Elementi e molecole della vita PDF

Elementi e molecole della vita ARGOMENTI Macronutrienti e micronutrienti La tavola periodica degli elementi Regola dell’ottetto e legame ionico (NaCl) Acqua: legame idrogeno (polarità e apolarità), pH (acidi e basi) Atomo d carbonio Struttura e valenza Numero di ossidazione e livello energet...

Elementi e molecole della vita ARGOMENTI Macronutrienti e micronutrienti La tavola periodica degli elementi Regola dell’ottetto e legame ionico (NaCl) Acqua: legame idrogeno (polarità e apolarità), pH (acidi e basi) Atomo d carbonio Struttura e valenza Numero di ossidazione e livello energetico Catene di carbonio, monomeri e polimeri Macromolecole Zuccheri e carboidrati, α e β glucosio, amido, cellulosa Acidi grassi e lipidi, trigliceridi, fosfolipidi Aminoacidi e proteine Nucleotidi e acidi nucleici MACRO-NUTRIENTI > 0,1% → H, C, O / N, P, S / Mg, K, Ca MICRO-NUTRIENTI < 0,1% → B, Cl, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, … Macronutrienti: elementi e funzioni ► Carbonio (C) carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici ► Idrogeno (H) carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici ► Ossigeno (O) carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici ► Azoto (N) Componente degli amminoacidi, proteine, nucleotidi, acidi nucleici, clorofille e coenzimi ► Zolfo (S) Componente di alcuni amminoacidi e proteine e del coenzima A ► Fosforo (P) Componente dei composti fosforati trasportatori di energia (ATP e ADP), degli acidi nucleici, di alcuni coenzimi, dei fosfolipidi (metalli) ► Magnesio (Mg) Componente della molecola di clorofilla; attivatore di molti enzimi ► Calcio (Ca) Componente delle pareti cellulari; cofattore enzimatico; coinvolto nella permeabilità della membrana cellulare; componente della calmodulina, regolatore delle attività di membrana ed enzimatiche ► Potassio (K) Implicato nella osmosi e nel bilancio ionico e nell'apertura e chiusura degli stomi; attivatore di molti enzimi Micronutrienti: elementi e funzioni ► Boro (B) Influenza l'utilizzazione degli ioni calcio, la sintesi degli acidi nucleici e l'integrità della membrana ► Cloro (Cl) Implicato nella osmosi e nel bilancio ionico; probabilmente essenziale nelle reazioni della fotosintesi che generano ossigeno (metalli) ► Manganese (Mn) Attivatore di alcuni enzimi; richiesto per la integrità della membrana del cloroplasto e per la liberazione dell'ossigeno nella fotosintesi ► Ferro (Fe) Richiesto per la sintesi della clorofilla; componente dei citocromi e della nitrogenasi ► Nichel (Ni) Costituente essenziale di enzimi implicati nel metabolismo dell'azoto ► Rame (Cu) Attivatore o componente di alcuni enzimi implicati in reazioni di ossido- riduzione ► Zinco (Zn) Attivatore o componente di molti enzimi ► Molibdeno (Mo) Richiesto per la fissazione dell'azoto e per la riduzione del nitrato Donatori di e- Accettori di e- Stabili Donatori di e- Accettori di e- Stabili Sodio (Na) Cloro (Cl) Ioni in soluzione Donatore di e- Accettore di e- e- Legame ionico e- Acqua tetraedro  Acqua 2 H2O OH- + H3O+ legame idrogeno dissociazione ionica (polare/apolare) (acido/basico - pH) 2 molecola d'acqua 2 regioni molecola grande o 2 molecole grandi Acqua POLARI APOLARI (molecole, solventi, soluzioni…) (molecole, solventi, soluzioni…) Acqua ACIDO [H+] alta BASICO [H+] bassa Legame tra 2 atomi stesso elemento Legame tra atomi diversi elementi (Idrogeno) (Carbonio e Idrogeno = Metano)  Numeri di ossidazione Reagenti C = -3 -2 -3 = -8 O = (5 x 2) x 0 = 0 H = 8 x +1 = +8 Prodotti C = +4 +4 +4 = +12 C3H8 + 5 02 → 3 CO2 + 4 H2O + Luce e O = (6+4) x -2 = -20 calore H = 8 x +1 = +8 Propano + Ossigeno gassoso → Diossido di carbonio + Acqua + Energia C in totale cede 20 e- a O Carbonio da ridotto (più e-, maggior Reagenti Prodotti energia) a ossidato (meno e-, minor energia) Propano Il Carbonio con singoli legami ha forma di tetraedro e quando si lega a quattro atomi o gruppi diversi tra loro può dare origine a composti speculari (enantiomeri) Gli atomi di Carbonio, legandosi tra di loro, possono dare origine a catene lineari o ramificate, il Carbonio impegnato in legami singoli può ruotare liberamente Il Carbonio impegnato in un doppio legame è piatto e non può ruotare, e dà origine a configurazioni cis- e trans- https://www.youtube.com/watch?v=tysMdDp5HeU Gruppi funzionali Il gruppo funzionale una parte della struttura di una molecola caratterizzata da specifici atomi disposti secondo una struttura ben definita. È il centro della reattività chimica della molecola che conferisce al composto una reattività tipica e simile a quella di altri composti con lo stesso gruppo funzionale. carbonile La maggior parte del peso secco degli organismi viventi è costituito da 4 tipi di molecole più o meno complesse: 1. Carboidrati (zuccheri e catene di zuccheri; C, H e O) 2. Lipidi (gran parte contiene acidi grassi; C H, O e P) 3. Proteine (enzimi e strutturali; C, H, O, N e S) 4. Acidi nucleici (DNA e RNA; C, H, O, N e P)  AMIDO PRIMARIO e SECONDARIO Le molecole organiche fondamentali per la vita sono costituite da unità semplici (monomeri) concatenate in unità complesse (polimeri) Tipo Monomeri Polimeri Carboidrati Monosaccaridi Polisaccaridi Protidi Aminoacidi Polipeptidi, proteine Lipidi Acidi grassi Polimeri degli acidi grassi Acidi Nucleici Nucleotidi DNA, RNA AMIDO PRIMARIO e SECONDARIO MONOMERI POLIMERI Osm. molto attivi Osm. poco attivi Ecballium elaterium POLIMERI MONOMERI Osm. poco attivi Osm. molto attivi Zuccheri e carboidrati ► Il primo atomo di carbonio (C1) è sempre legato ad un gruppo carbonilico C=O ► Tutti gli atomi di carbonio (tranne C1) sono legati ad un gruppo ossidrilico C-OH Zuccheri semplici (monosaccaridi) 3C 5C 6C MONOMERI Zuccheri e carboidrati 3C 5C 6C Zuccheri e carboidrati In soluzione il glucosio può assumere due forme ad anello α-glucosio e β-glucosio Per la presenza di atomi di C legati a 4 gruppi diversi tra loro, la molecola del glucosio è chirale: esistono due enantiomeri, l'uno speculare all'altro, il D-glucosio e l'L-glucosio, ma solo il primo (D) è quello prodotto e utilizzato dagli organismi viventi Zuccheri e carboidrati Zuccheri e carboidrati MONOMERI DIMERI  Condensazione - POLIMERIZZAZIONE Zuccheri e carboidrati Condensazione Idrolisi Idrolisi - DEPOLIMERIZZAZIONE Zuccheri e carboidrati Amilosio - catena lineare di monomeri di α-glucosio ripetuti Amido ► Zuccheri complessi (polisaccaridi) ► Monomeri costituiti da α-glucosio ► Ruolo di riserva energetica Amilopectina - catena ramificata di monomeri di α-glucosio ripetuti Zuccheri e carboidrati Cellulosa ► Lunghe catene lineari che formano legami idrogeno tra loro ► Monomeri costituiti da β-glucosio ► Ruolo strutturale (vedi parete cellulare) ► Il diverso tipo di legame determina differenze nella struttura 3D che la rende difficilmente attaccabile dagli enzimi che idrolizzano facilmente l’amido  Zuccheri e carboidrati Cellulosa Amilopectina Glicogeno (Amido) Amilosio (Amido) Cellulosa Zuccheri e carboidrati Per la sua organizzazione la cellulosa presenta straordinarie caratteristiche di resistenza alla trazione ed agli attacchi enzimatici. La cellulosa è ideale come materiale fibrillare perché: ► è lineare e molto poco estensibile ► può raggiungere elevato grado di polimerizzazione (2-6000 residui) ► le catene si associano tra loro a formare microfibrille ► è estremamente stabile all’idrolisi ed è costituente permanente della parete α-glucosio (pasta) β-glucosio (scatola, paglia) Acidi grassi e lipidi ► Acidi grassi: molecole con lunghe catene carboniose (H-C-H) apolari (code, insolubili in acqua) ► Con legami singoli tra gli atomi di C (saturi – lineari) o doppi (insaturi – con angoli) ► Trigliceridi: 3 molecole di acidi grassi legati a una molecola di glicerolo ► Funzione di riserva energetica Glicerolo Trigliceride  Fosfolipide Glicolipide Acidi grassi e lipidi ► Fosfolipidi: 2 molecole di acidi grassi legati a una molecola di glicerolo, il III atomo di carbonio del glicerolo si lega a un gruppo fosfato (gruppo P) ► Glicolipidi: 2 molecole di acidi grassi legati a una molecola di glicerolo, il III atomo di carbonio del glicerolo si lega a uno zucchero ► Il gruppo P e gli zuccheri sono carichi negativamente e quindi polari (teste, solubili in acqua) Fosfolipide Acidi grassi e lipidi ► Steroidi: lipidi con la presenza nella struttura di un nucleo sterolico con 17C (4 anelli idrocarburici collegati tra loro) ► La struttura può legare catene idrocarburiche (HC) +/- lunghe, gruppi carbossilici (–C-OH), gruppi carbonilici (-C=O) Nucleo sterolico con 17C ► Sterolo: legami con -OH in C3 Solubili nella parte idrofobica della membrana stabilizzano le code dei fosfolipidi e danno fluidità > Fluidità a basse temperature (evita la rottura) < Fluidità ad elevate temperature (riduce fluidità) Acidi grassi e lipidi ► Gli steroidi possono anche essere metaboliti secondari delle piante appartenenti ai terpenoidi (più precisamente, i triterpeni) ► Sono caratterizzati da un nucleo sterolico (-OH in C3) ed una catena laterale C17 ► Gli steroli possono anche svolgere funzioni ormonali Aminoacidi e proteine Parte comune C chirale: enantiomeri speculari (L-Aminoacidi e D-Aminoacidi) Aminoacidi e proteine  Aminoacidi e proteine Legame peptidico Legame tra il gruppo aminico (-NH2) di un aminoacido ed il gruppo carbossilico (-COOH) di un altro con una reazione di condensazione (liberazione di una molecola d’acqua H2O) Polipeptide più aminoacidi legati tra loro da legami peptidici Polipeptide Aminoacidi e proteine Struttura delle proteine I. Struttura Primaria → sequenza Aminoacidi II. Struttura Secondaria → α elica o foglietto β III. Struttura Terziaria → ripiegamento tridimensionale IV. Struttura Quaternaria → assemblaggio subunità polipeptidiche Aminoacidi e proteine La struttura III (e IV) delle proteine è stabilizzata da legami deboli, non covalenti, come: ►interazioni idrofobiche ►legami idrogeno ►ponti salini ►(ponti disolfuro) Legami facilmente spezzabili con variazioni delle condizioni chimico-fisiche (es. variazioni di temperatura o di pH) ► Denaturazione: le catene polipeptidiche si dispiegano e la struttura si disgrega perdendo la sua funzionalità Nucleotidi e acidi nucleici I nucleotidi (monomeri degli acidi nucleici) sono composti da: ► 1 base azotata (purinica o pirimidinica) ► 1 zucchero pentoso a 5 atomi di C (Ribosio o Desossiribosio) ► 1, 2 o 3 gruppi fosfati (residui fosforici) Una base azotata legata a uno zucchero forma un nucleoside e insieme ai residui fosforici forma un nucleotide Nucleotidi e acidi nucleici Basi azotate ► l’Uracile sostituisce la Timina nell’RNA ►DNA: A,G,C,T ►RNA: A,G,C,U solo RNA solo DNA Nucleotidi e acidi nucleici Nucleotidi e acidi nucleici Nucleotidi e acidi nucleici Sono possibili solo legami A-T (2 legami H) legami C-G (3 legami H) Nucleotidi e acidi nucleici Nucleotidi e acidi nucleici ► La sequenza di nucleotidi del DNA (il codice genetico) specifica l'ordine degli amminoacidi di un polipeptide (es. proteine, enzimi) ► Il codice genetico è basato su una tripletta di basi (codone), una sequenza precisa di tre basi nucleotidiche (3 lettere, es. AUC) che corrisponde a un dato amminoacido ► una tripletta di basi codifica per un amminoacido ► Il codice genetico è universale, cioè è uguale in tutti gli organismi Nucleotidi e acidi nucleici Corrispondenze Aminoacidi → Codoni (Triplette) Nucleotidi e acidi nucleici AMP: Adenosina Monofosfato ADP: Adenosina Difosfato ATP: Adenosina Trifosfato