Biologia Applicata PDF
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Università degli Studi di Padova
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Questo documento fornisce una panoramica di base della biologia, coprendo argomenti come la definizione della biologia, l'origine della vita, la fotosintesi, l'evoluzione e la classificazione delle specie. Il testo è scritto in modo chiaro, adatto ad un corso di biologia al liceo.
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# Biologia applicata ## La Biologia ### Cos'è la biologia? È la scienza che studia la vita, si estende da una: - Scala microscopica (molecolare, cellulare) - Scala macroscopica (uomo, animali). Le molecole si vanno a unire per formare: 1. strutture complesse che vanno a costituire le cellule (base...
# Biologia applicata ## La Biologia ### Cos'è la biologia? È la scienza che studia la vita, si estende da una: - Scala microscopica (molecolare, cellulare) - Scala macroscopica (uomo, animali). Le molecole si vanno a unire per formare: 1. strutture complesse che vanno a costituire le cellule (base della vita) 2. più cellule costituiscono i tessuti 3. più tessuti formano gli organi 4. più organi formano sistemi e apparati. - I sistemi sono formati da organi con la stessa origine embrionale - Gli apparati sono insieme di organi con origine embrionale diversa Il sistema nervoso regola l'attività degli altri sistemi e apparati, riceve e rielabora informazioni dall'ambiente esterno e sulla base di queste elabora risposte. Dallo studio della biologia riusciamo a capire le funzioni del nostro organismo. Tutti gli organismi derivano da una protocellula comparsa 4 miliardi di anni fa (LUCA last universal common ancestor). Gli organismi si dividono in 3 domini: - Batteri - Archea - Eucarioti (batteri e archea sono i procarioti, quindi organismi unicellulari) Gli archea sono più simili agli eucarioti che ai procarioti. Gli esseri viventi sono definiti dalla copresenza di alcune caratteristiche: 1. Tutti presentano le macromolecole carboidrati, lipidi, acidi nucleici e proteine. 2. Sono costituiti da cellule delimitate da membrane plasmatiche lipidiche (costituita da fosfolipidi). 3. Trasformano molecole ambientali in molecole biologiche. 4. Estraggono energia dall'ambiente e la utilizzano per supportare il loro processi biologici. 5. Contengono un'informazione genetica che viene scritto in un codice universale 6. Sono costituiti da molti geni uguali per tutti gli esseri viventi che di conseguenza ci fa capire che derivano da un'unica origine. 7. Gli organismi formano popolazioni che evolvono nel tempo tramite cambiamenti di frequenze geniche. 8. Hanno un metabolismo che gli consente di ricavare energia mantenendo condizione che gli permettono di sopravvivere (omeostasi) ### Origine della vita La terra si è formata 4,5 miliardi di anni fa, dopo 600 milioni di anni o più la vita si forma. I primi fossili risalgono a 3,5 miliardi di anni fa chiamati **stromatoliti** formati da strati (gli stromatoliti si formano quando piccole particelle di sedimento vengono cementate insieme da comunità di microrganismi, soprattutto cianobatteri). - Con la fotosintesi abbiamo la formazione dell'ossigeno - 3,5 miliardi di anni fa nascono i primi **procarioti** - Circa 2,5 miliardi di anni fa compaiono i primi esseri viventi grazie all'ossigeno. - Dopo 1,5 miliardi di anni nascono gli **eucarioti** formatosi dalla fusione di batteri tra di loro. - 800 milioni di anni fa nascono i primi organismi pluricellulari. La terra era infatti un ambiente inospitale per le radiazioni e per i gas (metano, monossido di carbonio, idrogeno, ammoniaca). ### Passaggi importanti - Si formano a un certo punti gli acidi nucleici, molecole in grado di riprodursi che iniziano a fare da stampo per la sintesi delle proteine. - Nascono le prime membrane biologiche che delimitano le molecole biologiche, formate da acidi grassi che non sono solubili, creando un ambiente interno in cui possono avvenire le reazioni in un ambiente isolato. Per 2 miliardi di anni la vita sulla terra era rappresentata da batteri e archeobatteri che hanno cominciata a interagire fra di loro, alcuni batteri si sono inglobati in archeobatteri e hanno formato i primi organuli formando così i primi eucarioti. - Gli archeobatteri hanno una struttura simile a quella dei mitocondri, si pensa quindi che i mitocondri sono vecchi archeobatteri (**teoria endosimbiontica**). - Le cellule eucariotiche hanno iniziato poi a vivere all'interno di colonie e a specializzarsi in funzioni differenti come l'assunzione del cibo e il movimento della colonia, sino ad arrivare a organismi multicellulari. ### Fotosintesi ossigenica 2,5 miliardi di anni fa inizia la **fotosintesi clorofilliana** che porta alla formazione di ossigeno e glucosio (molecola ricca di energia) partendo da anidride carbonica e acqua. Quando sulla terra il cibo ha cominciato a scarseggiare nascono gli organismi **autotrofi** che producevano materia organica e quindi fonte energetica per altri organismi eterotrofi. La fotosintesi batterica già esisteva ma rilasciava zolfo nell'aria. - L'atmosfera primordiale non aveva ossigeno, ma iniziò ad aumentare con l'aumento dei procarioti fotosintetici, il suo accumulo nel tempo ha portato alla formazione dello strato di ozono (O3) che assorbe radiazione UV dannose e ha permesso agli organismi di uscire dall'acqua. Alcuni organismi hanno utilizzato l'ossigeno per la formazione di energia tramite il metabolismo aerobico che permette agli organismi di aumentare le dimensioni. ### Evoluzione del metabolismo 1. Metabolismo anaerobico (glicolisi). Questi organismi consumavano materia organica si incorreva quindi alla riduzione del cibo, per evitarlo la fotosintesi produce risorse nutritive → Eterotrofi 2. Fotosintesi anossigenica (usa H2S e libera S) → Fotoautotrofi 3. Fotosintesi ossigenica (usa H2O e libera O2) → Fotoautotrofi ### Pro e contro formazione di ossigeno - Pro: si viene a creare uno strato di ozono che rende possibile la vita sulla superficie terrestre (gli animali si spostano dall'ambiente marino a quello terrestre). - Contro: per alcune forme di vita l'ossigeno era tossico e quindi si sono estinte, i batteri che non utilizzavano l'ossigeno hanno trovato diverse soluzioni per sopravvivere all'ambiente. ### L'Informazione Biologica - Il Genoma è tutto il DNA (acido deossiribonucleico) contenuto in una cellula (tutte le cellule hanno lo stesso genoma) - Il DNA è un polimero costituito da tanti nucleotidi (unità), la struttura filamentare è formata da un alternanza di zucchero e fosfato, al centro dei filamenti traviamo le basi azotate (adenina, citosina, guanina, timina) - Il Gene è un tratto di DNA con l'informazione per trascrivere un RNA. - Il Gene strutturale è un tratto di DNA che contiene l'informazione per fare una proteina. Tutte le cellule di un organismo multicellulare hanno lo stesso genoma ma esistono diversi tipi di cellule in base alla loro funzione (252 tipi cellulari nel nostro corpo) le cellule si distinguono grazie al: - Differenziamento cellulare → processo di specializzazione funzionale e strutturale delle cellule. Porta alla formazione di tipi cellulari con funzioni specializzate, questo di verifica già in fase embrionale. - Cellula staminale → cellula non specializzata, capace di differenziarsi specializzandosi in uno dei molti tipi di cellule diverse presenti nel nostro corpo. Capacità di autorinnovarsi ### Classificazione in base al potenziale differenziamento Le cellule si vanno a formare dallo zigote, cellula non specializzata definita staminale, ovvero una cellula indifferenziata che ha la capacità di generare cellule con funzioni specifiche, ha la capacità di autorinnovarsi. Quando si divide genera: - Un'altra cellula staminale - Una cellula specializzata. Le cellule staminali si classificano in: 1. Totipotenti → la totipotenza è la capacità di una cellula di originare tutte le cellule di un organismo, perde questa capacità col susseguirsi della divisione cellulare, queste cellule diventano pluripotenti. 2. Pluripotenti → non in grado di formare un organismo per intero, sono in grado di generare tutte le cellule derivate da uno dei tre stati germinali: - endoderma (rivestimento degli organi interni) - mesoderma (muscoli, ossa, sangue e tratto urogenitale) - ectoderma (epidermide e tessuto nervoso) Danno origine a diversi tessuti nel corpo. Queste cellule non sono in grado di generare la placenta e tessuti extra embrionali. 3. Multipotenti anche dette "progenitrici", sono cellule staminali adulte e tessuto-specifiche che troviamo ad esempio nel midollo osseo: - cellule ematopoietiche (eritrociti, piastrine, leucociti) 4. Oligopotenti→ possono generare solo alcuni tipi di cellule. - cellule della linea linfoide e mieloide Generano cellule unipotenti, sempre staminali, che generano per tutta la vita solo un tipo di cellule, la cellula differenziata non produce più e vengono sostituite continuamente. La ricerca legata alle cellule staminali viene definita rigenerativa, in Italia non possono essere usate le cellule staminali oligopotenti che si trovano nel sangue cordonale, l'uso non è ancora sostenuto da evidenze scientifiche. Il genoma deve essere replicato quando le cellule si dividono, possono avvenire errori definite **mutazioni**. ### Evoluzione - Specie: insieme di organismi che sono interfecondi fra di loro, con gameti compatibili che generano prole fertile (es. Il mulo è sterile perchè nasce da una femmina di cavallo e un maschio di asino, il bardotto nasce da un maschio di cavallo e una femmina di asino). - Una popolazione è un gruppo di individui della stessa specie che interagiscono fra di loro. - Una comunità è un insieme di popolazioni di tutte le specie che vivono e interagiscono in un'area definita. - Un ecosistema è costituito dalle comunità con il loro ambiente abiotico. L'evoluzione agisce sulle popolazioni, è il cambiamento genico della popolazione nel tempo. ### Teoria dell'evoluzione di Lamarck Il primo a parlare di evoluzione fu Lamarck, zoologo francese, che ha sviluppato una prima teoria basata sull'evoluzione dell'individuo. - Legge dell'uso o del disuso → tanto più viene utilizzato un tratto tanto questa parte si svilupperà. - Legge dell'ereditarietà dei caratteri acquisiti → un organismo si trasforma per adattarsi all'ambiente in cui vive e poi trasmette alla prole questi cambiamenti (secondo Lamarck le giraffe erano animali dal collo corto che hanno allungato per mangiare le foglie degli alberi, questa caratteristica è stata poi trasmessa alla prole). ### Teoria dell'evoluzione di Darwin Per Darwin l'evoluzione non riguarda la vita del singolo individuo ma riguarda l'intera popolazione, prende ispirazione da Malthus che sosteneva che vi erano dei meccanismi che utilizzava la specie umana per diminuire di numero e far bastare le risorse. Le osservazioni su cui si basa sono: 1. Le popolazioni mantengono sempre più o meno lo stesso numero di individui. 2. Le risorse naturali sono limitate. 3. Ci deve essere una competizione fra le popolazioni naturali che permette ad alcune specie di sopravvivere e altre no. - Darwin osserva che c'è una variabilità fra le popolazioni e queste sono ereditabili, le variabilità conferiscono alle specie dei tratti che aumentano la loro probabilità di sopravvivere e e riprodursi. Per Lamarck si parla di individui tutti uguali mentre per Darwin vi era variabilità fra gli organismi. - La selezione naturale conduce ad adattamenti: caratteri strutturali, fisiologici e comportamentali che aumentano la probabilità di un organismo di sopravvivere e riprodursi (es. rane, falena betularia scura e punteggiata). Quando le popolazioni diventano isolate evolvono differenze che portano alla formazione di specie diverse (speciazione). ### Classificazione della specie Linneo è riuscito a classificare specie animali e vegetali usando un sistema di classificazione gerarchico. Ogni specie ha un nome scientifico bionomiale → Nome generico (Genere) Nome specifico (es: Homo sapiens) - Il sistema di classificazione è in continuo divenire, il più recente è il Cavalier-Smith che parte dal dominio (eucarioti e procarioti) e non dal regno. Più le specie hanno un antenato comune più sono simili e condividono caratteristiche simili. L'albero filogentico è un modo di raffigurazione delle discendenze delle specie. - Omologia: aspetti simili presenti in specie diverse che hanno la stessa origine, derivate da un progenitore comune (es. arto inferiore dei vertebrati) Le tecniche di genetica confrontano le specie andando a confrontare il loro DNA. - Omoplasia: struttura che hanno origine differenti, non originate da un progenitore comune, ma che ricoprono la stessa funzione (es. ali del pipistrello e delle farfalle). Le interazioni delle specie tra loro e con l'ambiente sono il soggetto dell'ecologia ### Perché la biologia è importante? - L'agricoltura dipende dalla biologia. - La conoscenza della biologia delle piante ha aumentato la produzione di cibo, permettendo al pianeta di supportare una popolazione umana più grande. - Nuovi ceppi di piante da raccolto sono stati sviluppati per resistere a parassiti o per tollerare la siccità. - Sistemi modello: utilizzo di un tipo di organismo modello per comprendere gli altri organismi, ciò è possibile in quanto le forme di vita sono collegate ad un progenitore comune (omologia), condividono un codice genetico e consistono di cellule simili. La biologia è cruciale 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. - Ora sappiamo 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 ad informare le agenzie governative su numerose questioni, come ad esempio la pesca eccessiva del tonno pinna-blu (tonno rosso). ### Atomi e molecole #### Struttura dell'atomo La materia è composta di atomi - Atomo significa indivisibile, inseparabile; anche se all'interno troviamo altre particelle. L'atomo è costituito da un nucleo che ha all'interno: - Protoni massa 1 e carica positiva. - Neutroni massa 1 e non ha carica. - Elettroni massa trascurabile e carica negativa. Protoni e elettroni normalmente sono uguali se l'atomo di per sè è neutro. Gli atomi hanno massa (misura della quantità di materia) che si misura tramite: - I'Unita di massa atomica (uma) - Dalton (Da). 1 Da (o unità di massa atomica) = massa di 1 protone o di 1 neutrone = 1.7 × 10^-24 grammi La massa di un elettrone è 9 × 10^-28 grammi (0.0005 Da) ma è solitamente ignorata. - Elemento → sostanza pura costituita da atomi dello stesso tipo (es. H, He ecc..). 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 (Il numero di protoni definisce che atomo abbiamo, il numero degli elettroni e la loro disposizione è fondamentale per capire come quell'atomo si comporterà). Gli elementi sono ordinati nella tavola periodica o (tavola di Mendeleev), sono ordinati secondo il numero crescente dei protoni. Ci sono: - 94 elementi naturali (di cui 2 sono stati trovati nelle stelle). - 26 sono sintetici. - Gli elementi che si trovano sulla stessa colonna hanno o stesso numero di elettroni nello strato di valenza e hanno proprietà chimiche simili - Gli elementi che si trovano sulla stessa riga hanno gli elettroni esterni sullo stesso strato di valenza. Solo 6 elementi rappresentano il 98% degli esseri viventi idrogeno, ossigeno, carbonio, fosforo, azoto, zolfo. - Radioisotopi→ usati nella medicina nucleare emanano dal nucleo energia sotto forma di radiazione alfa (nuclei di elio), beta (elettroni) e gamma (fotoni). Questo decadimento radioattivo trasforma l'atomo, talora con cambiamenti nel numero di protoni (l'atomo iniziale diventa un altro elemento). La radiazione emessa può essere usata per individuare la presenza di radioisotopi. I radioisotopi possono essere incorporati in molecole (associazione stabile di atomi) ed agire come marcatori, l'attività cellulare può essere misurata tramite i radioisotopi che misurano la consumazione di glucosio. - Il Carbonio 14 si combina con l'ossigeno nell'atmosfera (14CO2), il C14 viene incorporato nei composti organici e entra nella catena alimentare, poiché la quantità si dimezza ogni 6000 anni, gli scienziati riescono a capire la datazione dei fossili. - La tossicità emessa dai radioisotopi può essere utilizzata per uccidere cellule malate del nostro corpo o per evidenziare cellule tumorali (es. le cellule tumorale della tiroide catturano i radioisotopi di lodio scambiandolo per quello normale, 131/1231) #### Orbitali Il numero di elettroni determina come gli atomi interagiranno (comportamento chimico). A seconda del livello di energia di cui sono dotati gli elettroni di una atomo si distribuiscono sui vari livelli energetici che sono in totale 7 (+ vicino al nucleo - energia). - Orbitale: regione dello spazio tridimensionale attorno al nucleo all'interno della quale abbiamo un'alta probabilità (più del 90%) di trovare l'elettrone. Gli orbitali hanno forme e orientamenti caratteristici (4 diverse tipologie) e sono occupabili da due elettroni con **spin** (senso di rotazione dell'elettrone sul proprio asse, in senso orario o in senso antiorario) di direzione opposta. Lo spin opposto fa si che elettroni, di carica negativa, non si respingano. Esistono solo due sensi di rotazione per cui solo 2 elettroni possono occupare lo stesso orbitale. - Orbitale s (s=sharp): in ogni livello energetico troviamo un solo orbitale s (può contenere fino a 2 elettroni). - Orbitali p (p=principal): a partire dal 2° livello, ogni livello presenta 3 orbitali p di diversi (con orientamento spaziale diverso), che possono contenere fino a un massimo di 6 elettroni (2 per ogni orbitale). - Orbitali d (d= diffuse): presenti nel 3º, 4º, 5º e 6º livello, sono in tutto 5 e possono contenere complessivamente fino a 10 elettroni - Orbitali f (f=fundamental): presenti nel 4° e 5° livello, sono 7 e ospitano fino a 14 elettroni - Gli orbitali vengono riempiti in una specifica sequenza: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p Negli atomi con più di 18 elettroni l'aumento del numero dei sottolivelli porta alla sovrapposizione dei livelli che possiedono valori di n diversi. Il livello energetico più esterno di un atomo determina il comportamento chimico dell'atomo. Gli elettroni del livello energetico più esterno dell'atomo sono detti **elettroni di valenza**. Sono al massimo 8. 1. Gli unici elementi che riempiono di elettroni tutti gli orbitali disponibili sono i gas nobili (l'atomo è stabile). 2. Gli atomi reattivi possono condividere elettroni, perderli o guadagnarli, diventando atomi legati assieme a formare **molecole**. - Gli alogeni tendono a saturare il loro **strato di valenza** catturando un elettrone. - I metalli alcalini tendono a saturare il loro **strato di valenza** cedendo un elettrone. #### Legami chimici Legame chimico: una forza di attrazione che lega atomi insieme, a formare una molecola. #### Legame covalente Si forma quando due atomi condividono una o più paia di elettroni così da completare gli strati di valenza (così da raggiungere la minima quantità di energia potenziale). - L'energia di dissociazione (Kcal/mole) del legame è la quantità di energia che deve essere somministrata perchè quel legame si possa rompere. I legami covalenti sono molto forti à occorre molta energia per spezzarli. - Composto: una molecola costituita da due o più elementi diversi legati insieme in un rapporto fisso (es. H20) - Il peso molecolare di un composto: la somma dei pesi atomici di tutti gli atomi nella molecola. Es. H20: 18,01 Da (16 per l'O e 2 per i due H). I legami covalenti possono essere: - Singoli: 1 coppia di elettroni condivisi - Doppi: 2 coppie di elettroni condivisi - Tripli: 3 coppie di elettroni condivisi La lunghezza, l'angolo e la direzione dei legami tra due qualsiasi elementi sono sempre i medesimi. Tuttavia, la forma delle molecole può cambiare dato che gli atomi possono ruotare attorno ad un legame covalente (no doppio legame). I legami covalenti sono omeopolari quando legano due atomi identici (es. H2). #### Legame covalente polare e apolare 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). - Legame covalente apolare: gli elettroni sono equamente condivisi (gli atomi hanno elettronegatività simile). - 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. A causa di una condivisione diseguale, una molecola con legame polare ha una **parziale carica negativa** (8-) ad un'estremità ed una **parziale carica positiva** (6+) ad un'altra estremità. Le cariche parziali determinano molecole polari o regioni polari di grandi molecole. #### Legame ionico Quando un atomo è molto più elettronegativo di un altro (differenza ≥ 1.7), può avvenire un completo trasferimento di elettroni. Si ottengono due **ioni** con livelli esterni completi. loni: particelle cariche elettricamente, formate quando atomi perdono o guadagnano elettroni. - Catione: lone carico positivamente - Anione: lone carico negativamente loni complessi: gruppi di atomi legati covalentemente, dotati di carica (esempio: NH4, ione ammonio) Atomo di azoto condivide i suoi due elettroni di valenza rimasti con uno ione idrogeno H+ Il composto avrà 11 cariche positive e 10 negative quindi assumerà una carica positiva (NH4+) #### Attrazioni ioniche: legami che derivano dall'attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta (positivi e negative) I sali sono tipicamente sostanze costituite da ioni di segno opposto (es. NaCl, cloruro di sodio, la formula in questo caso non rappresenta una vera molecola ma un rapporto stechiometrico 1:1 fra gli ioni Na+ e Cl- che costituiscono il cristallo). - 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) #### Legame a idrogeno Attrazione tra l'estremità 6– di una molecola e l'estremità 6+ di un atomo di idrogeno di un'altra molecola. I legami a idrogeno si formano tra molecole d'acqua e sono importanti nella struttura di DNA e proteine (stabilizzano la struttura). Sono più lunghi dei legami covalenti. - Le molecole polari sono idrofile - Le molecole apolari sono idrofobiche #### Forze di Van Der Waals Attrazioni tra gli elettroni e il nucleo di molecole non polari (ma anche polari) vicine tra loro. Le singole interazioni sono brevi e deboli, dovute a variazioni casuali nella distribuzione degli elettroni nelle molecole (attrazione debole temporanea tra 6-e 6+). In un solido queste forze tengono la molecola saldamente, scaldando la sostanza l'energia cinetica indebolisce le forze e la sostanza passa a uno stato liquido o ancora gassoso. Tanto più grandi sono gli atomi di una molecola tanto più sono forti le forze di Van Der Waals e sono quindi più elevate le temperature di fusione e ebollizione. #### Le Reazioni chimiche Le reazioni chimiche avvengono quando gli atomi collidono con sufficiente energia da combinarsi o cambiare i loro partner di legame. - Questa è una reazione di **ossido-riduzione** (reazione redox): passaggio di elettroni tra atomi Elettroni e protoni sono trasferiti dal propano (agente riducente, si ossida) →all'ossigeno (agente ossidante, si riduce) per formare acqua. - Reazioni chimiche che rilasciano energia → **esoergoniche** - Reazioni chimiche che richiedono energia → **endoergoniche** #### L'Acqua - Molecola polare (è un dipolo) - Forma **legami a idrogeno** Corpo umano è costituito per più del 70% dal proprio peso da acqua. La maggior parte delle reazioni biochimiche avviene in acqua #### Proprietà dell'acqua 1. Espansione in seguito a congelamento 2. Elevata **capacità termica** 3. **Coesione**, adesione e capillarità 4. Alta **capacità di solvatazione** 1. Espansione Con l'aumento delle temperature le molecole d'acqua si distanziano sempre di più fra di loro producendo un aumento del volume pari al 4,5%. - Stato Liquido: i legami si rompono mille miliardi di volte in 1 minuto (alto movimento molecolare) - Stato Gassoso: all'aumento della temperatura aumenta il movimento molecolare. A 100 °C, non si formano più legami e le molecole diventano gassose (si allontanano definitivamente le une dalle altre) - Stato Solido: A temperatura ≤ a 0°C, l'energia cinetica delle molecole non è sufficiente per rompere i legami. Ogni molecola d'acqua è legata con legami a idrogeno ad altre quattro molecole in una **rigida struttura cristallina.** L'acqua solida è meno densa (> distanza tra molecole) dell'acqua liquida. 2. Capacità Termica Per passare da uno stato fisico a un altro l'acqua richiede una grande quantità di energia. Capacità termica: quantità di calore da fornire a una sostanza per innalzarne la temperatura di un kelvin (K) o di 1 °C. L'alta capacità termica dell'acqua aiuta a mitigare il clima e le temperature oceaniche. - L'acqua ha un elevato **calore di evaporazione**: la quantità di energia richiesta per cambiare l'acqua dallo stato liquido allo stato gassoso Il sudore richiama energia sotto forma di calore e la utilizza per evaporare, la grande quantità di energia richiesta viene sottratta dal corpo con il risultato finale di abbassare la temperatura. 3. Coesione, adesione e capillarità L'adesione e la coesione dell'acqua sono responsabili del fenomeno della capillarità - Coesione: forze attrattive tra molecole della stessa sostanza (capacità delle molecole di resistere alla separazione) - Adesione: forze attrattive tra molecole di sostanze diverse Capillarità: risalita di un liquido all'interno di vasi con diametro ristretto. Menisco: conca superficiale di un liquido presente in qualsiasi contenitore - Menisco concavo: forza di adesione del liquido al contenitore è superiore a quella di coesione - Menisco convesso: forza di adesione è inferiore a quella di coesione La coesione tra le molecole induce **tensione superficiale**: una molecola d'acqua in superficie subirà solo la forza attrattiva esercitata dalle molecole sotto o accanto alla molecola considerata (la densità dell'aria è molto più bassa quindi l'attrazione delle molecole d'acqua verso le molecole d'aria è trascurabile). Ne consegue che la molecola in superficie sarà attratta più efficacemente verso l'interno del liquido (omogeneo orientamento verso il basso dei legami ad idrogeno). 4. Alta capacità di solvatazione Una soluzione è una sostanza (soluto) dissolta in un liquido (solvente) L'acqua si lega a sostanze provviste di carica (ioni e molecole polari) **solubilizzandole**. Mole: la quantità di una sostanza (in grammi) numericamente uguale al suo peso molecolare in dalton. Es. (1 mole di idrogeno molecolare H2 = 2 Da = 2 g, 1 mole di glucosio (C6H12O6) = (12 × 6 + 1 × 12 + 16 × 6) = 180 Da = 180 g) Molarità (M): numero di moli della sostanza in 1 L di soluzione, è la concentrazione di una sostanza chimica in una soluzione. Esempio: una soluzione 0,1 M di glucosio in acqua contiene 0,1 moli (= 18, 0 g) di glucosio in un litro della soluzione acquosa. - Una soluzione 1 µM (micromol) contiene 6,02 x 10 17 molecole di soluto (nei tessuti viventi, le sostanze si presentano in concentrazioni micromolari). ### Acidi e Basi - Gli acidi in acqua liberano ioni H+ (elettrofili) - Le basi in acqua accettano ioni H+ (nucleofili) 1. Gli acidi e le basi forti si dissociano completamente (es. gli idrossidi si dissociano completamente liberando ioni OH-) 2. Gli acidi e le basi deboli non si dissociano completamente, la doppia freccia indica la contemporanea presenza in soluzione di reagenti e prodotti. L'acqua ha una leggera tendenza a ionizzare - È **anfotera** (si comporta sia da acido che da base) libera sia ioni H+ che ioni OH- Ph In 1 mole di acqua solo 1/10.000.000 molecole ionizza pH bassi significano maggior concentrazione di H+, o maggior acidità - Il pH influenza la velocità delle reazioni biologiche e può cambiare la struttura 3D delle molecole biologiche, con effetti sulla funzione. Molecola con gruppo - COO- interagisce con regioni polari dell'acqua, se aggiungo H+ ottengo -COOH (no carica, idrofobo): reagisce meno con l'acqua, cambio struttura 3D. - Gli organismi utilizzano svariati meccanismi per minimizzare i cambiamenti di pH nelle loro cellule e nei tessuti e mantenere costanti le condizioni interne (omeostasi). - I **tamponi (buffer)** aiutano a mantenere costante il pH. Un tampone è una miscela di: - un acido debole e la sua base coniugata (forte). - una base debole e il suo acido coniugato (forte). ### Molecole biologiche I quattro tipi di macromolecole sono presenti nelle stesse proporzioni in tutti gli organismi viventi ed hanno funzioni simili. Gli organismi possono ottenere le macromolecole necessarie cibandosi di altri organismi. Le molecole che costituiscono i viventi sono: - Proteine: combinazioni di 20 amminoacidi - Carboidrati: monosaccaridi legati a formare polisaccaridi - Lipidi: forze non covalenti mantengono le interazioni tra monomeri lipidici. - Acidi nuclei: quattro tipi di monomeri nucleotidici. La maggior parte sono polimeri formati dall'unione di molecole più piccole, i **monomeri**, tramite **legami covalenti**. **Macromolecole** → polimeri con pesi molecolari >1000 Da ### Gruppi funzionali La funzione delle macromolecole dipende dalle proprietà dei **gruppi funzionali**: gruppi di atomi con proprietà chimiche specifiche (es. possono rendere una molecola polare o apolare). Una singola macromolecola può contenere diversi gruppi funzionali. - Gruppo ossidrilico (OH) - Gruppo aldeidico (CHO) → gruppo carbonilico - Gruppo chetonico (COR) → gruppo carbonilico - Gruppo carbossilico (COOH) - Gruppo amminico (NH2) - Gruppo fosfato (PO4) - Gruppo sulfridrilico (SH) - Gruppo metilico (CH3) → gruppo idrofobo (etile, propile, benzile ecc..) ### Gli isomeri Isomeri: molecole con la stessa formula chimica, ma con atomi disposti in modo diverso. - Isomeri di struttura - Isomeri cis-trans - Isomeri ottici #### Isomeri di struttura: differiscono nel modo in cui gli atomi sono legati tra loro (= formula molecolare, ≠ connettività). #### Isomeri geometrici (cis-trans): diverso orientamento attorno ad un doppio legame (legame non rotazionale) tra due atomi di carbonio (= formula molecolare, connettività, ≠ orientamento). Gli isomeri ottici (enantiomeri) si hanno quando un atomo di carbonio ha quattro diversi atomi o gruppi ad esso legati (carbonio asimmetrico detto stereocentro). Si formano due molecole speculari non sovrapponibili tra loro. Alcune molecole biochimiche che possono interagire con un dato isomero ottico non sono in grado di adattarsi all'altro isomero. - Ottici: i due isomeri hanno diversa capacità di fare ruotare **la luce polarizzata** (D, destrogiro; L, levogiro). #### Condensazione e idrolisi