Biofisica L’ACQUA…la molecola della vita. Biofisica Sembra semplice l’acqua... Dal punto di vista chimico l’acqua è un composto di idrogeno ed ossigeno.

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1 Biofisica L’ACQUA…la molecola della vita

2 Biofisica Sembra semplice l’acqua... Dal punto di vista chimico l’acqua è un composto di idrogeno ed ossigeno La sua molecola consiste di due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno

3 Biofisica Il 15 Gennaio 1784 il chimico Henry Cavendish tenne la sua conferenza pubblica alla Royal Society a Londra. Egli miscelò in un pallone di vetro dalle pareti ben spesse i due gas Ossigeno ed Idrogeno rispettivamente nel rapporto in volume di uno a due. Nel pallone erano stati introdotti due fili elettrici e, nello stupore dei presenti, egli fece scoccare una scintilla all’interno del pallone (tale strumento è detto "eudiometro") e immediatamente dopo l’esplosione dei gas, sulle pareti di vetro, si formarono delle gocce di acqua.

4 Biofisica Nel 1800 lo scrittore di scienza inglese William Nicholson, dopo aver letto la descrizione della pila di Alessandro Volta, ne costruì una e fece passare la corrente dei due poli della pila in un recipiente di acqua utilizzando due elettrodi di Platino. Vide svolgersi delle bollicine di gas che raccolse in due cilindri rovesciati nell’acqua. Nei cilindri, posti sopra gli elettrodi, trovò i due gas Idrogeno ed Ossigeno i quali stavano tra loro nei rapporti di volume relativi di due ad uno. Aveva ottenuto l’elettrolisi dell’acqua (dal greco Lysis – rompere), aveva dimostrato che che l’acqua era composta dei due gas, Idrogeno ed Ossigeno e che la formula chimica dell’acqua era H 2 O.

5 Biofisica Nel “range” delle Temperature ordinarie sulla Terra (-40°C - +40°C ) Idrogeno e Ossigeno......sono dei gas                                                                                                                                    

6 Biofisica …ma se si legano danno origine ad un liquido raffreddando il quale si ottiene un solido

7 Biofisica Diagramma di fase per l’acqua

8 Biofisica

9 T=100°C T  10000°C

10 Biofisica...ma non lo è Sono state elencate almeno 37 anomalie dell’acqua, cioè comportamenti anomali che l’acqua ha rispetto ad altri composti chimicamente simili: alto punto di fusione alto punto di ebollizione alto punto critico alta tensione superficiale alta viscosità si contrae quando fonde la sua densità aumenta all’aumentare della temperatura (fino a 3.984°C) bassa compressibilità alto calore specifico ecc…ecc………………. sembra semplice l’acqua

11 Biofisica... e molte di queste proprietà la rendono UNICA per la vita sul nostro pianeta L’alta capacità termica contribuisce alla regolazione termica degli organismi viventi

12 Biofisica L’elevato calore latente di evaporazione impedisce la disidratazione e il raffreddamento

13 Biofisica L’alta costante dielettrica la rende il solvente generale di tutti i componenti più o meno solubili dell’organismo: ciò rende possibile l’assunzione dei materiali nutritivi l’eliminazione dei prodotti di rifiuto

14 Biofisica Il valore massimo della densità a 4°C e la bassa densità del ghiaccio fanno sì che tutta la massa d’acqua debba essere a 0°C per congelare   Kg/m 3 Temperatura °C

15 Biofisica  il congelamento di fiumi, laghi e oceani comincia dalla superficie  l’acqua sotto allo strato di ghiaccio è isolata dal congelamento e in essa... la vita continua!

16 Biofisica Le proprietà fisiche e chimiche dell’acqua sono straordinariamente complicate e non ancora completamente note e capite

17 Biofisica causa primaria di tutte le forme di vita sulla terra Albert Szent-Gyorgyi (premio Nobel per la Medicina nel 1937) descrisse l’acqua

18 Biofisica Ricopre il 70% della superficie del nostro pianeta

19 Biofisica Costituisce il 70% del nostro corpo il corpo di una persona adulta di 70Kg contiene 5Kg di Idrogeno che viene dal BIG BANG 35Kg di Ossigeno fabbricato in stelle delle passate generazioni e riciclato in nebulose, nuove stelle, pianeti...

20 Biofisica …fa parte di noi e fluisce attraverso di noi

21 Biofisica Quattro miliardi di anni fa sul nostro pianeta “le acque si separarono dai continenti” e le prime forme di vita ebbero origine nell’acqua.

22 Biofisica Quali meccanismi hanno sviluppato gli organismi viventi per utilizzare l’acqua in un ambiente di idrocarburi?

23 Biofisica La vita sulla terra si è sviluppata sulla base della chimica del carbonio metanocomposti azotati acqua anidride carbonica

24 Biofisica la sequenza degli eventi base dello “stato vivente” autoorganizzazioneevoluzioneautocatalisiriproduzione

25 Biofisica un codice genetico un set di amminoacidi di specifica chiralità I sistemi viventi hanno messo a punto DNA Ala L-

26 Biofisica Come l’acqua ha contribuito e contribuisce all’architettura e al funzionamento dei sistemi viventi ?

27 Biofisica In ambiente cellulare l’acqua gioca un ruolo così attivo, diversificato e flessibile da poter essere considerata una molecola “biofilica” se non, addirittura, una vera e propria BIOMOLECOLA

28 Biofisica La molecola dell'acqua ha due coppie di elettroni di legame e due “lone pair” L’acqua è una molecola polare

29 Biofisica La differenza dei valori di elettronegatività tra gli atomi di H e di O (2,1 contro 3,5) fa sì che la nube elettronica costituita dagli elettroni di legame sia più "spostata” sull'atomo di O (parzialmente negativo) piuttosto che su quelli di H (parzialmente positivi).  = 1.8 D

30 Biofisica Per questa proprietà l’acqua partecipa ad un gran numero di interazioni, tutte importanti dal punto di vista biologico: carica-dipolo solvatazione degli ioni dipolo-dipolo solvatazione delle molecole polari van der Waals interazione tra dipoli temporaneamente fluttuanti

31 Biofisica ma, soprattutto, è in grado di legarsi per mezzo del LEGAME IDROGENO

32 Biofisica legame idrogeno caso particolare di interazione dipolare che coinvolge molecole aventi un atomo H legato ad un atomo elettronegativo (nelle biomolecole N o O ) l'atomo d'idrogeno (fortemente polarizzato positivamente) è attratto dall'ossigeno della molecola adiacente (fortemente polarizzato negativamente)

33 Biofisica  forte energia di legame Il legame idrogeno  breve distanza O-H  parziale carattere covalente  direzionale donore accettore alto punto di ebollizione Alta tensione elevata tensione superficiale 1.8 Å

34 Biofisica

35 Il ghiaccio: un cristallo a legami idrogeno

36 Biofisica Il reticolo a legami idrogeno fluttuanti persiste anche nell’acqua liquida

37 Biofisica Un soluto polare tende a legare le molecole d’acqua che lo circondano con legami a idrogeno

38 Biofisica L’acqua favorisce anche l’interazione di molecole non-polari in soluzione acquosa EFFETTO IDROFOBICO

39 Biofisica interazione idrofobica non si tratta realmente di un tipo di legame, ma di una interazione fra l’acqua e una molecola apolare, modulata da variazioni di entropia Le molecole d’acqua che circondano molecole apolari formano uno stretto reticolo di molecole connesse da ponti H, in cui moti e orientazioni sono fortemente limitati

40 Biofisica  S<0 Le molecole d’acqua si dispongono attorno alla molecola apolare, racchiudendola in una “gabbia” detta clatrato. L’elevato ordine molecolare che si genera è tale che la dissoluzione di una molecola apolare in acqua si realizza con una riduzione di entropia

41 Biofisica Dal punto di vista termodinamico un processo avviene spontaneamente se porta ad una diminuzione della funzione Energia Libera di Gibbs G PROCESSO SPONTANEO  G =  H-T  S < 0

42 Biofisica Nel caso di un soluto idrofobico  H=0 T resta costante  S<0 l’ordine aumenta  G =  H-T  S > 0 a T ordinarie la dissoluzione di una molecola apolare in acqua non è un processo termodinamicamente favorito

43 Biofisica Ciò si traduce nella tendenza che le molecole apolari mostrano di unirsi tra di loro escludendo l’acqua... i H2OH2O

44 Biofisica Legame H e interazioni idrofobiche sono i due effetti principali che determinano la struttura delle biomolecole che si trovano nelle cellule

45 Biofisica lipidi proteine acidi nucleici carboidrati

46 Biofisica Le molecole biologiche possono essere classificate in base alla loro affinità per l’acqua IDROFILE che “amano” l’interazione con l’acqua IDROFOBICHE che “fuggono” l’interazione con l’acqua ANFIFILICHE

47 Biofisica

48 gruppi polari e carichi gruppi apolari I gruppi polari e carichi tendono ad affacciarsi al solvente, quelli apolari lo sfuggono e si rivolgono verso l’interno della macromolecola

49 Biofisica FOLDING -A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

50 Biofisica Architettura delle <<<<<<<<<<<<< <<<<<<<<<<<<< <<<<<<<<<<<<< <<<<<<<<<<<<< <<<<<<<<<<<<< <<<<<<<<  -elica  -sheet

51 Biofisica struttura alla quale corrisponde la funzionalità

52 Biofisica Nel processo di protein folding l’acqua gioca un ruolo di primaria importanza architettura delle proteine stabilità conformazionale proprietà funzionali

53 Biofisica lisozima

54 Biofisica H2OH2O Le molecole d’acqua inglobate all’interno della struttura della proteina sono parte integrante della struttura proteica: esse contribuiscono all’architettura

55 Biofisica lisozima

56 Biofisica lisozima H2OH2O L’acqua coordinata alla superficie della proteina è importante per la stabilità strutturale

57 Biofisica E’ facile capire che le molecole d’acqua legate alla proteina, sia interne sia superficiali, hanno proprietà fisiche molto diverse da quelle libere, cioè da quelle che costituiscono il solvente, dette acqua di “bulk”    

58 Biofisica acqua legata acqua di bulk

59 Biofisica …in cosa si differenziano le molecole di acqua legata da quelle del bulk? numero medio di ponti idrogeno tempi di residenza energia di riorientazione

60 Biofisica Molte tecniche fisiche permettono di “monitorare” lo stato dell’ acqua legata alle macromolecole biologiche. Esse si basano sulle speciali proprietà chimico-fisiche delle molecole d’acqua che, in tal modo, vengono usate come sonda per studiare le macromolecole alle quali sono coordinate

61 Biofisica NMR scattering neutronico diffrazione dei raggi X spettroscopie dielettriche spettroscopie ottiche

62 Biofisica Spettroscopia di assorbimento IR (InfraRosso)

63 Biofisica Spettro di assorbimento dell’acqua

64 Biofisica Le molecole d’acqua trasformano l’energia della radiazione infrarossa in vibrazioni

65 Biofisica registrando le quali...

66 Biofisica absorbance wavenumber (cm -1 ) H 2 O vapore 4000 3000 wavenumber (cm -1 ) absorbance H 2 O liquida H 2 O di idratazione (lisozima)

67 Biofisica in soluzione acquosa liofilizzata BPTI Bovine Pancreatic Trypsin Inhibitor

68 Biofisica LIPASI secco 10% 20% 30% È sufficiente un’idratazione pari al 30% (w/w) perché la proteina acquisisca attività biologica

69 Biofisica

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71 http://it.wikipedia.org/wiki/Acqua http://www.lsbu.ac.uk/water/ http://biology.clc.uc.edu/courses/ bio104/atom-h2o.htm http://alms.biology.ualberta.ca/ Pages-Other/OdeToH20.htm