Appunti Biologia generale (entrambi i moduli)

Biologia

Prof. Barbiroli e Prof.ssa Leonardi

Silvia Raccis

A.A. 2019/2020

Legami chimici

Legami deboli (non covalenti) sono 20 volte meno forti rispetto a quelli covalenti.

• Legame idrogeno ・・・− −
• Tra H (idrogeni), legato covalentemente a un atomo elettronegativo
• Di tipo elettrostatico
• Interazione dipolo-dipolo
• Può avvenire anche tra molecole d'acqua

Massima forza se sono allineati: donatore, H e accettore.

Può legarsi con molecole organiche contenenti H, legati covalentemente ad atomi elettronegativi, a molecole organiche e a gruppi funzionali dipolari.

• Legame ionico

Detto anche un legame elettrostatico, tra 2 atomi (ioni) con carica netta opposta.

Es.

Peso molecolare, mole e molarità

Peso molecolare: somma del peso atomico degli atomi che lo compongono.

Mole: peso in grammi (g) numericamente uguale al peso molecolare della molecola stessa.

Il numero di molecole contenute in 1 mole è il numero di Avogadro (6,023x10).

Molarità (M): concentrazione che esprime il numero di moli di una molecola presente in un litro di soluzione (mol/L).

Reazione chimica

• Completa: i reagenti si trasformano completamente in prodotti

Reagenti freccia prodotti.

• All'equilibrio (le più diffuse): la reazione procede fino a quando si raggiunge l'equilibrio chimico tra reagenti e prodotti

Reazione chimica.

Reazione tra atomi/molecole in cui perdono, acquistano o mettono in comune elettroni di valenza 2 + → 2 reagenti → prodotti.

Tra ciascuna molecola di una reazione, esiste un rapporto stechiometrico. 2 è un coefficiente stechiometrico.

Si differenziano:

• Reazione completa: i reagenti si trasformano completamente in prodotti
• Reazione all’equilibrio: sono le più diffuse. La reazione procede fino a quando si raggiunge l’equilibrio chimico tra reagenti e prodotti. Può essere reversibile

Prodotto delle concentrazioni dei prodotti, diviso il prodotto delle concentrazioni dei reagenti.

Differenza tra lo stato energetico finale e iniziale di una G: reazione endoergonica, non spontanea, assorbe energia.

G>0 esoergonica, spontanea, libera energia < 0 = equilibrio.

Un processo non spontaneo può essere associato a un processo non spontaneo, in modo da renderlo possibile: spontaneo≠veloce.

L’acqua

La sua molecola ha una forma tetraedrica, ed è formata da due atomi di idrogeno H e uno di ossigeno O. Ai vertici del tetraedro troviamo i due H e i due doppietti non condivisi.

Proprietà

• Proprietà di fusione ed ebollizione

L’acqua è un dipolo elettrico (H è più elettronegativo di O), quindi possiede le caratteristiche necessarie a creare un legame idrogeno con altre molecole di. Ogni molecola d’acqua può fare 4 legami idrogeno.

Interazione tra molecole d’acqua

L’acqua fonde a 0°C e bolle a 100°C. Al momento dell’ebollizione si rompono i legami idrogeno, producendo vapore.

A temperatura ambiente l’acqua è allo stato liquido: ogni molecola forma 3,4 legami idrogeno, e si trovano in uno stato disordinato. Allo stato solido invece formano 4 legami idrogeno.

• Capacità solventi: ovvero la capacità di sciogliere molecole polari (idrofiliche) con cui può interagire grazie a legami idrogeno. Può sciogliere ioni con carica netta, e può interagire in modo elettrostatico

Interazione idrofobica

Le sostanze idrofobiche non possono creare legame idrogeno con l’acqua perché non hanno carica netta parziale.

L’acqua a diretto contatto con la sostanza idrofobica, non si può girare come vuole ma è forzata ad assumere solo alcune posizioni: viene quindi resa più ordinata.

Le sostanze idrofobiche disperse in acqua (ad esempio l’olio), tendono ad unirsi tra loro. Infatti, maggiore sarà la superficie di sostanza idrofobiche, e più saranno le molecole d’acqua “ordinate”. Le sostanze idrofobiche tendono quindi a raggrupparsi tra loro.

Interazione idrofobica tra molecole idrofobiche non polari inserite in soluzione acquosa, per minimizzare la superficie di contatto tra sostanze idrofiliche e idrofobiche.

• Capacità strutturanti:

Le sostanze anfipatiche contengono una parte apolare e una polare, quindi hanno divisione netta tra parte idrofilica e idrofobica. Un esempio sono i saponi e i detergenti che hanno appunto potere emulsionante. La parte apolare si lega al grasso, lasciando a contatto la parte polare con l’acqua. Per esempio, le membrane biologiche come i fosfolipidi, con le teste idrofiliche nascondono al loro interno le code idrofobiche.

• Capacità ionizzanti: l’acqua si può dissociare, rimanendo in equilibrio chimico.

La quantità d’acqua che dissocia è molto piccola, ed è quindi trascurabile. La essere considerata costante, il suo prodotto ionico diventa quindi: [ ] può caso specifico per l’acqua.

Kw = prodotto ionico dell'acqua (10), prodotto della concentrazione degli ioni positivi e negativi.

La concentrazione di ioni H+ si misura con la scala del pH.

Es. pH= 7 ) → (10.

Più è basso il pH, maggiore sarà la concentrazione di ioni.

L'acqua pura ha pH neutro = 7 che si forma spontaneamente.

Acidi < 7 < basici/alcalini.

Acidi

Acida è una qualsiasi sostanza, che in soluzione acquosa si dissocia liberando ioni e abbassa quindi il valore del pH.

Si distinguono:

• Acidi forti: si dissociano completamente in soluzione
• Acidi deboli: esiste in equilibrio

Basi

Si dice base (o sostanza alcalina) una sostanza che disciolta in acqua fa aumentare il valore del pH e fa diminuire la concentrazione di ioni.

Si distinguono:

• Basi forti: si dissociano completamente in soluzione
• Basi deboli: esiste in equilibrio

Composti del carbonio

Comunemente detti anche molecole organiche, sono molecole a base di carbonio. C ha valenza 4, può quindi formare 4 legami covalenti. Non ionizza (non ha né cariche positive né negative).

Due atomi di C legati con legami covalenti singoli, condividono un solo doppietto con ogni atomo, assumendo una disposizione tetraedrica con C al centro.

Due atomi di C legati tra loro con doppio legame covalente, hanno entrambi 2 elettroni liberi con cui formare altri due legami covalenti. Gli atomi di C sono tutti sullo stesso piano, assumendo una struttura rigida planare.

Gli atomi che sono legati più frequentemente al carbonio, oltre a C stesso, sono H, O e N (O e N possono anche fare un doppio legame).

• Idrocarburi

Sono composti chimici organici formati esclusivamente da C e H. Sono molecole apolari (non hanno carica parziale positiva né negativa).

• Idrocarburi saturi

C crea solamente legami singoli.

• Idrocarburi insaturi

C crea uno o più doppi legami.

Isomeria cis e trans

Isomeri: stessi legami tra gli atomi, ma con una diversa struttura tridimensionale.

Nel caso di doppi legami:

• Isomero trans: 2 gruppi uguali a estremi opposti
• Isomero cis: 2 gruppi uguali a estremi uguali
• Idrocarburi aromatici

Un idrocarburo ciclico è composto da catene principalmente di C che si chiude formando un anello. È aromatico quando ci sono legami doppi e singoli alternati tra loro.

Gruppi funzionali contenenti ossigeno

• Alcoli

Contengono il gruppo alcolico e hanno funzione alcolica/ossidrile -OH. È un gruppo polare: crea legami idrogeno con ma non si può dissociare (non ionizza, e non ha cariche nette).

• Aldeidi e chetoni

Contengono il gruppo funzionale carbonilico C=O che è un gruppo polare.

• Aldeidi

Il C carbonilico, lega oltre che con O, con H e con un altro C. Il gruppo funzionale è in posizione terminale.

• Chetoni

Il C carbonilico, oltre ad O, lega con altri due C.

• Acidi carbossilici +

Il gruppo carbonilico è un gruppo acido e può dissociare ioni.

Scala red-ox dei composti organici ossigenati.

Per capire se C è più o meno ossidato, si contano i legami C-O.

Derivati dei composti organici ossigenati:

• Eteri
• Esteri

Reazione tra un acido e un alcol, liberando una molecola d’acqua.

• Anidridi

Si formano per reazione tra due acidi:

I gruppi OH di entrambi gli acidi, reagiscono tra loro, formando una molecola d’acqua.

• Acetali

Si formano per reazione tra un gruppo carbonile (aldeide o chetone) e un alcol:

L’aldeide reagisce con un gruppo alcolico, che reagisce con funzione aldeidica (non si forma una molecola d’acqua). Si rompe uno dei doppi legami tra C e O, e C torna a fare 4 legami.

L’emiacetale può reagire con un altro alcol per formare il vero e proprio acetale: nella seconda reazione, si forma una molecola d’acqua (reagisce il gruppo OH dell'alcol e il gruppo OH dell'emiacetale).

Composti azotati

• Ammine gruppo amminico

Derivati da ammoniaca (legame debole) che può ionizzare.

• Ammidi

Si formano per reazione chimica tra un gruppo carbossilico e un’ammina:

Quando viene formata un’ammide, si libera una molecola d’acqua.

Composti contenenti zolfo (S)

• Tioli

Contengono un gruppo tiolico (comunemente detto sulfidrico) -SH.

Sono molecole molto simili agli alcoli, ma al posto di O troviamo S (che hanno entrambi valenza 2).

Carboidrati

Contengono C, H e O combinati in un ben preciso rapporto stechiometrico: ( ) quindi per ogni atomo di C, è presente una molecola d'acqua (=idrati di carbonio).

I carboidrati possono formare polimeri, le cui unità monomeriche sono detti monosaccaridi (unità più piccole dei carboidrati).

• Monosaccaridi

Sono molecole che contengono un gruppo funzionale carbonilico (aldeidico o chetonico) e almeno due gruppi funzionali alcolici.

Sono molecole organiche costituite da una catena lineare di atomi di C (minimo 3), legati a una funzione alcolica (gruppo ossidrilico), tutti tranne uno (quello legato al gruppo carbonilico aldeidico o chetonico).

Ogni monosaccaride possiede due enantiomeri: dal punto di vista chimico sono la stessa molecola, ma sono una l'immagine speculare dell'altra, quindi non sono sovrapponibili.

Gli enantiomeri sono detti anche stereoisomeri.

Due monosaccaridi diversi che hanno lo stesso tipo di gruppo carbonilico (aldoso o chetoso) e lo stesso numero di atomi di C sono definiti tra loro diastereoisomeri (non sono speculari perché c'è un secondo C chirale che è uguale a entrambi, e non sovrapponibili).

Forme D ed L di uno stesso zucchero, sono due forme speculari non sovrapponibili e sono due veri e proprio enantiomeri.

I monosaccaridi si possono classificare in base:

• Al numero di atomi di C presenti nella catena:
• Triosi
• Tetrosi
• Pentosi
• Esosi
• Alla natura del gruppo carbonilico presente
• Aldosi
• Chetosi
• Ai centri chirali (quando C si lega a 4 gruppi diversi) che hanno geometria tetraedrica.
• D (+ nome del monosaccaride): stereochimica dell’ultimo C chirale più lontano dal gruppo carbonilico (chetonico o aldeidico)
• L (+ nome del monosaccaride)

Numerazione della catena carboniosa

La numerazione degli atomi di C nella catena carboniosa si effettua partendo dalla funzione aldeidica e andando di seguito linearmente dal numero 1 al 6. Quando lo zucchero non contiene il gruppo aldeidico ma contiene invece quello chetonico, il C1 è quello più vicino al gruppo chetonico.

Struttura ciclica dei monosaccaridi

Gli zuccheri pentosi ed esosi tendono a formare una forma ciclica in soluzione acquosa (con meno di 5 C sarebbero troppo corti per chiudersi ciclicamente): la struttura si forma per reazione intramolecolare tra il gruppo carbonilico e uno dei gruppi ossidrilici.

Se lo zucchero è pentoso, il gruppo ossidrilico è quello presente sul C 4 (penultimo C della molecola), C 5 negli esosi e così via.

La reazione tra i gruppi carbonilico e ossidrilico forma un gruppo emiacetalico.

La reazione che fa formare la struttura ciclica è quella che fa formare il gruppo acetalico.

Il C che diventa gruppo acetalico, è quel C che diventa chirale, e può quindi differenziare i diversi zuccheri.

Da una stessa molecola di glucosio possono derivare due isomeri geometrici. (Anomeri): e Il C1 emiacetalico chirale, può esistere in due forme dette e.

In forma ciclica può quindi esistere un anomero e un anomero cambia la forma, in cui è presente il C chiralico in forma di ciclizzazione.

• Disaccaridi

Sono formati da 2 unità monosaccaridiche legate tra loro. Si possono legare in due modi differenti, ma è sempre il gruppo carbonilico del primo monosaccaride a legarsi con il gruppo funzionale di un altro monosaccaride.

Durante la formazione, il gruppo aldeidico e il gruppo alcolico hanno formato la struttura ciclica, e l'emiacetale unito al gruppo alcolico di un altro monosaccaride, forma un acetale (quindi legame tra due monosaccaridi).

Questo legame viene detto legame glicosidico, che può essere:

• Legame glicosidico il C anomerico è in forma quindi il C in (1→4):, posizione 1 del monosaccaride si è legato con l'ossidrile in posizione 4 del secondo monosaccaride
• Legame glicosidico il C anomerico è in forma quindi il C in (1→6):, posizione 1 del monosaccaride si è legato con l'ossidrile in posizione 6 del secondo monosaccaride

Due monosaccaridi possono reagire tra loro per formare disaccaridi, anche per reazione diretta tra i due C emiacetalici (+ rara) detto legame glicosidico (1→1),

I disaccaridi più comuni sono:

• Saccarosio: formato da glucosio e fruttosio con legame glicosidico, (1→2) quindi legano due carboni emiacetalici: il C 1 del glucosio in forma legato al, C 4 del fruttosio in forma
• Lattosio: formato da galattosio e glucosio con legame glicosidico (1→4) quindi il C 1 del galattosio in forma lega con il C 4 del glucosio in forma.
• Polisaccaridi

Sono polimeri di monosaccaridi legati tra loro da legami glicosidici. I principali sono:

• Amido: è il polisaccaride di riserva dei vegetali, ed è formato da due tipi di polisaccaridi:
• Amilosio (20-30% dell'amido): formato da catene lineari di glucosio legate con legami che nello spazio tendono ad avvolgersi a (1→4), spirale
• Amilopectina: (70-80% dell'amido) è una catena ramificata: catene lineari su cui si innestano altre catene lineari. I monosaccaridi di glucosio all'interno delle catene lineari principali sono legati con legami mentre nella ramificazione (il punto preciso in cui (1→4), inizia catena laterale) il legame è (1→6)
• Glicogeno: è il polisaccaride di riserva degli esseri umani (fegato e muscoli), è un polisaccaride del glucosio con struttura ramificata e come l'amilopectina ha sia legami (1→4) che ramificazioni con legami (1→6).

Il glicogeno potrebbe sembrare uguale all’amilopectina, ma la differenza sta nelle ramificazioni: nel glicogeno sono presenti più ramificazioni (1 ogni 10) rispetto all'amilopectina (1 ogni 25 unità di glucosio).

• Cellulosa: polisaccaride con funzione strutturale nei vegetali. Anche la cellulosa è formata solamente da glucosio in catene lineari con legami (1→4)

Lipidi

• Acidi grassi: sono contenuti nei lipidi cosiddetti saponificabili.

Gli acidi grassi liberi sono poco frequenti in natura, ma principalmente inseriti nei lipidi.

L'acido grasso è formato da una lunga catena idrocarburica lineare (che è apolare e idrofobica) con un gruppo carbossilico alla fine (che è polare e quindi idrofilica).

Testa idrofilica e coda idrofobica.

Si classificano in:

• Acidi grassi saturi: non contengono doppi legami
• Acidi grassi insaturi: con uno (monoinsaturo) o più doppi legami (polinsaturi)

Un doppio legame è detto insaturazione, ed è sempre configurazione cis (porta a formare un angolo nella catena idrocarburica).

Negli acidi grassi il numero di C è sempre pari: per la sintesi degli acidi grassi, si attaccano assieme due atomi di C.

Un acido grasso con 18 atomi di C, si scrive C18 e per descrivere il numero di insaturazioni presenti, si scrivono due punti e il numero di doppi legami presenti, quindi C18:0 è un acido grasso saturo e C18:1 è un acido grasso monoinsaturo, ecc.

Per stabilire dove trovare i doppi legami, tra parentesi si scrive con il numero del C che coinvolge a esponente: C:18:1 ( ) → Descrizione completa dell'acido grasso.

I doppi legami sono sempre intervallati dalla stessa geometria (-CH=CH-CH2-CH=CH) quindi dopo il primo indicato tra parentesi, riesco a dedurre quelli successivi.

Il punto di fusione (Pf) varia: maggiore è il numero di atomi di C nella catena, e più alto è il punto di fusione. Maggiore è il numero di doppi legami e più si abbassa il punto di fusione.

• Triacilgliceroli (ovvero i trigliceridi) contengono un polialcol (il glicerolo), e i tre atomi di C si legano a gruppi alcolici, a cui si può legare un grasso (formando un gruppo estere, detto legame estere). L’acido grasso legato in questa molecola è detto acile, ognuno di questi forma un legame estere con uno dei gruppi alcolici.

La loro principale funzione è di accumulo di energia (formazione tessuto adiposo), infatti i trigliceridi (in generale i grassi) hanno un valore energetico di 9 kcal/g.

Essendo idrofobici, que