Lic. Scientifico “A. Meucci” Le molecole della vita 1° parte Lic. Scientifico “A. Meucci” Aprilia Prof. Rolando Neri

Le molecole della vita Inorganici Acqua Sali minerali Composti chimici Idrocarburi Alcoli, aldeidi Molecole biologiche o biomolecole Glicidi Lipidi Proteine Acidi nucleici Vitamine

1. L’acqua e le sue proprietà La struttura delle molecole d’acqua. Ogni molecola di acqua ( H2O) è formata da 2 atomi di idrogeno (H) e 1 atomi di ossigeno (O), uniti tramite due legami di tipo covalente polare. All’interno della molecola (che nel suo complesso è neutra) la carica elettrica negativa si concentra attorno al nucleo dell’atomo di ossigeno (δ–), mentre dalla parte della coppia di nuclei di idrogeno si concentra la carica elettrica positiva (δ+).

1. L’acqua e le sue proprietà La polarità delle molecole d’acqua determina la formazione dei legami a idrogeno. Cioè, tra la parte negativa di una molecola d’acqua e la parte positiva di un’altra molecola si manifesta una debole forza di attrazione elettrostatica, detta legame a idrogeno o ponte idrogeno. Questo legame intermolecolare, molto più debole dei legami chimici, si stabilisce anche con qualsiasi altra sostanza polare.

1. L’acqua e le sue proprietà L’effetto visibile intorno alle foglie è dovuto alla tensione superficiale dell’acqua, che si basa sull’attrazione reciproca delle molecole d’acqua, ed è una conseguenza della formazione dei legami a idrogeno tra le molecole di acqua in superficie e quelle sottostanti Se tale attrazione avviene tra molecole della stessa sostanza viene detta coesione, altrimenti prende il nome di adesione.

1. L’acqua e le sue proprietà La capillarità è il risultato dell’azione combinata della coesione tra le molecole d’acqua e della loro adesione alla superficie del vetro. Le molecole polari sono attratte dalla superficie del vetro e trascinano con sé, per coesione, altre molecole d’acqua. Il fenomeno della capillarità permette la risalita dei liquidi nelle piante. Grazie alla capillarità le piante assorbono l’acqua con le radici e la trasferiscono a tutte le parti del fusto e delle foglie.

1. L’acqua e le sue proprietà A causa del suo elevato calore specifico (quantità di calore necessaria per elevare la temperatura di 1 g di sostanza di 1°C) , l’acqua del mare si riscalda e si raffredda più lentamente durante il giorno rispetto al terreno o alla roccia, determinando le brezze. Anche questa proprietà dell’acqua dipende dalla formazione dei legami a idrogeno, che tendono a limitare il movimento delle molecole. Per innalzare la temperatura dell’acqua, infatti, è necessario aumentare l’energia cinetica delle sue molecole, ma per poterlo fare bisogna prima rompere i legami a idrogeno tra esse.

1. L’acqua e le sue proprietà La minore densità del ghiaccio rispetto all’acqua liquida lo fa galleggiare e permette la vita nell’acqua sotto ad esso. Per via della forma tridimensionale delle sue molecole a 0°C ogni molecola d’acqua forma 4 legami a idrogeno con altrettante molecole, che sono costrette ad allontanarsi, e quindi aumenta il volume della stessa massa d’acqua, e ciò determina una diminuzione della densità. L’alto contenuto d’acqua presente nelle piante e negli animali terrestri contribuisce a mantenere piuttosto costante la loro temperatura interna. In genere, per questa foca e per gli altri esseri viventi, mantenere costante la temperatura è fondamentale, dal momento che le reazioni chimiche biologicamente importanti hanno luogo soltanto entro limiti ristretti di temperatura.

2. L’acqua come solvente Molte sostanze si sciolgono nell’acqua formando delle miscele omogenee, chiamate soluzioni. In queste soluzioni il componente più abbondante, che definiamo solvente, è l’acqua; le sostanze disciolte, presenti in minore quantità, sono dette soluti. Il rapporto tra la quantità di soluto e la quantità di soluzione è chiamato concentrazione. La concentrazione può essere espressa in percentuale di soluto rispetto alla soluzione, o in massa di soluto per volume di soluzione (in g/L), ma soprattutto in moli di soluto su litro di soluzione (Molarità): M = mol/L

2. L’acqua come solvente Le sostanze polari sono solubili in acqua e sono dette idrofile, le sostanze apolari sono insolubili in acqua e sono dette idrofobe. La solubilità in acqua dei composti dipende dalla loro struttura molecolare, come viene evidenziato nella figura.

3.1. Reazioni chimiche in soluzione La ionizzazione dell’acqua. L’acqua pura allo stato liquido ha una debolissima tendenza a ionizzarsi: un piccolo numero di molecole si scinde in ioni H+ (protoni) e OH– (ossidrili). Lo ione H+ è estremamente reattivo e tende a legarsi subito con un’altra molecola d’acqua. Si forma così lo ione H3O+ (idronio). La tendenza a ionizzarsi delle molecole d’acqua è bilanciata dalla tendenza degli ioni H3O+ e OH– a riassociarsi tra loro per formare molecole di H2O. Si crea, cioè, un equilibrio chimico dinamico: 2 H2O H3O+ + OH– Le due frecce indicano che la reazione procede in entrambe le direzioni.

3.2. Reazioni chimiche in soluzione Acido qualsiasi molecola o ione che possa donare un protone. Base qualsiasi molecola o ione che possa accettarlo. Il grado di acidità si misura tramite il pH, un parametro legato alla concentrazione in soluzione di ioni H3O+. Le sostanze acide hanno pH compreso tra 0 e 7; quelle basiche pH tra 7 e 14; quelle con pH circa 7 sono dette neutre. Nei liquidi organici vi sono sistemi chimici che servono a mantenere le variazioni di pH in un ristretto intervallo.

3.2. Reazioni chimiche in soluzione Un tipo di reazione chimica: l’ossidoriduzione Una reazione di ossidoriduzione (o reazione redox) è una reazione in cui una sostanza cede uno o più elettroni a un’altra sostanza: la riduzione è l’acquisto di uno o più elettroni da parte di un atomo, uno ione o una molecola l’ossidazione è la perdita di uno o più elettroni 13

3.2. Reazioni chimiche in soluzione Un tipo di reazione chimica: l’ossidoriduzione Nelle reazioni biochimiche spesso sono acquistati o ceduti atomi di idrogeno: lo spostamento di un atomo di idrogeno comporta sempre un trasferimento di elettroni: H = H+ + e- Una molecola che perde atomi di idrogeno si ossida, mentre una molecola che li acquista si riduce Ogni reazione redox comporta un trasferimento di energia

3.2. Reazioni chimiche in soluzione Un tipo di reazione chimica: l’ossidoriduzione In conclusione le reazioni redox sono reazioni accoppiate Nelle cellule le reazioni redox sono generalmente accompagnate da coenzimi che funzionano da trasportatori di elettroni e di atomi di idrogeno

4 - I composti organici Tutte le molecole organiche contengono atomi di carbonio (C) uniti ad altri atomi (di carbonio o di altro tipo) tramite legami covalenti. Ricordiamo che le proprietà di un elemento chimico dipendono dagli elettroni presenti nel livello energetico più esterno dei suoi atomi (il livello di valenza). Un atomo di carbonio ha 4 elettroni in un livello energetico che ne può contenere 8: quindi può formare 4 legami di tipo covalente con altri atomi. Proprio grazie a questa caratteristica gli atomi di carbonio possono formare nei composti organici catene molto lunghe che costituiscono lo scheletro carbonioso delle molecole organiche. Inoltre, nei composti organici è frequente che due o più sostanze siano costituite da molecole con la stessa formula grezza, ma diversa formula di struttura; in questo caso, le sostanze sono dette isomeri, e hanno proprietà chimiche e fisiche differenti. Non solo, all’aumentare del numero di atomi di carbonio della molecola organica aumenta anche il numero dei suoi possibili isomeri. Tutto ciò spiega perché il numero dei composti organici naturali e artificiali sia incredibilmente elevato. I composti organici più semplici sono gli idrocarburi (come il petrolio e il metano), costituiti soltanto da carbonio e idrogeno. Nonostante il loro grande interesse economico, queste sostanze non sono particolarmente importanti per i sistemi viventi. Tuttavia, quando uno o più atomi di carbonio sono sostituiti da atomi o gruppi di atomi diversi (i cosiddetti gruppi funzionali), allora la molecola assume delle proprietà chimiche e fisiche caratteristiche. Le diverse classi di composti organici e, quindi anche le macromolecole biologiche, sono caratterizzati da particolari gruppi funzionali.

LE MOLECOLE BIOLOGICHE O BIOMOLECOLE Costituiscono le strutture presenti negli organismi viventi

5. Le molecole biologiche: i carboidrati I composti organici contengono gruppi funzionali. Un’altra caratteristica tipica di questi composti è quella di essere, generalmente, molecole grosse e complesse (chiamate polimeri), formate dall’unione di molte molecole più piccole simili o identiche (dette monomeri). Come i vagoni di un treno, i monomeri si ripetono in successione, uniti da legami covalenti.

6. Glicidi o zuccheri o carboidrati Caratteristiche: Sono composti chimici costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno. Sono molto abbondanti in natura. Hanno sapore dolce. Funzioni: Strutturale: costituiscono strutture essenziali per gli organismi viventi (funzione di sostegno, soprattutto nei vegetali  cellulosa) Energetica: forniscono energia per svolgere tutte le funzioni dell'organismo Protezione: costituiscono l’esoscheletro degli invertebrati (chitina) Organismi autotrofi (Es. piante): sintetizzano zuccheri (glucosio) a partire da componenti inorganici quali acqua e CO2 mediante il processo di fotosintesi clorofilliana. Organismi eterotrofi (Es. animali): soddisfano il fabbisogno energetico nutrendosi di alimenti che contengono zuccheri. Ecco alcuni esempi: frutta e miele -> fruttosio; glucosio barbabietola da zucchero, zucchero di canna -> saccarosio latte e latticini -> lattosio cereali (pane, pasta, riso), tuberi (patate) e legumi -> amido carne e pesce -> glicogeno 19

6. I diversi tipi di glicidi Ribosio Desossiribosio Componenti degli acidi nucleici Monosaccaridi (formati da 1 molecola di zucchero) Glucosio  principale fonte di energia Fruttosio  si trova nella frutta Galattosio  si trova nel latte 6C Disaccaridi (formati da 2 molecole di zucchero) Glucosio + fruttosio  Saccarosio (comune zucchero da cucina) Glucosio + glucosio  Maltosio (deriva da digestione dell’amido) Glucosio + galattosio  Lattosio (in latte e latticini) Polisaccaridi (formati da più di 20 molecole di glucosio) Amido  riserva energetica nei vegetali (cereali, tuberi, legumi) si accumula in amiloplasti nella cellula vegetale si trova nei semi e nelle radici Glicogeno  riserva energetica negli animali si accumula in muscoli e fegato Cellulosa  funzione di sostegno nei vegetali si trova nella parete cellulare delle cellule vegetali può essere digerita solo dagli erbivori è il composto organico più abbondante sulla Terra 20

6. Le molecole biologiche: i carboidrati I carboidrati vengono classificati in base al numero di molecole che contengono. I carboidrati più semplici sono i monosaccaridi. Nella molecola dei monosaccaridi per ogni atomo di carbonio sono presenti due atomi di idrogeno. In soluzione acquosa i monosaccaridi presentano, oltre alla struttura a catena lineare, una struttura chiusa ad anello. Il glucosio ( 6C ), è la principale fonte di energia per gli esseri umani e gli altri vertebrati.

6. Come si formano i disaccaridi? Reazione di condensazione H2O Saccarosio O Glucosio OH Fruttosio HO Le molecole dei vari monosaccaridi possono unirsi tra loro per dare zuccheri con molecole più grandi, come il saccarosio ( lo zucchero che usiamo a tavola). Il saccarosio, la cui molecola è formata da due unità diverse (una molecola di glucosio e una di fruttosio), è un disaccaride. 22

6. Come si formano i disaccaridi? I due schemi rappresentano la formazione del maltosio, presente nei cereali, e del lattosio, lo zucchero presente nel latte. Reazione di condensazione H2O Maltosio O Glucosio OH Glucosio HO Reazione di condensazione H2O Lattosio O Glucosio OH Galattosio HO

6. Le molecole biologiche: i carboidrati I monosaccaridi si uniscono a formare i carboidrati più complessi ( detti polisaccaridi) tramite reazioni di condensazione ripetute.

6. I polisaccaridi di interesse biologico Alcuni polisaccaridi funzionano come riserve di zuccheri per gli animali (amidi nelle piante, glicogeno negli animali), altri hanno una funzione strutturale (cellulosa). Granuli di amido in cellule di tubero di patata Granuli di glicogeno nel tessuto muscolare Fibre di cellulosa nella parete di una cellula vegetale Monomeri di glucosio Molecole di cellulosa Amido Glicogeno Cellulosa 25