BIOELEMENTI e BIOMOLECOLE 3 ppt

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BIOLOGIA
LEZIONE N. 3
Slide N. 44
La CHIMICA della VITA
BIOELEMENTI e BIOMOLECOLE
Classe II ITI
BIOCHIMICA 
o BIOLOGIA MOLECOLARE
Parte della BIOLOGIA che studia la struttura e le funzioni delle sostanze chimiche che formano il corpo degli esseri viventi
	BIO-ELEMENTI
	BIO-MOLECOLE
Le proprietà caratteristiche dei viventi si possono osservare a ogni livello della loro struttura gerarchica
0
Le strutture biologiche hanno un’organizzazione gerarchica, alla cui base, come per tutta la materia, ci sono gli ELEMENTI CHIMICI 
Farfalla notturna:
 FALENA della crotalaria
(Utetheisa ornatrix)
1. BIOELEMENTI
D. ORGANO:
muscolo delle ali
C. CELLULE e TESSUTI:
Cellule muscolari del tessuto muscolare
B. ORGANULO:
miofibrilla 
(solo nelle cellule muscolari)
ACTINA
MIOSINA
A. MOLECOLA: actina
ATOMO
*
Nella composizione chimica degli esseri viventi rientrano circa 25 elementi naturali definiti BIOELEMENTI, in proporzioni diverse, che si possono combinare tra loro per formare i composti
Per la VITA Sono fondamentali circa 25 elementi chimici (sostanze che non possono essere scomposte in altre sostanze mediante mezzi chimici tradizionali) rispetto al centinaio e passa della TAVOLA PERIODICA degli ELEMENTI 
dall’IDROGENO (numero atomico 1) all’URANIO (numero atomico 92) sono NATURALI dopo sono tutti ARTIFICIALI
0
*
TAVOLA PERIODICA degli ELEMENTI
CARBONIO, IDROGENO, OSSIGENO e AZOTO sono i 4 elementi fondamentali per costruire la maggior parte della materia vivente (da soli costituiscono quasi il 97% della materia vivente)
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BIOLELEMENTI
Elementi PRINCIPALI
Elementi SECONDARI
OLIGOELEMENTI
*
Gli elementi in tracce (OLIGOELEMENTI) sono essenziali per gli organismi ma soltanto in minime quantità e in modo variabile a seconda degli organismi 
OLIGOELEMENTI: MOLTI sono indispensabili per tutte le forme di vita, mentre ALCUNI lo sono solo per certe specie 
	 	FERRO: es. si trova nell’emoglobina dei GLOBULI ROSSI (ERITROCITI o EMAZIE) dei vertebrati
	 	VANADIO: solo nel sangue delle ASCIDIE Phylum CORDATI e sub/phylum TUNICATI o UROCORDATI
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*
OLIGOELEMENTI : sono additivi comuni di cibo e acqua 
Carenze alimentari di alcuni OLIGOELEMENTI possono causare diverse condizioni fisiologiche
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Donna affetta da GOZZO
Per es. una carenza o un eccesso di IODIO impediscono il normale funzionamento della ghiandola TIROIDE (ghiandola endocrina)
provocandone l’ingrossamento, malattia chiamata GOZZO
*
Principi di CHIMICA
	 INORGANICA
	ORGANICA
Differenze tra i 2 settori della CHIMICA e le rispettive sostanze studiate:
	Sostanze INORGANICHE
	Sostanze ORGANICHE 
In passato, si pensava che le sostanze ORGANICHE, che contenevano CARBONIO, potessero essere prodotte solo dagli esseri viventi (MONDO BIOTICO) e che le sostanze INORGANICHE appartenessero solamente al mondo dei non viventi (MONDO ABIOTICO) Infatti la parola “organica” deriva da organismo. 
Questo modo di pensare è andato avanti sino al 1828 quando il chimico tedesco WHOLER riuscì ad ottenere in laboratorio (artificialmente) una sostanza tipica degli esseri viventi e quindi contenente carbonio e cioè l’UREA:
C = O
NH2
NH2
Formula struttura
UREA
Quindi, da quel momento (metà 1800), la tradizionale distinzione tra sostanze organiche ed inorganiche si è modificata, anche in virtù del fatto che dopo la produzione in laboratorio dell’UREA tante altre sostanze contenenti carbonio sono state prodotte artificialmente e tante vengono prodotte ancora oggi ogni giorno dall’industria chimica.
Quindi la definizione moderna è:
	CHIMICA ORGANICA - settore della chimica che studia i composti del CARBONIO
	CHIMICA INORGANICA - settore della chimica che studia tutti gli altri composti tranne alcune eccezioni:
CO2 – CO – H2CO3 e suoi sali (CARBONATI) che pur contenendo carbonio presentano caratteristiche simili a quelle delle sostanze inorganiche
ELEMENTI CHIMICI possono combinarsi insieme per formare i composti
COMPOSTO sostanza costituita da più elementi combinati secondo un rapporto fisso
0
SODIO
Na
CLORO
Cl2
CLORURO di SODIO
NaCl
*
Gli ATOMI sono formati da:
	PROTONI 
	NEUTRONI
	ELETTRONI
ATOMO: il nome deriva dalla parola greca àtomos che significa «indivisibile» .Termine usato per la prima volta dal filosofo dell’antica Grecia DEMOCRITO 
è la più piccola unità di materia che conserva le proprietà di un ELEMENTO
..ma NON di un COMPOSTO dove la più piccola unità è la MOLECOLA….
0
PARTICELLE SUB-ATOMICHE
*
Le PARTICELLE SUB-ATOMICHE
	Un ATOMO è costituito da protoni e neutroni situati in un NUCLEO CENTRALE
	Il NUCLEO è circondato da elettroni organizzati in gusci elettronici 
0
Struttura
di un ATOMO
Numero atomico 2
(ELIO)
+
+
–
–
+
–
2
2
2
Protoni
Neutroni
Elettroni
Numero di massa = 4
+
+
2e–
NUVOLA ELETTRONICA
NUCLEO
*
La DIVERSITÀ tra ELEMENTI
Gli ATOMI di ciascun elemento sono caratterizzati da uno specifico numero di protoni, che rappresenta il NUMERO ATOMICO, corrispondente a quello degli elettroni in quanto gli atomi sono neutri
0
0
Struttura schematica
di un ATOMO
Numero atomico 6
(CARBONIO)
6 PROTONI e 6 ELETTRONI
+6 -6 = 0
Gli ATOMI sono nel complesso 
 NEUTRI
+
–
6
6
6
Protoni
Neutroni
Elettroni
NUMERO di MASSA = 12
+
+
6e–
NUCLEO
NUVOLA ELETTRONICA 
*
Gli ISOTOPI
	Il numero di NEUTRONI in un atomo può variare
	Alcuni elementi presentano forme diverse di atomi dette ISOTOPI quindi con stesso numero atomico ma diverso numero di massa
	Alcuni ISOTOPI sono radioattivi cioè emettono radiazioni (particelle alfa,beta e raggi gamma)
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ISOTOPI del CARBONIO
*
COLLEGAMENTI
Gli ISOTOPI RADIOATTIVI possono essere utili ma anche pericolosi
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La ricerca scientifica
I biologi spesso usano i traccianti radioattivi (ISOTOPI) per seguire le trasformazioni chimiche (VIE METABOLICHE) subite dalle molecole nelle cellule degli organismi
UTILITA’ degli ISOTOPI RADIOATTIVI
*
La DIAGNOSTICA MEDICA
I traccianti radioattivi (ISOTOPI) sono spesso usati nella diagnostica medica in combinazione con sofisticate strumentazioni per la realizzazione di immagini
0
Tomografia ad emissione di positroni - PET
Immagine PET: cancro alla gola
*
Nonostante le loro molteplici applicazioni positive, l’esposizione incontrollata agli ISOTOPI RADIOATTIVI può essere nociva per gli organismi viventi
Le particelle e l’energia emesse dagli atomi radioattivi possono spezzare i legami originari tra gli atomi, formandone altri
Questi processi possono danneggiaremolecole importanti all’interno dell’organismo (in particolare, il DNA, provocando le cosiddette MUTAZIONI)
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PERICOLI degli ISOTOPI RADIOATTIVI
*
CONFIGURAZIONE ELETTRONICA: determina le proprietà chimiche di un atomo 
Gli elettroni in un atomo si dispongono in gusci elettronici che possono contenere numeri diversi di elettroni
0
IDROGENO (H)
Numero atomico = 1
ELETTRONE
CARBONIO (C)
Numero atomico = 6
AZOTO (N)
Numero atomico = 7
OSSIGENO (O)
Numero atomico = 8
GUSCIO ELETTRONICO PIÙ ESTERNO 
 (può contenere fino a 8 elettroni)
GUSCIO ELETTRONICO PIÙ INTERNO 
(può contenere fino a 2 elettroni)
*
Le reazioni chimiche implicano un coinvolgimento degli elettroni degli strati più esterni (REAZIONI ELETTRONICHE) Infatti 2 atomi con un guscio elettronico esterno incompleto reagiscono per raggiungere la completezza e ciascuno di essi mette in comune (cede oppure riceve) ELETTRONI in modo, appunto, da occuparlo completamente
Queste interazioni solitamente fanno sì che gli atomi vengano tenuti insieme da forze di attrazione chiamate LEGAMI CHIMICI
0
*
LEGAME IONICO Interazione che si stabilisce tra IONI di carica opposta
Quando gli atomi cedono o ricevono elettroni si creano atomi carichi chiamati IONI
0
LEGAME IONICO
Trasferimento di elettroni
Na
Atomo di SODIO
Cl
Atomo di CLORO
Na+
Ione SODIO
Cl–
Ione CLORO
CLORURO di SODIO (NaCl)
Na
Cl
Cl
Na
+
–
–
–
*
Due ioni aventi cariche opposte si attraggono
Se l’attrazione è abbastanza forte, si forma un legame detto legame IONICO
Es. gli ioni SODIO e gli ioni CLORO si legano per formare il CLORURO DI SODIO (comune sale da cucina) 
0
Cella ELEMENTARE cristallina CUBICA 
CLORURO di SODIO
Na+
Cl–
*
LEGAME COVALENTE: Gli atomi condividono elettroni formando MOLECOLE
0
Nei legami COVALENTI 2 atomi mettono in comune una o più coppie di elettroni poste sui loro livelli energetici più esterni, formando molecole
Esempi 
LEGAMI COVALENTI
*
Le REAZIONI CHIMICHE consentono alle sostanze di ricombinarsi
In una reazione chimica i REAGENTI (materiali di partenza) interagiscono, cambiano l’organizzazione degli atomi e formano il PRODOTTO FINALE
0
Rottura e formazione di legami in una reazione chimica
2 H2
O2
2 H2O
*
Nelle cellule viventi avvengono, in ogni istante, migliaia e migliaia di REAZIONI CHIMICHE che trasformano la materia (nel complesso questo fenomeno è indicato con il termine METABOLISMO)
Es. il beta-carotene viene convertito in vitamina A
BETA-CAROTENE
+
O2
+
=
4H
VITAMINA A
(2 molecole)
Reazione che converte il beta-carotene in vitamina A
2. BIOMOLECOLE
SOSTANZE INORGANICHE:
	ACQUA
	SALI MINERALI
SOSTANZE ORGANICHE:
	PROTIDI o PROTEINE
	GLUCIDI, CARBOIDRATI o ZUCCHERI
	LIPIDI o GRASSI
	ACIDI NUCLEICI (DNA e RNA)
	VITAMINE
ACQUA
L'acqua è il componente fondamentale di tutti gli organismi viventi presenti sul nostro pianeta
“Macronutriente”
Composizione percentuale (in massa) del CORPO UMANO L'acqua rappresenta il 65% circa della massa corporea
Presente in elevate percentuali nelle cellule, soprattutto nel citoplasma e nei VACUOLI delle cellule vegetali e quelle di alcuni protisti dove viene introdotta attraverso il processo di PINOCITOSI
 In tutte le cellule, sia procariotiche che eucariotiche, l'acqua rappresenta il composto predominante e agisce come SOLVENTE per tutte le biomolecole (sali minerali, carboidrati, proteine, vitamine idrosolubili ecc.), dando loro la possibilità di reagire tra di loro nelle varie reazioni biochimiche
 
Importanza BIOLOGICA dell'ACQUA 
Oltre che come solvente, l'acqua partecipa attivamente come reagente in diverse reazioni metaboliche, soprattutto in quelle di IDROLISI, ed è uno dei principali reagenti della FOTOSINTESI CLOROFILLIANA
Essendo il principale costituente degli esseri viventi, l'acqua è quindi presente anche nell'organismo umano, in percentuali variabili a seconda dell'età, del sesso e del peso
FLUIDI CORPOREI con maggiore contenuto di acqua:
	LIQUIDO CEFALO-RACHIDIANO (99%)
	MIDOLLO OSSEO (99%)
	PLASMA SANGUIGNO (85%)
L'acqua inoltre svolge una funzione determinante nella regolazione della temperatura corporea (sudorazione) e della concentrazione dei sali minerali
Partecipa inoltre alla digestione, favorendo il transito intestinale e l'assorbimento delle sostanze nutritive. 
Proprio perché l'acqua deve essere presente in quantità molto elevate nell'alimentazione umana viene classificata come "MACRONUTRIENTE“
Nelle PIANTE è il componente principale della linfa (funzione di trasportare i principi nutritivi in tutti i tessuti) e dei vacuoli (regolano la pressione osmotica) 
L’ACQUA è di fondamentale importanza per il trasporto dei nutrienti in tutti i distretti corporei e per l'eliminazione e l'escrezione (URINA) delle scorie prodotte nelle reazioni biochimiche
La molecola dell’acqua è polare
(angolo di legame tra i due H e l’O di circa 105°)
	Una molecola è NON POLARE quando i suoi atomi legati da legame covalente condividono gli elettroni equamente (atomi con uguale ELETTRONEGATIVITA’)
	In un legame covalente polare la condivisione degli elettroni tra gli atomi è asimmetrica e crea una MOLECOLA POLARE (dotata cioè di poli con cariche elettriche parziali opposte)
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ACQUA: proprietà
Struttura molecola ACQUA
modello a sfere
105°
(–)
(–)
(+)
(+)
O
H
H
*
La POLARITÀ della molecola dell’acqua consente la formazione del legame a idrogeno 
0
Le estremità cariche delle molecole d’acqua vengono attratte dalle estremità dotate di carica opposta delle molecole vicine
Questa attrazione forma legami deboli chiamati:
LEGAMI a ponte di IDROGENO
LEGAMI a
IDROGENO
(+)
(+)
H
H
(+)
(+)
(–)
(–)
(–)
(–)
O
*
LEGAMI a IDROGENO: sono i responsabili delle caratteristiche particolari dell’acqua, che sono:
 1) COESIONE: forza attrattiva tra molecole
	Grazie ai legami ad idrogeno, le molecole d’acqua possono spostarsi dalle radici sino alle foglie di una pianta (CAPILLARITÀ) anche per decine di metri (Es. SEQUOIE, alte anche più di 100 metri)
	Gli insetti riescono a camminare sull’acqua grazie alla TENSIONE SUPERFICIALE creata dalla coesione delle molecole d’acqua
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Tensione superficiale: IDROMETRA
(insetto Gerride)
*
 2) ELEVATO CALORE LATENTE
I legami ad idrogeno regolano la temperatura dell’acqua 
La capacità dell’acqua di immagazzinare calore regola la temperatura del corpo e il clima 
	CALORE: quantità di energia associata al movimento degli atomi e delle molecole di un corpo
	TEMPERATURA: misura dell’intensità del calore (velocità media molecole) e NON quantità totale di energia termica di un corpo
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*
Per rompere i LEGAMI a IDROGENO serve energia (la rottura dei legami è accompagnata da assorbimento di calore)
Per questo, l’acqua è in grado di assorbire una grande quantità di calore senza un grande aumento della temperatura
Mentre, al contrario, quando l’acqua si raffredda, un piccolo calo nella temperatura libera una grande quantità di calore
0
*
	Quando una molecola d’acqua evapora, assorbe energia
	Questo permette il raffreddamento (abbassamento di temperatura) per evaporazione
0
Raffreddamento 
per EVAPORAZIONE*
3) Il GHIACCIO è meno denso dell’ACQUA LIQUIDA 
I LEGAMI ad IDROGENO tengono insieme le molecole di acqua nel ghiaccio in modo meno denso che nell’acqua allo stato liquido
0
LEGAMI ad IDROGENO: 
GHIACCIO e ACQUA
ACQUA LIQUIDA
legami idrogeno si spezzano e si formano continuamente. Più molecole MASSIMA DENSITA’
GHIACCIO
legami idrogeno
Stabili. Meno molecole
MINIMA DENSITA’
LEGAME IDROGENO
*
La massima DENSITÀ dell’acqua si ha
alla temperatura di 4°C dove l’acqua è ancora allo stato liquido 
Il GHIACCIO (0°C) è meno denso dell’acqua allo stato liquido e per questo motivo riesce a galleggiare
Il fatto che il ghiaccio galleggi, protegge i laghi e gli oceani dal congelamento solido permettendo la vita a tutta una serie di organismi acquatici
 
0
*
4) L’ACQUA è un SOLVENTE versatile 
I soluti polari o carichi elettricamente si sciolgono quando le molecole d’acqua li circondano, formando soluzioni acquose omogenee
0
SALE da CUCINA (NaCl) che si scioglie nell’acqua
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
Na+
+
Na+
Cl–
Ioni in soluzione
Cristallo di sale
Cl–
*
 PUNTO TRIPLO dell'ACQUA 
Rappresenta le condizioni di temperatura (T) e di pressione (P) in cui possono coesistere le 3 fasi dell'acqua e cioè solida , liquida e gassosa
TEMPERATURA:= +0,01°C 
PRESSIONE: = 4,58 mm Hg
 sono i valori che caratterizzano il PUNTO TRIPLO dell'acqua
La chimica della vita è influenzata dall’ACIDITÀ e dalla BASICITÀ
	Un composto chimico che cede ioni H+ ad una soluzione è un ACIDO
	Un composto che è in grado di accettare ioni H+ rimuovendoli da una soluzione è una BASE
L’acidità è misurata con la scala del pH che va da 0 (massima acidità) a 14 (minima acidità e massima basicità)
pH 7(neutralità)
0
*
LA SCALA DEL pH
0
Acqua
SOLUZIONE BASICA
DETERGENTE 
FORNI
SOLUZIONE ACIDA
SOLUZIONE NEUTRA
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
SUCCO LIMONE
 SUCCHI GASTRICI
SUCCO 
 POMPELMO 
SUCCO 
POMODORO
URINA 
ACQUA PURA
SANGUE UMANO
ACQUA DI MARE
BICARBONATO
AMMONIACA 
ACIDITÀ in aumento
NEUTRALITÀ
[H+]=[OH–]
H+
H+
H+
OH–
H+
H+
H+
OH–
H+
H+
OH–
OH–
H+
H+
OH–
OH–
OH–
H+
H+
H+
OH–
OH–
OH–
OH–
OH–
OH–
H+
BASICITÀ in aumento
OH–
H+
14
13
CANDEGGINA 
*
Il pH della maggior parte delle cellule è mantenuto vicino a 7 (neutro) da sostanze presenti nei liquidi intracellulari e chiamate SOSTANZE TAMPONE 
	 URINA: pH circa 6
		SANGUE umano: pH circa 7
SOSTANZE TAMPONE: Contrastano i cambiamenti di pH accettando ioni H+ quando sono presenti in eccesso oppure cedendoli se la loro concentrazione diventa troppo bassa
0
*
FINE della LEZIONE 2 La chimica della vita: BIOELEMENTI e BIOMOLECOLE
Grazie per l’attenzione
E ricordatevi…
…..Considerate la vostra semenza
fatti non foste a viver come bruti
ma per seguir virtute e canoscenza…..
DANTE ALIGHIERI
(Divina Commedia, INFERNO, canto XXVI , 118-120)
Prof. CARMIGNANI FABRIZIO
fabcar@hotmail.it