Biofisica fisica24ore LACQUA…la sorgente della vita.

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1 Biofisica fisica24ore LACQUA…la sorgente della vita

2 Biofisica fisica24ore Sembra semplice lacqua... Dal punto di vista chimico lacqua è un composto di idrogeno ed ossigeno La sua molecola consiste di due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno

3 Biofisica fisica24ore …ma non lo è Sono state elencate almeno 37 anomalie dellacqua, cioè comportamenti anomali che lacqua 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 allaumentare della temperatura (fino a 3.984°C) bassa compressibilità alto calore specifico …ecc…ecc……………….

4 Biofisica fisica24ore Le proprietà fisiche e chimiche dellacqua sono straordinariamente complicate e non ancora completamente note e capite

5 Biofisica fisica24ore Nel range delle Temperature ordinarie sulla Terra (-40°C - +40°C ) Idrogeno e Ossigeno......sono dei gas

6 Biofisica fisica24ore …ma se si legano danno origine ad un liquido raffreddando il quale si ottiene un solido

7 Biofisica fisica24ore Diagramma di fase per lacqua

8 Biofisica fisica24ore T=100°C T 10000°C

9 Biofisica fisica24ore Lacqua è causa primaria di tutte le forme di vita sulla terra

10 Biofisica fisica24ore Quali meccanismi hanno sviluppato gli organismi viventi per utilizzare lacqua in un ambiente di idrocarburi?

11 Biofisica fisica24ore Quattro miliardi di anni fa sul nostro pianeta le acque si separarono dai continenti e le prime forme di vita ebbero origine nellacqua.

12 Biofisica fisica24ore La vita sulla terra si è sviluppata sulla base della chimica del carbonio metanocomposti azotati acqua anidride carbonica

13 Biofisica fisica24ore la sequenza degli eventi base dello stato vivente autoorganizzazioneevoluzioneautocatalisiriproduzione

14 Biofisica fisica24ore un codice genetico un set di amminoacidi di specifica chiralità I sistemi viventi hanno messo a punto Ala DNA

15 Biofisica fisica24ore Come lacqua ha contribuito e contribuisce allarchitettura e al funzionamento dei sistemi viventi ?

16 Biofisica fisica24ore lipidi proteine acidi nucleici

17 Biofisica fisica24ore Lacqua gioca un ruolo funzionale di fondamentale importanza nei processi che coinvolgono biomolecole: architettura delle proteine stabilità conformazionale protein folding catalisi enzimatica binding selettività di interazioni specifiche

18 Biofisica fisica24ore Il processo di folding delle proteine

19 Biofisica fisica24ore La molecola dell'acqua ha due coppie di elettroni di legame e due lone pair. Lacqua è una molecola polare

20 Biofisica fisica24ore 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

21 Biofisica fisica24ore Per questa proprietà lacqua 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 determina la distanza tra molecole non interagenti con altre forze più intense

22 Biofisica fisica24ore 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)

23 Biofisica fisica24ore

24 Biofisica fisica24ore interazioni idrofobiche non si tratta realmente di un tipo di forza, ma di una interazione fra lacqua e una molecola apolare, modulata da variazioni di entropia Le molecole dacqua che circondano molecole apolari formano uno stretto reticolo di molecole connesse da ponti H, in cui moti e orientazioni sono fortemente limitati S<0

25 Biofisica fisica24ore Linterazione si traduce nella tendenza che queste molecole apolari mostrano di unirsi tra di loro escludendo lacqua... i H2OH2O

26 Biofisica fisica24ore Legame H e interazioni idrofobiche sono i due effetti principali che determinano la struttura delle biomolecole

27 Biofisica fisica24ore Interazioni che determinano la struttura delle biomolecole

28 Biofisica fisica24ore lisozima H2OH2O

29 Biofisica fisica24ore Molte tecniche fisiche permettono di monitorare lo stato dellacqua legata alle macromolecole biologiche. Esse si basano sulle speciali proprietà chimico-fisiche delle molecole dacqua che, in tal modo, vengono usate come sonda per studiare le macromolecole alle quali sono coordinate

30 Biofisica fisica24ore NMR scattering neutronico diffrazione dei raggi X spettroscopie dielettriche spettroscopie ottiche

31 Biofisica fisica24ore FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy

32 Biofisica fisica24ore

33 Biofisica fisica24ore Spettro di assorbimento dellacqua

34 Biofisica fisica24ore Le molecole dacqua trasformano lenergia della radiazione infrarossa in vibrazioni

35 Biofisica fisica24ore registrando le quali...

36 Biofisica fisica24ore proteine: linterazione idrofobica guida la creazione del core dove le catene aminoacidiche apolari risultano racchiuse; i legami H interni e con lambiente esterno determinano la struttura. ribonucleasi

37 Biofisica fisica24ore DNA: le interazioni idrofobiche guidano la formazione della doppia elica, con le basi aromatiche allinterno e lo scheletro zucchero- fosfato, polare/carico, esposto allacqua; i legami H determinano le interazioni tra le basi e quelle tra lo scheletro zucchero- fosfato e lambiente esterno

38 Biofisica fisica24ore Membrane: le interazioni idrofobiche creano il bilayer lipidico modello di membrana cellulare

39 Biofisica fisica24ore Soltanto mezzo miliardo di anni fa la vita uscì dagli oceani e incominciò a conquistare la terraferma... …prima le piante e gli anfibi poi i rettili, gli uccelli, i mammiferi e infine luomo

40 Biofisica fisica24ore vegetali

41 Biofisica fisica24ore acqua aria sali minerali danno cibo agli erbivori nutrono i carnivori riducono tutto in…. alghe funghi batteri rifiuti organici

42 Biofisica fisica24ore Le piante, tramite la clorofilla, sanno utilizzare lenergia del sole

43 Biofisica fisica24ore La luce del Sole ha esattamente lenergia necessaria per spezzare una molecola dacqua rendendo possibile la formazione degli zuccheri che sono la fonte di energia di ogni creatura vivente FOTOSINTESI H 2 O + CO 2 = zuccheri + ossigeno

44 Biofisica fisica24ore La vita sulla Terra si regge sulla fotosintesi e quindi sullacqua