Chimica della Vita PDF

UNITÀ 1. Le molecole della vita Elementi e composti negli organismi Gli elementi chimici che costituiscono gli esseri viventi sono gli stessi che costituiscono il nostro pianeta e che si trovano in tutto l’Universo. Ciò che è notevolmente differente è l’abbondanza relativa con la quale...

UNITÀ 1. Le molecole della vita Elementi e composti negli organismi Gli elementi chimici che costituiscono gli esseri viventi sono gli stessi che costituiscono il nostro pianeta e che si trovano in tutto l’Universo. Ciò che è notevolmente differente è l’abbondanza relativa con la quale essi si ritrovano nei tessuti viventi. Mentre nell’Universo dominano idrogeno ed elio, le molecole biologiche sono costi- tuite principalmente da carbonio, ossigeno, idrogeno e azoto. Gli elementi indispen- sabili alla vita sono molti di più e alcuni, gli oligoelementi, sono necessari anche se in piccola quantità. Per quanto riguarda i composti, l’acqua è il composto inorganico più presente all’in- terno delle cellule. Essa costituisce circa il 65% del peso di una qualsiasi cellula umana. A parte una piccola frazione di ioni inorganici, la parte restante della cellula è costituita da composti organici quali proteine (20% circa), lipidi (12% circa) e da altre molecole organiche. Il DNA, ovvero il composto che contiene le istruzioni necessarie alla vita di una cel- lula, costituisce soltanto lo 0,1% del suo peso. Il carbonio è l’elemento presente in tutti i composti organici. Esso forma quattro legami covalenti con altri elementi costituendo una molecola a forma di tetraedro. Il più semplice composto organico è il metano, la cui molecola è formata da un atomo di carbonio legato a 4 atomi di idrogeno. H H H C H C H H H H L’atomo di carbonio si trova al centro Questo modello compatto rappre- di un tetraedro, i cui vertici sono oc- senta proporzionalmente la forma cupati dai quattro atomi di idrogeno. reale della molecola di metano. Questa struttura tetraedrica può unirsi con altre strutture simili e dare origine a mole- cole molto grandi e molto complesse. L’acqua nei sistemi viventi La vita è presente sulla Terra perché il nostro pianeta possiede delle condizioni di tem- peratura e pressione tali da consentire l’esistenza dell’acqua allo stato liquido. L’importanza biologica dell’acqua è molteplice, lo testimonia il fatto che l’acqua è il composto principale delle cellule e di tutti i sistemi viventi. Tale abbondanza all’interno dei viventi è dovuta al fatto che nelle cellule e nel corpo degli organismi l’acqua svolge diverse funzioni fondamentali. 1. L’acqua rappresenta il solvente per molti soluti coinvolti nelle reazioni biochimiche fondamentali per la sopravvivenza. Tutte le reazioni chimiche delle cellule avvengono infatti in soluzione acquosa. La capacità dell’acqua di agire come solvente è dovuta alla polarità della sua molecola che, pur essendo neutra nel suo complesso, presenta al suo interno una distribuzione ineguale delle cariche positive e negative. Idee per insegnare la biologia con Saraceni, Strumia OSSERVARE E CAPIRE LA VITA Edizione azzurra © Zanichelli 2011 2 UNITÀ 1. Le molecole della vita Le sostanze idrofile, ovvero in grado di sciogliersi in acqua, presentano generalmente molecole con una o più cariche elettriche positive o negative oppure molecole polari. Sono sostanze idrofile quindi i sali minerali, numerose proteine, la maggior parte dei carboidrati e il gruppo delle vitamine idrosolubili. Le sostanze idrofobe non sono in grado di sciogliersi in acqua in quanto presentano generalmente delle molecole molto grandi e apolari, ovvero prive di carica elettrica. Sono sostanze idrofobe tutti i grassi, gli idrocarburi e il gruppo delle vitamine dette liposolubili. 2. In alcuni casi l’acqua non si limita al ruolo di solvente ma prende parte alle reazioni biochimiche in qualità di reagente, come ad esempio nella fotosintesi. In generale si può affermare che l’acqua funziona come reagente in tutte le reazioni di idrolisi. In queste reazioni una molecola d’acqua viene scissa per formare gli ioni H+ e OH–, i quali vengono utilizzati per rompere molecole complesse in molecole semplici. Nelle reazioni di idrolisi, l’acqua funziona come reagente e viene incorporata all’interno dei prodotti che si formano. Tali prodotti sono molecole più semplici delle molecole di par- tenza. L’insieme dei processi biochimici che porta alla formazione di molecole più semplici partendo da molecole più complesse viene detto catabolismo. +H2O H OH H OH + H OH monomero +H2O idrolisi condensazione Le reazioni inverse in cui l’acqua è un prodotto di rea- zione, sono dette reazioni di condensazione. In questo caso le molecole prodotte sono più complesse delle molecole di partenza. L’insieme dei processi biochimici che porta alla formazione di molecole più complesse par- tendo da molecole più semplici viene detto anabolismo. 3. L’acqua infine svolge all’interno di molti organismi la funzione di liquido di traspor- to extracellulare; negli animali per esempio il sangue è costituito approssimativamente dall’85% di acqua; nelle piante la linfa contiene una percentuale d’acqua ancora mag- giore. Il corpo umano è costituito approssimativamente per il 60% del suo peso da acqua. Le basi della chimica organica Oggi si conoscono oltre 2 milioni di composti organici. Questa grande varietà si spiega con il fatto che l’atomo di carbonio può formare quattro legami di tipo covalente e combinarsi formando lunghe catene di atomi. I composti organici che contengono esclusivamente atomi di carbonio e di idrogeno sono chiamati idrocarburi. Idee per insegnare la biologia con Saraceni, Strumia OSSERVARE E CAPIRE LA VITA Edizione azzurra © Zanichelli 2011 3 UNITÀ 1. Le molecole della vita Il metano è la molecola organica più semplice. L’etano è un idrocarburo con 2 atomi di carbonio e la sua molecola ha la forma di 2 tetraedri uniti per un vertice. Il propano è un idrocarburo con 3 atomi di carbonio e il butano con 4 atomi di carbonio. Tutti questi idrocarburi possiedono esclusivamente legami covalenti semplici; esiste però la possibilità che due atomi di carbonio formino tra loro un legame covalente dop- pio o un legame covalente triplo. Le proprietà di un composto organico dipendono dalla lunghezza della catena di atomi di carbonio e dalla presenza di gruppi funzionali: gruppi di atomi che vengono coinvolti nelle reazioni chimiche e che si sostituiscono a un atomo di idrogeno nella struttura di un idrocarburo. Gruppo funzionale Formula generale Classe di composti Molecole in cui si trovano ossidrilico O H alcoli zuccheri; vitamine OH idrosolubili carbonilico O aldeidi alcuni zuccheri; formaldeide C (un disinfettante) H CO O chetoni alcuni zuccheri; «corpi chetonici» C presenti nelle urine (provenienti dalla demolizione dei grassi) carbossilico O acidi carbossilici amminoacidi; proteine; COOH C alcune vitamine; acidi grassi OH amminico H ammine amminoacidi; proteine; NH2 urea delle urine N (proveniente dalla H demolizione delle proteine) Molte molecole organiche derivano dall’unione di molecole più piccole (monomeri) che si legano tra loro dando molecole più grandi (polimeri). I polimeri molto grandi (a scala molecolare, cioè paragonati ad altre molecole) sono comuni nei viventi e sono detti macromolecole. Le macromolecole biologiche sono distinte in quattro classi: – i carboidrati, – i lipidi, – le proteine, – gli acidi nucleici. Le molecole biologiche: i carboidrati I carboidrati, composti che contengono carbonio, ossigeno e idrogeno, sono le princi- pali fonti di energia per le cellule. I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici, formati da una sola molecola. Nella molecola dei monosaccaridi per ogni atomo di carbonio sono presenti due atomi di idrogeno e uno di ossigeno: la formula generica è quindi (CH2O)n, dove n è il numero di atomi di carbonio. Idee per insegnare la biologia con Saraceni, Strumia OSSERVARE E CAPIRE LA VITA Edizione azzurra © Zanichelli 2011 4 UNITÀ 1. Le molecole della vita Il glucosio, un monosaccaride che contiene sei atomi di carbonio, è prodotto nella foto- sintesi ed è la principale fonte di energia per gli esseri umani e, in generale per tutte le cellule. Il fruttosio (presente nella frutta) e il galattosio (contenuto nel latte) sono altri monosaccaridi a sei atomi di carbonio, che differiscono dal glucosio per la struttura. Struttura lineare Struttura ad anello Le molecole dei vari monosaccaridi possono del glucosio CH2OH unirsi tra loro tramite una reazione di condesa- H O C O zione per dare zuccheri con molecole più grandi. H H H C C C Il saccarosio, la cui molecola è formata da due OH H HO C C OH unità diverse (una molecola di glucosio e una di H C OH H OH fruttosio), è un disaccaride. HO C H I carboidrati formati da centinaia o migliaia di H C OH unità si chiamano polisaccaridi. Alcuni polisaccaridi funzionano come riser- H C OH ve di zuccheri semplici per gli organismi. Per H C OH esempio, le piante immagazzinano lo zucchero in eccesso sotto forma di amido, formato da mol- H te unità di glucosio. Gli animali, invece, fanno scorta di zucchero sotto forma di glicogeno nel fegato e nei muscoli. Altri polisaccaridi costituiscono i materiali che hanno la funzione di sostenere le cellule o l’intero organi- smo. È il caso della cellulosa, la principale componente del legno. Le molecole biologiche: i lipidi Le macromolecole dei lipidi sono formate da atomi di carbonio, ossigeno e idrogeno, pro- prio come i carboidrati. Nonostante siano formati dagli stessi elementi, i lipidi e i carboi- drati hanno caratteristiche del tutto differenti, che dipendono dalla diversa disposizione degli atomi, cioè dal modo in cui essi sono legati tra loro a formare queste macromolecole. Una delle caratteristiche che accomuna tutti i lipidi è il fatto che non si sciolgono nell’acqua (si dice che sono insolubili in acqua). I lipidi comprendono un vasto gruppo di macromolecole che svolgono diverse fun- zioni negli organismi. 1. I grassi servono a immagazzinare energia (come avviene con i carboidrati); ogni mole- cola di grasso è formata da tre molecole di acido grasso, legate a una molecola di glicerolo. Le caratteristiche di un grasso dipendono dalla lunghezza dello scheletro carbonioso che costituisce gli acidi grassi e dalla presenza o meno di doppi legami covalenti (C ⫽ C) nelle catene stesse. I lipidi che contengono acidi grassi in cui non compaiono doppi legami sono detti sa- turi e sono solidi a temperatura ambiente. Sono grassi di questo tipo il burro e il grasso della carne. I lipidi che contengono acidi grassi in cui compaiono doppi legami sono detti insaturi e sono liquidi a temperatura ambiente, come l’olio d’oliva e gli oli di semi. 2. Le cere hanno la funzione di proteggere la pelle, rendere impermeabili il pelo e le penne degli animali, oltre che le foglie e i frutti delle piante terrestri. 3. I fosfolipidi sono un gruppo di lipidi particolarmente importanti perché formano le membrane che delimitano tutte le cellule. Ogni molecola di fosfolipide ha una duplice natura: è idrofila (cioè ha affinità per l’acqua) in corrispondenza della «testa», formata da un gruppo di atomi che contiene fosforo, ed è idrofoba (cioè non ha affinità per l’acqua e tende ad allontanarsi da essa) in corrispondenza delle due «code» formate Idee per insegnare la biologia con Saraceni, Strumia OSSERVARE E CAPIRE LA VITA Edizione azzurra © Zanichelli 2011 5 UNITÀ 1. Le molecole della vita da acidi grassi. Per comodità i fosfolipidi vengono rappresentati con una sferetta (la «testa» polare) dalla quale pendono due code. code non polari acqua Quando i fosfolipidi si Nelle cellule i trovano in acqua o in fosfolipidi forma- una soluzione a base no doppi strati, acquosa tendono a acqua disponendosi con portarsi in superficie, teste polari le code le une disponendosi con le acqua contro le altre e code idrofobe verso le teste rivolte l’alto e con le teste acqua verso l’ambiente idrofile a contatto con doppio acquoso. il liquido. strato fosfolipidico acqua 25 nm 4. Gli steroidi sono lipidi molto diversi dai fosfolipidi e dagli acidi grassi. Negli steroidi, gli atomi di carbonio si legano a formare quattro anelli chiusi e uniti tra loro. Lo steroide più comune è il colesterolo, un componente essenziale della membrana cellulare. Inoltre, il colesterolo rappresenta la molecola di partenza nella sintesi di un gruppo di ormoni, detti ormoni steroidei. Le molecole biologiche: le proteine Dopo l’acqua, le proteine sono le sostanze più abbondanti nelle cellule e sono coinvolte nella maggior parte dei processi biologici che si svolgono in esse. Nell’organismo umano si trovano più di 10000 tipi di proteine diverse. Grazie alla loro varietà, le proteine svolgono molte funzioni, tra cui: – facilitano le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule (ruolo di enzimi), – regolano l’entrata e l’uscita di alcune sostanze dalle cellule (proteine di membrana), – servono come sostegno e sono coinvolte nel movimento cellulare (proteine struttu- rali). Alcune proteine formano strutture visibili a occhio nudo, come le ragnatele e i capelli. Le macromolecole proteiche sono formate da unità più piccole dette amminoacidi. Ogni molecola di amminoacido presenta due gruppi funzionali legati a un atomo di carbonio (C) centrale: il gruppo carbossilico (—COOH) e il gruppo amminico (—NH2). Il carbonio centrale è legato anche a un atomo di idrogeno (H) e a un gruppo di ato- mi (indicato genericamente con R), che differenzia i vari tipi di amminoacidi. Esistono solo 20 tipi di amminoacidi. Nelle cellule, gli amminoacidi formano lunghe catene mediante legami covalenti Gruppo tra il carbonio (C) del gruppo carbossilico amminico di una molecola e l’azoto (N) del gruppo H H amminico della molecola successiva. La se- N quenza degli amminoacidi in una proteina rappresenta la sua struttura primaria. O Gruppo Gruppo Una volta che la proteina è stata assem- ⫽ variabile R C C carbossilico blata, gli amminoacidi formano tra loro le- ⫺ O⫺H gami a idrogeno che determinano un ripie- H gamento della molecola. Idee per insegnare la biologia con Saraceni, Strumia OSSERVARE E CAPIRE LA VITA Edizione azzurra © Zanichelli 2011 6 UNITÀ 1. Le molecole della vita Tale configurazione tridimensionale, detta struttura secondaria, può essere: – a elica, tipica della proteine elastiche; – piana, con le catene di amminoacidi allineate in file parallele (questa struttura è detta a foglietto ripiegato ed è tipica di proteine lisce, soffici ma non elastiche). La struttura secondaria può ripiegarsi e determinare la complessa struttura terziaria di alcune proteine. Grazie a questi ripiegamenti, le proteine formano delle «nicchie» chiamate siti. Come la serratura di una porta che viene aperta da una sola chiave, il sito di una proteina è in grado di «accogliere» un unico tipo di molecola o di atomo. Si tratta di una proprietà fondamentale in molti processi biologici. Molte proteine sono formate da più catene di amminoacidi legate tra loro. L’insieme delle diverse catene rappresenta la loro struttura quaternaria. Dalla forma delle proteine dipende la funzione che esse svolgono. Catena ala di amminoacidi gly leu leu gly gly val val lys lys ala his lys lys lys gly ala Catena his di amminoacidi Struttura Struttura Struttura Struttura primaria secondaria terziaria quaternaria Le molecole biologiche: gli acidi nucleici Gli acidi nucleici sono molecole biologiche complesse presenti in diverse zone della cellula. Il termine «acido nucleico» deriva dal fatto che queste molecole sono state trova- te per la prima volta all’interno del nucleo. I principali acidi nucleici sono il DNA e l’RNA. La funzione del DNA (acido desossiribonucleico) è quella di contenere le informazio- ni necessarie alla produzione delle proteine e di trasmettere le informazioni ereditarie. Ogni molecola di DNA è costituita da due lunghi filamenti, disposti come una dop- pia elica. Ciascun filamento è formato da una catena di nucleotidi: monomeri che con- tengono un gruppo fosfato, uno zucchero a 5 atomi di carbonio (il deossiribosio) e una base azotata. Esistono quattro tipi di basi azotate, contenute nei nucleotidi del DNA: – adenina (A), – guanina (G), – citosina (C), – timina (T). Idee per insegnare la biologia con Saraceni, Strumia OSSERVARE E CAPIRE LA VITA Edizione azzurra © Zanichelli 2011 7 UNITÀ 1. Le molecole della vita I nucleotidi di ciascun filamento possono essere disposti in qualunque ordine e – dal momento che una molecola di DNA può contenere milioni di nucleotidi – la sequenza delle basi può presentarsi con un’enorme varietà. Il DNA possiede una struttura molto lunga e spiralizzata, detta a doppia elica. Le basi azotate si appaiano seguendo sempre lo stesso principio: – l’adenina (A) può appaiarsi soltanto con la timina (T), – la citosina (C) soltanto con la guanina (G). A T Per questo appaiamento caratteristico si dice che le basi azotate sono complementari. Per esempio, la sequenza di basi ACCG è sempre ap- paiata alla sequenza TGGC. G C A T C G base azotata C G fosfato zucchero T A C G A T I nucleotidi, uniti Le basi azotate si tra loro per mezzo di uniscono, sull’asse A T legami covalenti tra centrale dell’elica, i gruppi fosfato e le tramite legami a molecole di zucchero, idrogeno. G C costituiscono una catena (filamento). A T L’RNA (acido ribonucleico) è molto simile al DNA, dal momento che viene prodotto dalle cellule usando quest’ultimo come se fosse uno «stampo»; rispetto ad esso presenta delle differenze: per lo zucchero (il ribosio anziché il desossiribosio) che lo costituisce e per le basi azotate presenti. Nell’RNA infatti non si trova la timina (T), che è sostituita da un’altra base azotata: l’uracile (U). Come la timina, l’uracile si appaia solo con l’adenina (A). La maggior parte dell’RNA è formata da un singolo nucleo filamento (rispetto ai due filamenti del DNA). Come nel DNA i nucleotidi sono tenuti insieme da DNA legami covalenti. Esistono tre diversi tipi di RNA, che presentano del- trascrizione le forti differenze sia a livello strutturale sia per la loro funzione specifica: RNA – l’mRNA o RNA messaggero, – l’rRNA o RNA ribosomiale, – il tRNA o RNA di trasporto. traduzione I tre tipi di RNA funzionano come intermediari nei processi che, partendo dal DNA, portano alla pro- duzione delle proteine. Attraverso l’RNA, infatti, la proteina sequenza di basi del DNA viene «tradotta» in una se- quenza di amminoacidi, i monomeri che formano le proteine. citoplasma Idee per insegnare la biologia con Saraceni, Strumia OSSERVARE E CAPIRE LA VITA Edizione azzurra © Zanichelli 2011 8