentali per delimitare le altre molecole quindi uno spazio dove possono verificarsi delle reazioni. Le membrane erano formate da acidi grassi, non solubili che appunto si aggregano in strutture membranose.  Incomincia a crearsi una struttura complessa in cui abbiamo una membrana esterna composta da acidi grassi al cui interno si crea una struttura protetta che probabilmente inglobava alcune molecole biologiche (tra cui anche acidi nucleici). Per due miliardi di anni la vita fu rappresentata da singole cellule dette procarioti: BATTERI e ARCHEOBATTERI. Si ipotizza che ad un certo punto questi due abbiano cominciato ad interagire a tal punto da fondersi, formando un terzo filone di organizzazione della vita: gli EUCARIOTI (organismi specializzati delimitati da membrane interne e dotati di nucleo, contenente il materiale genetico). Analizzando il genoma degli archeobatteri si giunse ad osservare che era molto più simile a quello degli eucarioti, mentre quello dei batteri ai nostri mitocondri. Mitocondri, cloroplasti =organelli assunti per endosimbiosi. Ad un certo punto nelle cellule eucariotiche si vengono a creare delle strutture più complesse perché queste non si sarebbero separate dopo la divisione, iniziando a vivere come colonie e specializzandosi per determinate funzioni, sino ad arrivare agli organismi multicellulari. 2 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected]) Fotosintesi ossigenica Circa due miliardi e mezzo di anni fa inizia la fotosintesi clorofilliana che cambia la natura della terra.  uso dell’energia del Sole per produrre molecole ricche di energia (es. zuccheri) a partire da molecole più semplici presenti nell’ambiente esterno: diossido di carbonio e acqua. Perché compare? I primi organismi vivevano in un ambiente privo di ossigeno ed erano considerati consumatori, perché ricavavano energia dai composti organici presenti nell’ambiente scindendo i legami e nutrendosi di energia di legame – per necessità nacquero gli organismi autotrofi (in grado di produrre materia organica e quindi alimenti). Per fare ciò, si può ricorrere alla fotosintesi clorofilliana perché con questo tipo di processo, dal composto CO2 e H2O gli organismi autotrofi ottenevano molecole di glucosio e liberavano nell’aria l’ossigeno, come prodotto di scarto. Quest’ossigeno si andò ad accumulare determinando un profondo cambiamento attraverso anche la creazione di uno strato di ozono, che contribuisce a ridurre l’impatto dei raggi ultravioletti (perché assorbe le radiazioni UV dannose) Le prime cellule fotosintetiche erano probabilmente simili ai cianobatteri (procarioti, fotoautotrofi) – l’atmosfera della Terra primordiale non aveva O2, ma iniziò ad aumentare con l’aumento dei procarioti fotosintetici ➔ L’abbondanza di ossigeno aprì nuove strade evolutive poiché il metabolismo aerobico è più efficiente del metabolismo anaerobico e permette agli organismi di aumentare le dimensioni. Per sopravvivere all’ossigeno gli archeobatteri rimasero a vivere in ambienti poveri o privi di ossigeno (come le profondità dei mari), mentre altri si adattarono iniziando ad assorbire ossigeno in piccole quantità per produrre energia. ➔ I primi batteri aerobi (simili ai nostri mitocondri) vennero poi inglobati da alcuni archeobatteri che non erano in grado di assorbire l’ossigeno. Tra la comparsa dell’ossigeno e degli organismi eucarioti (che presentavano un nucleo) passano circa 2 mlrd di anni. La prima forma di fotosintesi che compare si suppone fosse un tipo di fotosintesi anossigenica (usa H2S e libera S), successivamente alcuni organismi procarioti iniziarono a fare fotosintesi ossigenica (chiamata così perché libera nell’ambiente ossigeno, avendo così una molecola di glucosio + molecola di ossigeno come prodotto di scarto). ➔ Accumulo ossigeno PRO: strato ozono che riduce le radiazioni ultraviolette e permette alle prime forme di vita di spostarsi dall’acqua alla terra (→ la presenza di ossigeno non è favorevole a tutti gli organismi tale che molti muoiono, altri si rifugiano in ambienti privi di ossigeno) L’INFORMAZIONE BIOLOGICA - Genoma: la somma totale di tutto il DNA (acido desossiribonucleico) di una cellula - DNA: polimero, ovvero molecola complessa che consiste di subunità ripetute dette nucleotidi. E’ una lunga molecola a doppia elica i cui filamenti sono dati da un’alternanza di zucchero – fosfato, uniti tra loro dalle basi azotate (C, G, T, A) - Gene: tratto di DNA con l’informazione per trascrivere un RNA (→ molecola a singolo filamento che costituisce una copia del DNA e porta una serie di info) - Gene strutturale: tratto di DNA che contiene l’informazione per avere una proteina - Dna spazzatura o geni spazzatura: oggi detto DNA spaziatore, non codifica proteine ma ci sono dei tratti che portano altro tipo di informazioni (quindi trascrivono l’RNA ma non per le proteine) Tutte le cellule di un organismo pluricellulare possiedono lo stesso tipo di DNA, tuttavia, cellule diverse hanno diverse funzioni e strutture (252 tipi nel nostro corpo) Questo succedere per un processo chiamato differenziamento cellulare che porta le cellule a diversificarsi dalle primissime fasi della divisione cellulare in funzioni specifiche (cellule diverse esprimono tratti diversi del DNA). Il differenziamento si verifica a partire già dalla fase embrionale. 3 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected]) Tutti gli organismi si sviluppano a partire da un’unica cellula che è lo zigote (fusione tra cellula uovo e spermatozoo), non specializzata definita staminale = capace di differenziarsi specializzandosi in uno dei molti tipi di cellule diverse presenti nel nostro corpo. Quello che la contraddistingue dalle altre è la sua capacità di auto rinnovarsi (nel suo duplicarsi genera una cellula uguale a sé stessa e una che andrà a specializzarsi). ➔ classificazione delle cellule in base al potenziale di differenziamento - Totipotenti: capacità di una cellula di originare tutti i possibili tessuti di un organismo, si mantiene per poco – dopo 8 cellule - Pluripotenti: stadio successivo – cellule in grado di specializzarsi in tutti i tipi di cellule derivati da uno dei tre stati germinali: endoderma (rivestimento organi interni), mesoderma (muscoli, ossa, sangue e tratto urogenitale), ectoderma (epidermide e tessuto nervoso) - Multipotenti: cellule staminali adulte e tessuto-specifiche. Si differenziano solamente nei tipi cellulari del tessuto di cui fanno parte. es. cellule ematopoietiche (che genera eritrociti, piastrine, leucociti) - Oligopotenti: capacità di differenziarsi solo in alcuni tipi di cellule - Unipotente: staminale che genera un solo tipo di cellula, come quelle che si trovano nello strato profondo dell’epidermide. Le cellule differenziate muoiono e vengono sostituite con altre cellule prodotte dalle cellule staminali di provenienza. Durante la divisione cellulare, il genoma deve essere replicato (processo controllato da proteine ma non sempre perfetto, possono infatti avvenire delle mutazioni più o meno gravi). La duplicazione è un processo semi conservativo (il dna si apre, ogni cellula figlia avrà un filamento originario e uno riprodotto). EVOLUZIONE Specie: insieme di individui che sono interfecondi tra loro (hanno gameti compatibili) che generano prole fertile: ad esempio Mulo: nasce da una femmina di cavallo e un maschio di asino, è sterile. Bardotto: ibrido sterile generato dall’incrocio di uno stallone con una femmina di asino – più individui della stessa specie che interagiscono vanno a costituire una popolazione. L’evoluzione agisce sulle popolazioni, che non sono mai uguali a sé stesse perché si evolvono con il cambiamento genico che avviene nella popolazione nel tempo – quando si parla di evoluzione il primo teorico fu Lamarck che sviluppò una teoria ben formulata di evoluzione che si basava sull’individuo e si fondava su due leggi: 1. Legge dell’uso e disuso: tanto più viene usato un arto tanto più si svilupperà, meno lo uso più è probabile che scomparirà 2. Ereditarietà dei caratteri acquisiti: un organismo trasforma le sue caratteristiche per adattarsi all’ambiente e questo nuovo tratto verrà ereditato dalla prole. (es. giraffe) Darwin e la selezione naturale: Darwin rimase affascinato dalle teorie di un economista inglese (Thomas Maltus) che aveva fatto uno studio sulla crescita della popolazione umana, sostenendo che il suo problema fosse che continuiamo a crescere ma che le risorse naturali rimangono limitate, motivo per cui la specie umana si regola attraverso meccanismi interni (malattie, guerre etc). Darwin si rende conto che tutti gli organismi hanno un potenziale riproduttivo altissimo (ognuno di noi produce moltissimi gameti), tuttavia le popolazioni naturali si mantengono all’incirca sempre costanti (conservate) e le risorse naturali sono limitate. Per qualche motivo, dunque, le specie che potrebbero riprodursi all’infinito non lo fanno, sono dello stesso numero a causa delle risorse limitate, il che lascia ipotizzare la presenza di una sorta di competizione che fa sì che alcuni individui sopravvivono e altri no (prima inferenza). Successivamente, compie due ulteriori osservazioni: 1. C’è sempre una certa variabilità tra organismi 2. I figli assomigliano ai genitori, quindi le variazioni sono ereditabili 4 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected]) Teorizza poi che questa variabilità conferisce ad alcuni individui dei vantaggi che permettono loro di sopravvivere all’ambiente e di riprodursi → queste variazioni tendono ad accumularsi e portare a adattamenti (la mutazione non è immediata, l’accumulo di mutazioni genera l’origine di due specie diverse) L’adattamento è dato da caratteristiche strutturali, fisiologiche o comportamentali che aumentano le probabilità di un organismo di sopravvivere e riprodursi (da una mutazione completamente casuale abbiamo la capacità di un individuo di sopravvivere). Quindi: ➔ Per Lamarck gli organismi sono tutti uguali ➔ Per Darwin c’è variabilità fra gli organismi – l’evoluzione avviene a livello di popolazione e implica cambiamenti nelle generazioni delle caratteristiche che prevalgono nella popolazione. Speciazione: Quando le popolazioni diventano isolate ed evolvono differenze, esse possono arrivare ad essere considerate specie diverse → es. originano tutte dalla stessa specie ma poi l’ambiente diverso porta all’evoluzione in specie diverse (avanzano tratti differenti) CLASSIFICAZIONE DELLE SPECIE Il sistema è stato sviluppato nel corso del 18 sec da Linneo, che riuscì a classificare una miriade di specie animali e vegetali sviluppando un sistema binario: ogni essere vivente poteva essere inserito in una gerarchia di unità tassonomiche: Ogni specie ha un nome scientifico binomiale: - Nome generico (genere) - Nome specifico Es. Homo sapiens Le specie che condividono una storia evolutiva recente sono generalmente più simili tra loro per una serie di caratteristiche rispetto a specie che condividono progenitori più distanti. Sono uniti a un livello più alto della classificazione. Un albero filogenetico illustra le storie evolutive di diversi gruppi di organismi. Le omologie sono utilizzate per creare gli alberi filogenetici e sono strutture o tratti presenti in specie diverse che hanno la stessa origine, derivate da un progenitore comune (es. arto anteriore dei vertebrati: il fatto che i vertebrati posseggano tutti le stesse ossa fa ipotizzare che le diverse specie abbiano ereditato questo tratto da un antenato comune). Un altro concetto è quello di omoplasia ossia la presenza di strutture che hanno origine diverse (non originate da un progenitore comune) ma svolgono la stessa funzione (es. ali di un insetto e quelle di un vertebrato). ➔ Negli alberi filogenetici era necessario andare oltre la semplice morfologia delle specie analizzando anche le omologie (comportamentali e genetiche) e omoplasie Un gruppo di individui della stessa specie è una popolazione. Popolazioni di tutte le specie che vivono e interagiscono in un’area definita sono dette comunità (es. animali e piante di un prato), queste, con il loro ambiente abiotico costituiscono un ecosistema. Le interazioni delle specie tra loro e con l’ambiente sono il soggetto dell’ecologia. 5 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected]) Perché la biologia è importante? L’agricoltura moderna dipende dalla biologia: La conoscenza della biologia delle piante ha aumentato la produzione di cibo, permettendo al pianeta di supportare una popolazione umana più numerosa Nuovi ceppi di piante da raccolto sono stati sviluppati per resistere a parassiti o per tollerare la siccità (OGM) Sistemi modello: utilizzo di un organismo modello per comprendere gli altri organismi. Grazie alle ricostruzioni degli alberi filogenetici si sono individuate delle specie con dei geni simili a quelli umani così da poter fare degli studi su queste specie con geni in comune per andare avanti con la ricerca (derivando le forme di vita da un progenitore comune, condividono un codice genetico e consistono di mattoni simili - le cellule). La biologia è fondamentale per comprendere gli ecosistemi: le attività umane hanno impatto con cambiamenti a tassi mai raggiunti prima sui sistemi terrestri. L’aumento della CO2 atmosferica è responsabile del riscaldamento del clima, contribuendo all’estinzione di specie e alla diffusione di malattie. La biologia è alla base della pratica medica: la ricerca biologica spiega come gli organismi funzionino e come essi sviluppino problemi e patologie Dagli studi abbiamo compreso che alcune malattie derivano da variazioni genetiche La biologia può informare la politica pubblica: La nostra nuova capacità di decifrare e modificare i genomi solleva questioni etiche e politiche. I biologi sono chiamati a informare le agenzie governative su numerose questioni, come ad esempio la pesca eccessiva del tonno pinna-blu (tonno rosso) (area tutelata-popolazioni tonno rosso) ATOMI E MOLECOLE La materia è composta di atomi. Ogni atomo è costituito da un nucleo (piccolo e denso, dove si trovano protoni e neutroni – carico positivamente). Attorno al nucleo ruotano gli elettroni (n. protoni e elettroni si equivalgono quindi l’atomo di per sé è neutro). ➔ Per quanto siano piccoli gli atomi hanno una massa che si misura in UMA o Dalton (unità di massa atomica che corrisponde a 1.7x10-24 grammi). Un elemento è una sostanza pura costituita da atomi dello stesso tipo, quando si parla di sostanza in chimica si intende un sistema omogeneo che ha una composizione definita. Gli elementi vengono definiti dal numero di protoni. Ogni elemento ha un n definito di protoni e rimane invariato, e se aggiungiamo o togliamo protoni otteniamo un altro elemento – ogni elemento ha un n di protoni definito che si chiama numero atomico e viene segnalato con la lettera Z. ➔ Il numero di protoni ed elettroni dell’atomo ne determina le sue proprietà chimiche e fisiche: la capacità di stabilire legami chimici con altri atomi Gli elementi sono stati ordinati in una tavola periodica, in base al numero crescente di protoni (quindi in base al numero atomico): si hanno - 96 elementi naturali - 26 elementi sintetici H, C, N, O, P, S = elementi che costituiscono la maggior parte degli esseri viventi. Tutti gli elementi, eccetto l’idrogeno hanno da uno a più protoni nel nucleo. Dal momento che ciascun elemento ha protoni e neutroni, è stato definito un altro carattere chiamato numero di massa (A, massa dell’atomo espressa in Dalton) che è dato dalla somma di protoni e neutroni. Isotopi = forme dello stesso elemento che hanno uguale n di protoni ma diverso numero di neutroni. → hanno uguale n. atomico (Z) ma diverso n. di massa (A) 6 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected]) Gli elementi presenti in natura hanno diversi isotopi (x es. il carbonio o idrogeno). ➔ Peso atomico = media dei numeri di massa degli isotopi nelle loro proporzioni in natura (peso atomico detto anche massa atomica relativa). Alcuni isotopi sono instabili, nel senso che i loro nuclei non sono stabili energeticamente parlando e si trasformano liberando dell’energia a livello del nucleo (cambiando numero di protoni). ➔ Alcuni isotopi, quindi, possono decadere in altri elementi rilasciando grandi quantità di energia. I radioisotopi sono isotopi instabili che possono rilasciare energia sottoforma di diverse radiazioni: - Alfa (nuclei di elio) - Beta (elettroni) - Gamma (fotoni) Questo decadimento radioattivo trasforma l’atomo, talora con cambiamenti nel numero di protoni (l’atomo iniziale diventa un altro elemento). Le radiazioni possono essere utilizzate per individuare la presenza dei radioisotopi, motivo per cui questi possono essere incorporati in molecole e possono essere utilizzati nella medicina nucleare e agire come marcatori. ➔ I radioisotopi possono essere quindi utilizzati nella ricerca (datazione di fossili) e nella medicina (immagini, trattare cancro), ma possono anche danneggiare cellule e tessuti (danneggiare dna). Il numero di elettroni determina come gli atomi interagiranno (comportamento chimico) – le reazioni chimiche coinvolgono cambiamenti nella distribuzione degli elettroni tra atomi. Gli elettroni ruotano intorno al nucleo e a seconda dell’energia di cui dispongono si distribuiscono su diversi livelli energetici, che sono in totale 7 → quelli che si trovano al livello più esterno sono quelli che possiedono più energia. All’interno di ciascun livello energetico ci sono dei sottolivelli energetici che si chiamano orbitali, ossia una regione dello spazio tridimensionale in cui si ha una maggior probabilità (> 90%) di trovare un elettrone che si sta muovendo. Gli orbitali hanno forme e orientamenti caratteristici (4 diverse tipologie) e sono occupabili da max due elettroni – elementi con numero atomico > 2, hanno elettroni distribuiti su più orbitali. - Orbitale S ha forma sferica, all’interno del quale ruotano gli elettroni e la sua dimensione cresce a seconda del livello energetico (può contenere fino a 2 elettroni) - Orbitale P a partire dal secondo livello, ogni livello presenta 3 orbitali p diversi (con orientamento spaziale diverso, che possono contenere fino a un max di 6 elettroni (2 per ogni orbitale). - Orbitale D sono presenti nel 3, 4 ,5, 6 livello e sono in tutto 5 e possono contenere complessivamente un max di 10 elettroni (2 per ogni orientamento) - Orbitale F presenti ne 4 e 5 livello, sono 7 e ospitano max 14 elettroni Gli orbitali vengono riempiti in una specifica sequenza: - Primo livello: un orbitale s (con 2 elettroni) - Secondo livello: un orbitale s (con due elettroni) e tre orbitali p (con 6 elettroni) = 8 elettroni - Etc (gli altri livelli riempiti da elementi con più di 10 elettroni) Gli elettroni non iniziano ad occupare un dato sottolivello se prima non sono stati riempiti i sottolivelli a più bassa energia → completato il livello 1 si passa al livello 2 e sottolivello s, completato sottolivello s si passa al p etc. Negli atomi con >18e l’aumento del numero dei sottolivelli porta alla sovrapposizione dei livelli che possiedono valori di n diversi (procedono a zig-zag) Perché un orbitale contiene al max 2 elettroni? Gli elettroni hanno carica negativa, e pertanto due elettroni dovrebbero respingersi → questo non avviene perché hanno spin* opposto. *Spin: senso di rotazione dell’elettrone sul proprio asse, in senso orario o antiorario. Con due sensi di rotazione (spin orario e antiorario), solo due elettroni possono occupare lo stesso orbitale senza respingersi. 7 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected]) Il livello energetico più esterno (strato di valenza) determina il comportamento chimico dell’atomo (come interagisce con altri atomi) – gli elettroni nel livello energetico più esterno dell’atomo sono detti elettroni di valenza e sono al max 8. Se il livello più esterno è completo, l’atomo è stabile; non reagirà con altri atomi (es. gas nobili: neon, argon), se invece questo non è completo, si dicono atomi reattivi (hanno elettroni spaiati nel loro strato di valenza). ➔ Regola dell’ottetto = tendenza degli atomi a formare molecole stabili, ospitando 8 elettroni nel loro livello più esterno. Gli atomi reattivi possono condividere elettroni, perderli o guadagnarli, diventando atomi legati assieme a formare molecole – questo lo fanno per completare il loro strato di valenza e diventare stabili. LEGAMI CHIMICI Esistono delle forme attrattive (legami chimici) che portano gli atomi a legarsi tra loro e formare una molecola (che può essere costituita da atomi uguali o diversi tra loro ma almeno 2 atomi). Diversi tipi di legami: LEGAME COVALENTE Si forma quando 2 atomi condividono una o più paia di elettroni così da completare i gusci più esterni. Da un legame tra più atomi si forma un composto, ossia una molecola costituita da due o più elementi diversi legati insieme in un rapporto fisso. Il peso molecolare di un composto è la soma dei pesi atomici di tutti gli atomi della molecola. Es. come si forma una molecola di gas metano CH4? L’atomo di carbonio ha 6 elettroni: - 2 nel livello 1 - 4 nel livello 2 (può avere 8 elettroni) Può pertanto condividere 4 elettroni con altri atomi e fare 4 legami covalenti (nel caso del CH4 condivide i 4 elettroni presenti nell’ultimo livello con l’elettrone dei 4 idrogeni formando così 4 legami covalenti che permettono di completare lo strato di valenza). I legami covalenti sono molto forti e occorre molta energia per spezzarli – alle temperature alle quali esiste la vita, i legami covalenti delle molecole biologiche sono molto stabili (sebbene si possano verificare dei cambiamenti). I legami covalenti possono essere - Singoli: 1 coppia di elettroni condividi - Doppi: 2 coppie di elettroni condividi - Tripli: 3 coppie di elettroni condivisi Orientamento dei legami: la lunghezza, l’angolo e la direzione dei legami tra due elementi qualsiasi sono sempre i medesimi, tuttavia, la forma delle molecole può cambiare perché gli atomi possono ruotare attorno ad un legame covalente (eccetto in un doppio legame). Legame covalente polare e apolare La condivisione di elettroni in un legame covalente non è sempre uguale e questa dipende dall’elettronegatività*. *Elettronegatività: la forza attrattiva che un atomo esercita sugli elettroni in un legame. L’elettronegatività dipende dal numero di protoni (+ protoni, + elettronegatività) e dalla distanza tra nucleo ed elettroni (+ gli elettroni sono vicini al nucleo, maggiore è la forza elettronegativa). In un legame covalente apolare gli elettroni sono equamente condivisi (gli atomi hanno elettronegatività simile) In un legame covalente polare gli elettroni vengono attirati verso il nucleo di un atomo, più che verso un altro, data la maggiore elettronegatività di quell’atomo. Es. nei legami molecolari dell’acqua, gli elettroni non vengono condivisi nello stesso grado, perché vengono attirati più dal nucleo dell’atomo di ossigeno che non dai nuclei degli atomi di idrogeno. A causa di una condivisione diseguale, una molecola con legame polare ha una leggera carica negativa (d- ad un’estremità ed una leggera carica positiva (d+) ad un’altra estremità. - Le cariche parziali determinano molecole polari o regioni polari di grandi molecole. 8 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected])  LEGAME IONICO: Quando un atomo è molto più elettronegativo di un altro (differenza ≥1,7) può avvenire un completo trasferimento di elettroni → si ottengono così due ioni con livelli esterni completi. Elettronegatività: tendenza ad attrarre elettroni Ioni: particelle cariche elettricamente, formate quando atomi perdono o acquistano elettroni - Cationi: carichi positivamente perché hanno perso elettroni - Anioni: carichi negativamente perché hanno acquistato elettroni Ioni complessi: gruppi di atomi legati covalentemente, dotati di carica. Es. NH4+ (ione ammonio) L’atomo di azoto (N) ha 7 elettroni → 3 elettroni liberi condivisi con 3 atomi H. I 3 atomi di idrogeno condividono ciascuno il proprio elettrone di valenza con i 3 elettroni di valenza di un atomo di azoto (=formando 3 legami covalenti). L’atomo di azoto condivide i suoi 2 elettroni di valenza rimasti con uno ione H+ Laddove abbiamo molecole che hanno carica opposta, si verificano delle attrazioni ioniche ossia legami che derivano dall’attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta (positivi e negative) I sali sono composti solidi di ioni con legami ionici (es. NaCl) – in forma solida, gli ioni sono vicini tra loro e le attrazioni ioniche sono forti. In acqua, gli ioni sono distanziati e l’attrazione è molto più debole. Gli ioni possono interagire con molecole polari (ad es. l’acqua – che è un forte solvente e che contribuisce a rompere i legami ionici separando gli ioni positivi da quelli negativi, sciogliendo lo stato solido del sale). LEGAME A IDROGENO: Si verifica tra l’estremità positiva (d+) di un idrogeno e quella negativa (d-) di un’altra molecola. Quando si parla di legami idrogeno, il classico esempio è quello che si forma tra molecole d’acqua ed è quello che conferisce all’acqua stessa di avere una solidità e liquidità particolare → i legami ad idrogeno sono anche molto importanti nella struttura di DNA e proteine. Le molecole polari che formano legami a idrogeno con l’acqua sono idrofiliche; molecole non polari, come gli idrocarburi che interagiscono tra loro (interazioni idrofobiche) ma non con l’acqua, sono idrofobiche. Forze di Van Der Waals Attrazione tra elettroni di molecole non polari (ma anche polari) vicine tra loro. Le singole attrazioni sono brevi e deboli, dovute a variazioni casuali nella distribuzione degli elettroni nelle molecole (attrazione debole temporanea tra d- e d+) – le attrazioni possono sostanzialmente essere sommate in una grande molecola. LE REAZIONI CHIMICHE Il legame covalente è il legame più forte, e le reazioni chimiche avvengono quando gli atomi collidono tra di loro con un’energia tale da combinarsi o cambiare i loro partner di legame; le reazioni producono prodotti che spesso e volentieri hanno proprietà chimiche completamente diverse. ➔ Reazione di ossidoriduzione (o redox) = passaggio di elettroni tra atomi – si parla di ossidoriduzione perché laddove si perdono elettroni qualcun altro li acquista. - Ossidazione = perde elettroni - Riduzione = acquista elettroni Reazione di combustione nella fiamma di un fornello a propano Elettroni e protoni sono trasferiti dal propano (=agente riducente, perché cede elettroni, e pertanto si ossida e fa avvenire la riduzione) all’ossigeno (agente ossidante perché acquista gli elettroni del propano e si riduce e fa avvenire l’ossidazione) per formare acqua. 9 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected]) In tutte le reazioni chimiche, materia ed energia non sono né create né distrutte. Alcune reazioni chimiche rilasciano energia (esoergoniche) altre la richiedono (endoergoniche) – queste reazioni sono spesso collegate. L’ACQUA L’acqua ha una struttura unica e speciali proprietà fisico-chimiche: - Molecola polare (è un dipolo – possiede legami covalenti polari) - Forma legami ad idrogeno Il corpo umano è costituito per più del 70% da acqua. La maggior parte delle reazioni biochimiche avvengono in acqua. Proprietà dell’acqua: - Capacità di espansione (in seguito al congelamento) - Elevata capacità termica - Coesione, adesione e capillarità - Alta capacità di solvatazione Le molecole d’acqua sono legate tra loro da legami ad idrogeno e sono quelli grazie ai quali l’acqua ha particolari proprietà a seconda dello stato in cui si trova. Allo stato liquido le molecole sono dotate di energia cinetica e continuano a muoversi, facendo sì che questi legami si rompano e si riformino continuamente – alto movimento molecolare. Se aumentiamo la temperatura a cui esponiamo l’acqua, il movimento molecolare aumenta sino a rompere i legami ad idrogeno e pertanto si passa allo stato gassoso (a 100°C non si formano più legami perché le molecole si allontanano definitivamente le une dalle altre) Abbassando la temperatura invece l’energia cinetica man mano diminuisce, fino ad immobilizzarsi, e formando legami ad idrogeno stabili = stato solido. Ogni molecola di acqua è in grado di formare un legame ad idrogeno con altre molecole di acqua per un totale di 4 in una rigida struttura cristallina → nello stato solido le molecole di acqua sono equidistanti tra loro, e formano un reticolo cristallino, motivo per cui il ghiaccio è meno denso rispetto all’acqua liquida (questa è molto più densa perché la distanza tra le molecole è più piccola). Elevata capacità termica: serve molta energia per cambiare lo stato fisico dell’acqua – la capacità termica dell’acqua è la quantità di calore che deve essere somministrato all’acqua per farne aumentare la temperatura di 1 grado. L’alta capacità termica dell’acqua aiuta a mitigare il clima e le temperature oceaniche. L’acqua ha anche un elevato calore di evaporazione, ossia è richiesta un’alta quantità di energia per cambiare l’acqua dallo stato liquido a quello gassoso. L’energia termica deve essere assorbita dall’ambiente in contatto con l’acqua e ciò induce raffreddamento. Coesione, adesione e capillarità: si parla di forze di coesione quando si parla di forze attrattive tra le molecole della stessa sostanza, mentre adesione quando si parla di forze attrattive tra molecole di sostanze diverse. La presenza di forze di coesione e adesione è importante in natura perché determinano la caratteristica della capillarità, ossia la risalita di un liquido all’interno di vasi con diametro ristretto. Il menisco è una conca superficiale di un liquido presente in qualsiasi contenitore: - Menisco concavo (es. acqua) - Menisco convesso (es. mercurio) La coesione tra molecole d’acqua induce la tensione superficiale per cui le molecole d’acqua in superficie sono legate con legami idrogeno ad altre molecole d’acqua sottostanti (vi è pertanto un omogeneo orientamento vs il basso dei legami ad idrogeno). Alta capacità di solvatazione: una soluzione è una sostanza (soluto) dissolta in un liquido (solvente). Molte importanti reazioni biochimiche avvengono in soluzione acquosa (in cui l’acqua è il solvente) – l’acqua si lega a sostanze provviste di carica (ioni e molecole polari) solubilizzandole. 10 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected])  BIOCHIMICA Mole: la quantità di una sostanza (in grammi) numericamente uguale al suo peso molecolare in Dalton. Il n di molecole in una mole è costante per tutte le sostanze: una mole contiene 6.02 x 10²³ molecole (= numero di Avogadro). Molarità: la concentrazione di una sostanza chimica in una soluzione. Definita come: numero di moli della sostanza in 1 L di soluzione. Una soluzione 1 molare (1M) è 1 mole di una sostanza disciolta in acqua per costituire 1 litro di soluzione. Es. una soluzione 0,1 M di glucosio in acqua contiene 0,1 moli (= 18, 0 g) di glucosio in un litro della soluzione acquosa  Nei tessuti viventi, le sostanze si presentano in concentrazioni micromolari (μM; milionesimi di mole per litro) o inferiori. ACIDI E BASI Definizione più generale di acido/base (slegata dal comportamento in soluzione acquosa) Acido: sostanza che acquista elettroni – elettrofila e ossidante Base: cede elettroni – nucleofila e riducente In acqua invece Quando gli acidi si sciolgono in acqua rilasciano ioni idrogeno H+ (protoni) – gli ioni H+ possono attaccarsi ad altre molecole e cambiare le loro proprietà. Le basi accettano ioni H+ e rilasciano ioni OH- Gli acidi possono essere anche forti – ionizzano completamente l’acqua (es. HCl → H+ e Cl-) = ionizzazione totale e irreversibile Acidi deboli: non tutte le molecole di acido si dissociano in ioni (es. acido acetico → solo una parte rilascia H+ nell’ambiente) = ionizzazione parziale e reversibile Allo stesso modo si comportano le base: base forte → es. Idrossido di Sodio (o soda caustica); base debole → ammoniaca (NH3). L’acqua ha una leggera tendenza a ionizzare, cioè, può capitare che una delle molecole di acqua strappi uno ione H+ ad un’altra molecola diventando uno ione idronio (H3O+) mentre la molecola privata di H+ viene chiamata ione idrossido (OH-). In 1 mole di acqua solo 1 / 10.000.000 molecole ionizza, quindi la concentrazione in una mole di acqua di [H+]=[OH-] equivale a 10-7 M. Per convenzione e praticità quando si parla di concentrazione molare degli ioni si parla di pH ossia il log della concentrazione molare degli ioni H+. ➔ pH = -log[H+] → log negativo della concentrazione molare di ioni H+ La concentrazione di H+ nell’acqua pura è 10-7 M, per cui il pH dell’acqua pura è un pH = 7, pH di riferimento definito quindi neutro. (→ pH = -log [10-7] = -[-7] = 7)  pH bassi = maggior concentrazione di H+ o maggior acidità (da 0 a 7)  pH alti = da 7 a 14 = basi È importante sapere il valore del pH perché questo influenza la velocità delle reazioni biologiche e può cambiare la struttura 3D delle molecole biologiche, con effetti sulla funzione. Se immaginiamo di avere una molecola con gruppo – COO- che interagisce con regioni polari dell’acqua (H2O) → se aggiungo H+, ottengo – COOH (no carica, idrofobo) = reagisce meno con l’acqua e cambia la struttura 3D. 11 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected]) Gli organismi utilizzano svariati meccanismi per minimizzare i cambiamenti di pH nelle loro cellule e nei tessuti e mantenere costanti le condizioni interne (=omeostasi): infatti, se i sono delle fluttuazioni nella loro concentrazione, vengono introdotte delle sostanze tampone per mantenere l’equilibrio.  I tamponi o Buffer (miscele di acido debole e base corrispondente o viceversa) aiutano a mantenere costate il pH. I componenti del sistema tampone fosfato sono gli ioni diidrogeno fosfato (che in caso di eccesso di OH- si comporta da acido debole, tende quindi a dissociarsi in parte e cede uno dei suoi idrogeni che passa allo ione idrossido, producendo acqua) e monoidrogeno fosfato (che in caso di eccesso di H+ si comporta da base debole, acquista lo ione e si riforma l’acido iniziale). Questo fa sì che il pH rimanga invariato. ➔ In assenza di un tampone, se metto una base in una soluzione acida il pH aumenta rapidamente, in presenza del tampone invece l’aggiunta di una base produce variazioni di pH relativamente piccole fino a quando non si supera l’ambito di efficacia del tampone. PROTEINE, CARBOIDRATI e LIPIDI Le molecole che costituiscono i viventi sono: - Proteine - Carboidrati - Lipidi - Acidi nucleici La maggior parte di queste molecole sono polimeri (x essere definiti tali devono avere dei legami covalenti che li tengono insieme), ossia macromolecole costruite da molecole più piccole, chiamate monomeri, unite tramite legami covalenti. Si parla di macromolecole quando hanno un peso molecolare sostanzioso (>1000Da) - Nel caso delle proteine, i monomeri sono gli amminoacidi (20 in tot) - Nel caso dei carboidrati, sono gli zuccheri monomeri (monosaccaridi) che unendosi vanno a formare i polisaccaridi. - Acidi nucleici → monomeri sono i nucleotidi (4 tipi) - Nei lipidi, forze non covalenti uniscono i monomeri, per cui non si parla propriamente di polimeri. Le funzioni e le differenze tra le biomolecole dipendono dalle proprietà dei gruppi funzionali che determinano il modo di funzionare della molecola di cui fanno parte perché hanno particolari proprietà chimiche specifiche che vanno ad influenzare la molecola in cui sono inseriti (es. possono rendere una molecola polare o apolare). - Gruppo ossidrilico: OH - “ aldeidico: CHO - “ chetonico: COR - “ carbossilico: COOH - “ amminico: NH2 - “ fosfato: PO4 - “ solfidrilico: SH Le macromolecole possono avere al loro interno più gruppi funzionali e a seconda di dove sono posizionati, possono avere comportamenti diversi. Isomeri: molecole con la stessa formula chimica, ma con atomi disposti in modo diverso: - Isomeri di struttura: gli atomi sono legati in maniera diversa ma hanno stessa formula molecolare (= formula molecolare, ≠ connettività) - Isomeri cis-trans (o geometrici): la formula è la stessa e gli atomi hanno gli stessi legami ma abbiamo un diverso orientamento della molecola. Quando c’è un doppio legame covalente gli atomi non possono ruotare (legame non rotazionale), se invece il legame è singolo si definisce legame rotazionale perché gli atomi possono ruotare. Gli isomeri si definiscono: 12 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected])  Cis se due atomi o gruppi di atomi sono dalla stessa parte Trans se i due atomi o gruppi di atomi sono da parti opposte - Isomeri ottici: si formano quando un atomo di carbonio è legato a 4 atomi o gruppi diversi (=carbonio asimmetrico) → si formano così due molecole speculari tra loro. Alcune molecole biochimiche che possono interagire con un dato isomero ottico non sono in grado di adattarsi all’altro isomero. Sono detti ottici perché hanno una diversa capacità di far ruotare la luce polarizzata e si dicono D (destrogiro, la luce ruota a dx) e L (levogiro, la luce ruota a sx). Tutte queste macromolecole sono presenti in proporzione pressoché simili in tutti gli organismi viventi e hanno funzioni simili. Possiamo assumere alcune di queste molecole attraverso la dieta, consumando organismi che le producono o che le hanno assorbite con l’alimentazione. Condensazione e idrolisi La formazione dei polimeri si ha in seguito a reazioni di condensazione (reversibili) in cui viene espulsa una molecola di acqua dall’unione tra gruppi OH e H dei reagenti → siccome viene rimossa acqua, tali reazioni vengono anche dette razioni di disidratazione. Mentre la rottura dei legami covalenti che formano i polimeri avviene seguendo il processo opposto alla condensazione che si chiama idrolisi – necessita energia per avvenire e si verifica con l’aggiunta di una molecola di acqua ai reagenti, che si scinde in ioni OH- e H+ che sono altamente reattivi e fanno in modo che il polimero si scinda in due monomeri. PROTEINE Le proteine hanno svariate funzioni (enzimi, strutturali, di difesa etc). Le unità di base sono i 20 aminoacidi e a seconda di come si combinano in catene polipeptidiche* (che possono essere ripiegate in specifiche forme 3D definite dalla sequenza di aminoacidi), formano proteine diverse. *catena polipeptidica: polimero lineare (non ramificato) di aminoacidi. Ogni amminoacido è costituito da un - gruppo carbossilico, - un gruppo amminico, - un atomo di idrogeno - una catena laterale R = tutto legato allo stesso atomo di carbonio (α) L’atomo di carbonio α è asimmetrico per cui esistono due tipi: - D – aminoacidi (hanno gruppo amminico a dx) - L – aminoacidi (presenti in tutti gli organismi – gruppo amminico a sx) Gli aminoacidi son molecole anfotere (si comportano da acido e da base – perché abbiamo un gruppo carbossilico che ha ceduto l’idrogeno al gruppo amminico; a pH neutro, il gruppo carbossilico e amminico sono dissociati). I gruppi R (o catena laterale) – determinano ruolo biologico di un aminoacido, hanno gruppi funzionali che determinano la struttura 3D e funzione della proteina; gli aminoacidi possono essere raggruppati in base alle catene laterali: - 5 aminoacidi hanno catene laterali dotate di carica elettrica (ionizzate) a livello di pH cellulare, quindi, si legano a molecole con carica opposta - 5 aminoacidi idrofilici con catene laterali polari, ma non cariche, formano legami ad idrogeno - 7 aminoacidi idrofobici (in ambiente acquoso, possono raggrupparsi all’interno della molecola) - 3 aminoacidi sono casi particolari: Cisteina: che nel gruppo R presenta un gruppo solfidrico (- SH) che può legarsi ad un’altra cisteina con la formazione di un ponte disolfuro con l’eliminazione dei 2 H. 13 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected])  Glicina: il gruppo R contiene solo un atomo H, si può posizionare x questo in varie parti della proteina perché occupa poco spazio Prolina: il gruppo R si lega direttamente al gruppo amminico, formando una struttura ad anello conferendo una certa rigidità all’aminoacido che obbligherà la proteina a piegarsi su sé stessa. Legami peptidici Gli aminoacidi sono legati covalentemente tra loro in una reazione di condensazione tramite legami peptidici (interazione fra gruppo amminico e carbossilico). Convenzionalmente, l’inizio della catena polipeptidica è il gruppo amminico del primo aminoacido, detto N- terminale; mentre la fine della catena (coda) è il gruppo carbossilico dell’ultimo aminoacido detto C- terminale. ➔ Il legame tra C e N è molto robusto e non rotazionale, limitando l’angolo con cui la catena polipeptidica può ripiegarsi. Una volta che si è formato il legame peptidico, si ha una distribuzione di cariche all’interno dell’aminoacido: l’ossigeno legato al C (CO) presenta una piccola carica negativa (δ-), mentre l’idrogeno legato all’azoto (NH) ha lieve carica positiva (δ+) → ciò favorisce legami ad idrogeno nella stessa molecola e tra molecole. Questo fa sì che per rompere i legami siano necessari proteasi (enzimi), che servono a ottenere dal cibo gli amminoacidi essenziali (9 aa che non riusciamo a sintetizzare e dobbiamo assumere col cibo); gli altri 11 aa non essenziali invece vengono sintetizzati. ➔ La sequenza degli amminoacidi, con i loro gruppi R determina la struttura e funzioni di una proteina. STRUTTURE DELLE PROTEINE La struttura primaria di una proteina è la sequenza di amminoacidi – mutazioni di questa sequenza potrebbe avere conseguenze pesanti come il fatto che può smettere di funzionare. Struttura secondaria: si creano dei ripiegamenti nella catena peptidica dovuti alla formazione di legami ad idrogeno – esistono due tipi di strutture secondarie: - α – elica: avvolgimento destrorso risultante da legami a idrogeno tra H (legato a N nel gruppo N–H; d+) di un amminoacido e l’O (legato al C del gruppo C=O ) di un altro. gruppi R sporgono all’esterno - foglietto β pieghettato: legami ad idrogeno tra tratti diversi della stessa catena polipeptidica; in questo caso i gruppi R sporgono in modo alterno sulle due facce del foglietto Una stessa proteina può avere sia organizzazione ad alfa elica che foglietto beta nella stessa catena. Struttura terziaria: ripiegamento risultante in una molecola con una specifica forma tridimensionale da cui deriva l’attività biologica della proteina – le superfici esterne presentano gruppi funzionali che possono interagire con altre molecole. Nella struttura terziaria i legami si vengono a creare tra i gruppi R e tra gruppi R e l’ambiente circostante. Per stabilizzare questa struttura, i legami coinvolti sono: - legami disolfuro covalenti tra cisteine - legami a idrogeno tra catene laterali (forze di van der waals) - aggregazione di catene laterali idrofobiche all’interno di una proteina e contribuiscono al ripiegamento 14 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected])  - attrazioni ioniche tra catene con carica positiva e negativa (es. arginina e acido glutammico). Le strutture terziarie possono essere rappresentate in diverso modo: a spazio pieno, a bastoncini, a nastro. Struttura quaternaria si ottiene dall’interazione di più catene polipeptidiche tramite: - interazioni idrofobiche - forze di van der waals - attrazioni ioniche - legami ad idrogeno es. emoglobina con 4 differenti subunità: due catene alfa e due beta → vi sono gruppi eme, molecole con presenza di ferro, che si legano all’ossigeno causando il cambiamento della configurazione della proteina. La denaturazione delle proteine può avvenire con l’aumento della temperatura (es. alla cottura del cibo) che permette ai legami che tengono insieme le strutture secondarie e terziarie di sciogliersi, lasciando la proteina alla sua struttura primaria. Nel caso in cui venga raffreddata, in alcuni casi, c’è la possibilità che la proteina riacquisti le proprie strutture secondarie e terziarie dimostrando che l’informazione per la costruzione della stessa si trova nella struttura primaria. Le proteine possono legarsi non covalentemente con specifiche molecole, la specificità è determinata da: - forma: deve esserci un generale adattamento tra le forme 3D della proteina e dell’altra molecola - chimica: a seconda dei gruppi R sulla superficie, questi possono interagire con altre molecole tramite legami ionici, idrofobici o a H Le condizioni ambientali a cui sono sottoposte le proteine possono alterare le strutture secondaria e terziaria che dipendono da legami deboli, per esempio attraverso: - alte temperature - cambiamenti di pH: modificano la ionizzazione dei gruppi amminici e carbossilici del gruppo R e le attrazioni e repulsioni ioniche - alta concentrazione di molecole polari (alterano i legami ad idrogeno) - sostanze non polari (alterano le interazioni idrofobiche) La forma della proteina può cambiare fisiologicamente come risultato di: - Interazioni con altre molecole: Gruppi R si legano a gruppi su un’altra molecola annullando le interazioni dentro il polipeptide. - Modifica covalente: con l’aggiunta di un gruppo chimico ad un aminoacido (es. con l’aggiunta di un gruppo fosfato carico a un gruppo R poco polare → da idrofobico a idrofilico e cambia di posizione). Chaperon molecolari Quando le proteine sono appena prodotte e ancora dispiegate o dopo una denaturazione, queste possono legarsi a delle molecole errate (i gruppi R possono legarsi con elementi sbagliati) – pertanto, esistono delle proteine chiamate chaperon (o chaperonine) che aiutano la proteina a ripiegarsi e raggiungere la forma tridimensionale il prima possibile. Es. proteine heat shock circondano una proteina denaturata e le permettono di ripiegarsi. CARBOIDRATI Molecole omogenee da un punto di vista chimico, perché la formula generale è: (C1H2O1)n. La loro struttura è fatta da atomi di C legati ad atomi di H e gruppi ossidrilici (-OH) che le rende idrofile (solubili in acqua) e un gruppo carbonilico (>C=O). Svolgono diverse funzioni: - Sono sorgenti di energia immagazzinata - Usati per trasportare energia immagazzinata - Scheletri carboniosi per molte altre molecole (base x strutture più complesse) - Formano agglomerati extracellulari come le pareti cellulari che danno struttura (funzione strutturale) 15 Document shared on https://www.docsity.com/it/docs/biologia-applicata-petrazzini-unipd-slidesappunti/12105558/ Downloaded by: Lorenzoredi ([email protected])