lezione 1 elementi, composti e legami · 1.5 la diversità delle molecole che caratterizzano ......
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▪ Nell’acqua, l’ossigeno acquista una parziale carica negativa, mentre gli atomi di idrogeno acquistano una parziale carica positiva – L’acqua è dunque una molecola polare, ha cioè una ineguale
distribuzione delle cariche
1.4 Le particolari proprietà dell’acqua favoriscono la vita
esplorando
(–) (–)
O
HH
(+) (+)
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▪ Alcuni legami chimici sono più deboli di quelli covalenti
▪ Quando è parte di un legame covalente polare, un atomo di idrogeno può interagire con atomi elettronegativi – Per esempio ossigeno e azoto
▪ Si forma in questo modo un legame idrogeno – Una molecola di acqua forma legami idrogeno con le
molecole d’acqua adiacenti
esplorando
1.4 Le particolari proprietà dell’acqua favoriscono la vita
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1.4 Le particolari proprietà dell’acqua favoriscono la vita
▪ La tendenza delle molecole di una sostanza a restare unite tra loro è detta coesione – Grazie ai legami idrogeno nell’acqua la coesione è molto
più forte che nella maggior parte degli altri liquidi – Questa caratteristica è assai importante per gli esseri
viventi – Le piante dipendono dalle forze di coesione per il trasporto
dell’acqua e delle sostanze nutritive
esplorando
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▪ Una forza connessa alla coesione è la tensione superficiale, una misura della resistenza alla deformazione della superficie di un liquido – I legami idrogeno conferiscono all’acqua una tensione
superficiale insolitamente alta
1.4 Le particolari proprietà dell’acqua favoriscono la vita
esplorando
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1.4 Le particolari proprietà dell’acqua favoriscono la vita
▪ Grazie ai suoi legami idrogeno, l’acqua ha una elevata resistenza alle variazioni di temperatura – Il calore è l’energia associata al movimento degli atomi
e delle molecole nella materia – La temperatura misura la velocità media degli atomi e
delle molecole
▪ Nel caso dell’acqua, parte dell’energia assorbita serve per spezzare i legami idrogeno
esplorando
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1.4 Le particolari proprietà dell’acqua favoriscono la vita
▪ L’acqua esiste in natura allo stato gassoso, liquido e solido – Quando si trova allo stato solido l’acqua è meno densa di
quando è allo stato liquido: questo è dovuto ai legami idrogeno
esplorando
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▪ Quando l’acqua ghiaccia, ogni molecola forma legami idrogeno stabili con quattro molecole vicine – Si crea un reticolo tridimensionale – Le molecole sono poste a distanza regolare
▪ Il ghiaccio è meno denso dell’acqua e quindi galleggia
1.4 Le particolari proprietà dell’acqua favoriscono la vita
esplorando
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Acqua allo stato liquido I legami idrogeno si spezzano
e si riformano in continuazione
Ghiaccio I legami idrogeno
sono stabili
Legami idrogeno
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▪ L’acqua è un ottimo solvente grazie alla polarità delle sue molecole
▪ Questa proprietà è fondamentale per la vita – Il sale da tavola si scioglie facilmente in acqua
– Gli ioni sodio e cloro e le molecole d’acqua si attraggono reciprocamente grazie al fatto che possiedono cariche opposte
1.4 Le particolari proprietà dell’acqua favoriscono la vita
esplorando
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1.5 La diversità delle molecole che caratterizzano la vita si fonda sulle proprietà del carbonio
▪ Quasi tutte le molecole sintetizzate dalle cellule sono composte da atomi di carbonio legati tra loro e con atomi di altri elementi – Queste molecole a base di carbonio sono chiamate
composti organici – Un atomo di carbonio può formare fino a quattro legami – In questo modo può formare ramificazioni in quattro
direzioni
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▪ Il metano (CH4) è una delle molecole organiche più semplici – Quattro atomi di idrogeno sono legati a un atomo di
carbonio mediante quattro legami covalenti – Ognuno dei quattro trattini nella formula di struttura
rappresenta una coppia di elettroni condivisa
1.5 La diversità delle molecole che caratterizzano la vita si fonda sulle proprietà del carbonio
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Formula di struttura
Modello a sferee bastoncini
modello molecolare
Metano
I quattro legami del carbonio puntano verso i verticidi un immaginario tetraedro
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▪ La catena di atomi di carbonio in una molecola organica è chiamata scheletro carbonioso – Gli scheletri carboniosi possono essere lineari oppure
ramificati – Composti con la stessa formula molecolare, ma con
struttura diversa sono chiamati isomeri
1.5 La diversità delle molecole che caratterizzano la vita si fonda sulle proprietà del carbonio
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1.7 Le cellule sintetizzano grandi molecole a partire da un numero limitato di molecole più piccole
▪ Le grandi molecole biologiche si dividono in quattro classi principali – Carboidrati – Lipidi – Proteine – Acidi nucleici
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▪ Date le notevoli dimensioni, queste molecole sono indicate dai biologi come macromolecole
▪ Le cellule sintetizzano la maggior parte delle macromolecole unendo molecole più piccole in catene chiamate polimeri
▪ Le unità che costituiscono i polimeri sono chiamate monomeri
1.7 Le cellule sintetizzano grandi molecole a partire da un numero limitato di molecole più piccole
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▪ La cellula sintetizza una grande varietà di polimeri partendo da un numero ridotto di monomeri – Le proteine sono costruite utilizzando solo venti
amminoacidi diversi, mentre per il DNA bastano quattro basi azotate
▪ I monomeri utilizzati dalle cellule sono comunia tutti gli organismi
1.7 Le cellule sintetizzano grandi molecole a partire da un numero limitato di molecole più piccole
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▪ Le cellule uniscono i monomeri per “costruire” i polimeri mediante reazioni di condensazione (o disidratazione)
▪ Per demolire i polimeri, le cellule compiono una reazione di idrolisi
▪ Queste reazioni necessitano dell’aiuto di enzimi, proteine specializzate che accelerano le reazioni chimiche cellulari
1.7 Le cellule sintetizzano grandi molecole a partire da un numero limitato di molecole più piccole
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1.8 I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici
▪ I carboidrati sono una classe di molecole di dimensioni molto varie – Dalle piccole molecole dello zucchero sciolto nelle bibite… – … alle grandi molecole di amido, un polisaccaride
presente nella pasta e nelle patate
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▪ In genere la formula molecolare di un monosaccaride è un multiplo della semplice formula CH2O
▪ Diversi monosaccaridi differiscono solo nella disposizione degli atomi (sono isomeri) – Differenze apparentemente trascurabili come queste
conferiscono agli isomeri proprietà diverse
▪ I monosaccaridi, in particolare il glucosio, sono il principale combustibile chimico della cellula
1.8 I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici
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1.9 Le cellule formano i disaccaridi unendo due monosaccaridi
▪ La cellula sintetizza i disaccaridi a partire da due monosaccaridi con una reazione di condensazione – Il disaccaride più comune è il saccarosio, costituito da
glucosio e fruttosio
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1.9 Le cellule formano i disaccaridi unendo due monosaccaridi
Check
Il lattosio, il disaccaride del latte, è costituito da glucosio e galattosio. La formula di entrambi questi monosaccaridi è C6H12O6
– Qual è la formula molecolare del lattosio?
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I dolcificanti contenuti nei prodotti industriali possono portare all’obesità?
▪ Dall’idrolisi dell’amido si ottiene glucosio, che in parte può essere convertito in fruttosio per ottenere un dolcificante più gustoso del solo glucosio
▪ Questo dolcificante, conosciuto come sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio (high-fructose corn syrup o HFCS), è contenuto in molti prodotti industriali – Sembra che l’incidenza di diabete di tipo 2 e di malattie croniche
associate all’aumento di peso sia cresciuta quando è aumentato il consumo di HFSC
– Secondo gli scienziati un eccessivo consumo di dolcificanti e grassi insieme a una ridotta attività fisica favoriscono l’aumento di peso
COLLEGAMENTO salute
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1.10 I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi
▪ I polisaccaridi sono polimeri di monosaccaridi – Sono usati dagli organismi come depositi di energia
o come composti strutturali
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▪ Amido: polisaccaride di riserva energetica nelle piante; è costituito da monomeri di glucosio
▪ Glicogeno: polisaccaride di riserva energetica degli animali; è costituito da monomeri di glucosio
▪ Cellulosa: è il polimero di glucosio con cui sono costituite le pareti cellulare nelle piante
▪ Chitina: è un polisaccaride con cui insetti e crostacei costruiscono il proprio esoscheletro
1.10 I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi
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▪ Quasi tutti i carboidrati sono idrofili a causa dei numerosi gruppi ossidrilici presenti nei monomeri da cui sono formati
1.10 I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi
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Granuli di amido in cellule di patata
Granuli di glicogeno nel tessuto muscolare
Fibrille di cellulosa nella paretedi una cellula vegetale
Molecoledi cellulosa
Monomero di glucosio
GLICOGENO
CELLULOSA
Legami idrogeno
AMIDO
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Fibrille di cellulosa nella paretedi una cellula vegetale
Molecoledi cellulosa
CELLULOSA
Legami idrogeno
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Check
Amido e cellulosa sono due polisaccaridi di origine vegetale; quali sono le somiglianze e le differenze tra i due?
1.10 I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi
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1.11 I grassi sono lipidi impiegati principalmente per immagazzinare energia
▪ I lipidi sono composti idrofobi (“temono l’acqua”) importanti per immagazzinare energia – Contengono il doppio di energia di un polisaccaride
▪ I grassi (trigliceridi) sono lipidi costituiti da glicerolo e acidi grassi
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▪ Gli acidi grassi si legano al glicerolo per condensazione formando i trigliceridi – Un trigliceride contiene una molecola di glicerolo legata a
tre acidi grassi
1.11 I grassi sono lipidi impiegati principalmente per immagazzinare energia
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▪ Alcuni acidi grassi contengono doppi legami – Per questo si formano pieghe nella catena carboniosa – Sono detti insaturi perché hanno un numero di atomi di
idrogeno inferiore agli acidi grassi privi di doppi legami (saturi)
– Le pieghe degli acidi grassi insaturi impediscono alle molecole di compattarsi e di solidificare a temperatura ambiente
1.11 I grassi sono lipidi impiegati principalmente per immagazzinare energia
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Check
Che cosa sono i grassi?
1.11 I grassi sono lipidi impiegati principalmente per immagazzinare energia
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1.12 I fosfolipidi e gli steroidi svolgono funzioni fondamentali nelle cellule
▪ I fosfolipidi sono strutturalmente simili ai trigliceridi e sono componenti fondamentali della cellula – Sono i costituenti principali della membrana cellulare,
formata da un doppio strato di fosfolipidi – Le “teste” idrofile, costituite dal gruppo fosfato sono rivolte
verso l’ambiente acquoso interno ed esterno – Le “code” idrofobe, costituite dagli acidi grassi, sono
raggruppate nel mezzo
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▪ Gli steroidi sono lipidi il cui scheletro carbonioso è costituito da quattro anelli uniti tra loro – Il colesterolo è un importante steroide presente
nelle membrane delle cellule animali – È anche il materiale di partenza per sintetizzare
altri steroidi, tra cui gli ormoni sessuali
1.12 I fosfolipidi e gli steroidi svolgono funzioni fondamentali nelle cellule
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Gli steroidi anabolizzanti sono pericolosi?
▪ Gli steroidi anabolizzanti sono varianti sintetiche del testosterone, che determinano uno sviluppo della muscolatura e delle ossa – Possono essere utilizzati a fini terapeutici – In ambito sportivo sono sfruttati (illegalmente) per
potenziare le prestazioni, ponendo gli atleti in serio pericolo
COLLEGAMENTO salute
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1.13 Le proteine svolgono un ruolo fondamentale in molte strutture e funzioni cellulari
▪ Una proteina è un polimero costituito da monomeri chiamati amminoacidi – Ogni proteina ha una struttura tridimensionale unica che
corrisponde a una specifica funzione
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1.13 Le proteine svolgono un ruolo fondamentale in molte strutture e funzioni cellulari
▪ Gli enzimi sono proteine che agiscono da catalizzatori nella cellula
▪ Le proteine strutturali si trovano nei peli dei mammiferi e nelle fibre di tessuti connettivi come i tendini e i legamenti
▪ Le proteine contrattili come l’actina e la miosina si trovano nei muscoli
▪ Le proteine di difesa, come gli anticorpi, contribuiscono a combattere le infezioni
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▪ Le proteine regolatrici (o proteine-segnale) sono ormoni e altri messaggeri che contribuiscono a coordinare le attività dell’organismo
▪ Le proteine-recettore si trovano all’interno delle membrane cellulari e favoriscono il riconoscimento di particolari molecole
▪ Le proteine di trasporto spostano le sostanze nel corpo
1.13 Le proteine svolgono un ruolo fondamentale in molte strutture e funzioni cellulari
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1.14 Le proteine sono costituite da amminoacidi legati mediante legami peptidici
▪ Tutti gli amminoacidi contengono un gruppo amminico e un gruppo carbossilico – Questi sono uniti da un legame covalente a un atomo di
carbonio centrale, chiamato carbonio alfa – Al carbonio alfa sono legati anche un atomo di idrogeno
e il gruppo R, o catena laterale
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▪ Gli amminoacidi possono essere divisi in idrofili e idrofobi – Quelli con un gruppo R polare sono idrofili – Quelli con un gruppo R apolare sono idrofobi
1.14 Le proteine sono costituite da amminoacidi legati mediante legami peptidici
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▪ Gli amminoacidi (monomeri) sono uniti per formare le catene polipetidiche (polimeri) – Ciò avviene tramite una reazione di disidratazione
guidata da un enzima – Il gruppo carbossilico di un amminoacido si lega al
gruppo amminico di quello successivo, liberando una molecola di acqua
– Il legame covalente risultante si chiama legame peptidico
1.14 Le proteine sono costituite da amminoacidi legati mediante legami peptidici
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Legame peptidico
Dipeptide
Reazionedi disidratazione
Gruppo carbossilico
Amminoacido
Gruppo amminico
Amminoacido
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1.15 Nelle proteine si distinguono quattro livelli strutturali
▪ Una proteina può avere quattro livelli di struttura – Struttura primaria – Struttura secondaria – Struttura terziaria – Struttura quaternaria
esplorando
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▪ La struttura primaria di una proteina è rappresentata dalla sequenza di amminoacidi – La corretta sequenza è precisamente definita dal
patrimonio genetico della cellula – Anche un leggero cambiamento nella struttura primaria
della proteina può avere effetti sulla forma complessiva della molecola e sulla sua funzione
1.15 Nelle proteine si distinguono quattro livelli strutturali
esplorando
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▪ La struttura secondaria di una proteina è rappresentata dall’avvolgimento o dal ripiegamento di parti del polipeptide – L’avvolgimento a elica della catena polipeptidica
determina la formazione di alfa eliche – Un particolare tipo di ripiegamento porta invece
al foglietto ripiegato (o foglietto beta) – Queste strutture si formano grazie a legami idrogeno
che si formano a intervalli regolari lungo la catena polipeptidica
1.15 Nelle proteine si distinguono quattro livelli strutturali
esplorando
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Le ghiandole addominalidel ragno producono le fibre della ragnatela, costituite da una proteina fibrosa ricca di foglietti beta
Le fibre radiali, rigide, contribuiscono a fissare la forma della ragnatela
Le fibre concentriche, usate per catturare le prede, sono elastiche e conferiscono resistenza a vento, pioggia, aggressioni
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▪ La struttura terziaria è la forma tridimensionale complessiva assunta da un polipeptide – Solitamente la struttura terziaria di un polipeptide deriva
dalle interazioni tra i gruppi R dei suoi amminoacidi – La forma di una proteina può essere ulteriormente
stabilizzata da legami covalenti chiamati ponti disolfuro
1.15 Nelle proteine si distinguono quattro livelli strutturali
esplorando
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▪ Molte proteine sono costituite da due o più polipeptidi (subunità) che, associandosi, costituiscono una struttura quaternaria – Il collagene è una proteina fibrosa con subunità elicoidali
avvolte a formare una tripla elica più spessa
– Questa struttura quaternaria conferisce alle fibre di collagene una grande resistenza alla trazione
1.15 Nelle proteine si distinguono quattro livelli strutturali
esplorando
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Amminoacidi
Struttura primaria
Alfa elica
Legame idrogeno
Struttura secondaria
Foglietto beta
Polipeptide(singola subunitàdi transtiretina)
Struttura terziaria
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Amminoacidi
Struttura primaria
Alfa elica
Legame idrogeno
Struttura secondaria
Foglietto beta
Polipeptide(singola subunitàdi transtiretina)
Struttura terziaria
Transtiretina, con le sue quattro subunità identiche
Struttura quaternaria
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1.16 Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi
▪ Gli acidi nucleici (polinucleotidi) sono polimeri costituiti da monomeri detti nucleotidi – I nucleotidi sono composti da tre parti
– Uno zucchero a cinque atomi ci carbonio: ribosio per l’RNA, desossiribosio per il DNA)
– Un gruppo fosfato – Una base azotata
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▪ Le basi azotate del DNA sono: – Adenina – Timina – Guanina – Citosina
▪ Le basi azotate dell’RNA sono: – Adenina – Uracile – Guanina – Citosina
1.16 Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi
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▪ Gli acidi nucleici si formano quando più nucleotidi si uniscono tramite condensazione
▪ Il gruppo fosfato di un nucleotide si lega allo zucchero del monomero successivo – Il risultato è uno scheletro di unità zucchero-fosfato,
da cui si proiettano le basi azotate
1.16 Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi
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▪ Il DNA ha una configurazione a doppia elica: due polinucleotidi avvolti a spirale l’uno intorno all’altro – Le due catene sono tenute unite dai legami idrogeno
si formano tra le basi azotate appaiate – A si appaia sempre con T – C si appaia sempre con G
▪ L’RNA, solitamente, è costituito da un unico filamento polinucleotidico
1.16 Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi