Riassunto esame Biologia e biochimica, Prof. Epasto Concetta, libro consigliato Elementi di biologia e genetica, Edises

Capitolo 2: Composizione chimica della materia vivente

componenti fondamentali che costituiscono gli organismi viventi.

●​ Il principale costituente della materia vivente è l'acqua, che rappresenta dal 70

all'80% in peso dell'intero organismo.

●​ Il restante 20-30% (escludendo circa l'1% rappresentato da ioni inorganici) è

costituito da composti organici, ovvero i composti basati sul carbonio.

●​ La maggior parte di questi composti organici (che formano circa il 20% del peso della

cellula) è costituita da molecole di dimensioni notevoli, chiamate macromolecole.

●​ Queste macromolecole hanno pesi molecolari che variano da decine di migliaia a

milioni di dalton e sono rappresentate principalmente da acidi nucleici e proteine.

Importanza biologica dell'acqua

Sebbene l'acqua ci appaia come un elemento comune e ovvio, è in realtà una sostanza

straordinaria e fondamentale per la biologia.

●​ Unicità planetaria: Praticamente, l'acqua è il solo composto esistente allo stato

liquido in quantità significative sul nostro pianeta.

●​ Proprietà chimico-fisiche: Questa stabilità allo stato liquido è dovuta a proprietà

specifiche come temperature di fusione e di ebollizione relativamente elevate,

elevato calore specifico e un elevato calore di vaporizzazione. Queste

caratteristiche la differenziano dagli altri liquidi e la rendono stabile a temperatura e

pressione ambiente.

●​ Il solvente della vita: Un concetto chiave è che l'acqua rappresenta il solvente

della materia vivente. Essa ne consente la fluidità e la plasticità; la materia vivente

deve infatti essere considerata a tutti gli effetti come una soluzione acquosa.

●​ Fattore evolutivo: La vita ha avuto origine e si è evoluta nell'acqua per milioni di

anni prima di potersi spostare sulla terraferma. L'acqua ha quindi "plasmato" le

caratteristiche della materia vivente attraverso la selezione naturale.

●​ Meccanismi di adattamento: La materia vivente ha sviluppato meccanismi per

sfruttare a proprio vantaggio le caratteristiche dell'acqua. Un esempio è il corpo

umano, che sfrutta l'elevato calore di vaporizzazione dell'acqua (il calore necessario

per farla evaporare) tramite la sudorazione, assicurando un efficiente

raffreddamento dell'organismo.

●​ D'altra parte, gli organismi che vivono in ambienti poveri d'acqua hanno sviluppato

meccanismi sofisticati per ridurre le perdite e catturare anche le più piccole

quantità disponibili, poiché nessun essere vivente può fare a meno di un

rifornimento di acqua.

Acqua come solvente

perché l'acqua si comporta in questo modo?

●​ Le forze che tengono unite le molecole d'acqua allo stato liquido sono piuttosto

elevate. Questo si comprende analizzando la sua struttura molecolare.

●​ Struttura della molecola: L'acqua è formata da due atomi di idrogeno legati a un

atomo di ossigeno con legami semplici, formando tra loro un angolo di circa 108°.

●​ Polarità e carica elettrica: L'ossigeno è molto più elettronegativo dell'idrogeno. Di

conseguenza, l'ossigeno attira a sé gli elettroni presentando una parziale carica

negativa, mentre sui due idrogeni rimane una parziale carica positiva.

●​ Il dipolo elettrico: A causa della geometria angolata della molecola, il "centro" delle

cariche positive e quello delle cariche negative non coincidono. Questo rende la

molecola d'acqua un dipolo elettrico; se posta in un campo elettrico, si orienterà

rivolgendo i propri poli verso le cariche di segno opposto.

●​ Legami a idrogeno: Grazie a questa distribuzione di cariche, l'atomo di ossigeno

può accettare due legami idrogeno, e allo stesso tempo la molecola può fungere da

donatore per altri due legami idrogeno.

●​ La conclusione fondamentale è che ogni molecola d'acqua può formare quattro

legami idrogeno, un fenomeno che struttura la materia e che si verifica in modo

evidente quando l'acqua si trasforma in ghiaccio.

Importanza biologica dell'acqua

Il comportamento dell'acqua allo stato solido e liquido

il ruolo dei legami idrogeno nei diversi stati dell'acqua:

●​ Nel ghiaccio, i legami idrogeno sono relativamente stabili, mantenendo le molecole

fisse in un reticolo cristallino.

●​ Per fondere il ghiaccio, è necessario aumentare la temperatura e quindi

l'agitazione termica delle molecole fino a un valore (0 °C) in cui l'energia cinetica si

avvicina a quella dei legami idrogeno, che cominciano a rompersi.

●​ Nell'acqua allo stato liquido, la situazione cambia drasticamente. Non è tanto il

numero dei legami idrogeno che tiene unita una molecola alle vicine a cambiare,

quanto la loro vita media.

●​ Nell'acqua liquida, ogni molecola forma mediamente 3,6 legami idrogeno, ma poiché

i legami si formano e si interrompono di continuo, ogni molecola è

relativamente libera di muoversi scambiando i partner con cui è legata.

●​ Da questa continua formazione e rottura di legami derivano sia la fluidità dell'acqua

sia la sua stabilità come liquido.

L'acqua come solvente

L'acqua è un solvente eccezionale grazie alle sue caratteristiche di polarità, ma il suo

comportamento varia a seconda del soluto.

●​ Affinché un composto vada in soluzione, i legami che tengono uniti i suoi ioni o

molecole (nel solido) e quelli che costituiscono il liquido devono essere rotti. Questo

richiede energia, che deve essere compensata da un'equivalente liberazione di

energia derivata dallo stabilirsi di interazioni tra l'acqua e le particelle del

soluto.

●​ Se queste interazioni sono sufficientemente forti, il processo sarà spontaneo e il

composto sarà solubile.

i soluti si dividono in tre categorie principali:

1. Composti ionici (ad esempio i sali)

●​ Sono facilmente solubili in acqua.

●​ Grazie alla loro carica, gli ioni stabiliscono forti interazioni elettrostatiche con le

molecole d'acqua, che si orientano nel campo elettrico dell'ione.

●​ Si crea un "guscio" di molecole d'acqua orientate attorno allo ione, un fenomeno

chiamato solvatazione (o idratazione nel caso dell'acqua). Lo ione è quindi

solvatato o idratato.

●​ Questo processo porta a diverse conseguenze: la carica dello ione viene "diluita" su

una superficie maggiore, diminuendo le attrazioni elettrostatiche con ioni di segno

opposto; di conseguenza, i legami ionici nel cristallo vengono allentati e gli ioni si

liberano.

●​ Gli ioni solvatati hanno dimensioni maggiori di quelli nudi, un fattore cruciale nei

fenomeni biologici come il trasporto attraverso le membrane.

2. Composti polari

●​ Gran parte dei composti organici nella materia vivente (carboidrati, amminoacidi,

nucleotidi, ecc.) sono polari e presentano gruppi donatori o accettori di legami

idrogeno.

●​ Questi composti sono solubili in acqua perché possono formare legami idrogeno

con le sue molecole (o andare incontro a idratazione).

●​ L'energia per rompere i legami nel solido è compensata dall'energia liberata

formando nuovi legami idrogeno con l'acqua. La solubilità dipende quindi dal numero

di legami idrogeno che possono formare.

3. Composti apolari (tra i composti biologici, ad esempio grassi o lipidi neutri)

●​ Possono formare solo interazioni deboli, non possedendo gruppi donatori o

accettori di legami idrogeno.

●​ Non potendo formare legami idrogeno con l'acqua, sono insolubili e, se vi vengono

dispersi, se ne separano spontaneamente.

●​ Per essere trasportati nei liquidi biologici acquosi, i composti apolari devono

interagire con molecole solubili che fungono da trasportatori.

●​ Un esempio è la molecola dell'ossigeno (O₂), che è apolare. Per essere

trasportata, gli animali hanno evoluto l'emoglobina, una proteina che lega l'ossigeno

nei polmoni e lo libera nei tessuti.

4. Composti anfipatici (o anfifilici)

●​ Queste molecole presentano una porzione polare (solubile in acqua) e una

porzione apolare (insolubile). Esempi sono i detergenti e i lipidi polari (fosfolipidi,

glicolipidi, colesterolo), i principali costituenti delle membrane biologiche.

●​ In acqua, queste molecole sono sottoposte a due tendenze opposte. Questa

proprietà è biologicamente fondamentale perché tendono spontaneamente a

organizzarsi in strutture multimolecolari ben definite: micelle, foglietti

monomolecolari e doppi foglietti biomolecolari (membrane a doppio strato lipidico).

●​ In queste strutture, le molecole mettono a contatto le porzioni apolari ed escludono

l'acqua, mentre espongono le porzioni polari.

Acqua e membrane biologiche

La struttura anfipatica dei lipidi e la loro interazione con l'acqua sono alla base

dell'architettura delle cellule.

●​ L'organizzazione a foglietto bimolecolare, imposta dall'acqua alle molecole

anfipatiche, costituisce la struttura di base di tutte le membrane biologiche ed è

responsabile di molte delle loro proprietà.

●​ Queste membrane, formate da un doppio strato lipidico, presentano una zona

centrale apolare e due facce polari.

●​ Questa struttura determina la permeabilità selettiva: le membrane sono

impermeabili alle molecole polari e cariche, ma permeabili a quelle apolari (come O₂,

N₂, ecc.).

●​ Il passaggio di una molecola polare richiederebbe la rottura di interazioni con l'acqua

per entrare nella zona apolare, un processo che richiede energia non compensata e

quindi sfavorevole.

●​ Per permettere il passaggio di composti polari essenziali, le membrane ospitano

proteine trasportatrici, che riconoscono selettivamente i composti e ne permettono

l'attraversamento. La permeabilità a composti polari dipende quindi dalle proteine

trasportatrici presenti.

●​ Un altro aspetto fondamentale è che le molecole che compongono la membrana

sono relativamente libere di muoversi nel piano della membrana stessa, ma

difficilmente possono passare da un lato all'altro (flip-flop), poiché ciò

richiederebbe di far passare la parte polare attraverso la zona apolare centrale.

●​ Le molecole della membrana mantengono un orientamento costante, alla base di

fenomeni come il trasporto unidirezionale.

Dissociazione dell'acqua

In certe condizioni, l'acqua si dissocia reversibilmente in protoni (H⁺) e ioni ossidrile (OH⁻).

●​ In base alle leggi di equilibrio chimico, il prodotto delle loro concentrazioni deve

rimanere costante, sia nell'acqua pura sia nelle soluzioni acquose.

●​ L'introduzione di acidi (che liberano protoni) o basi (che liberano ioni ossidrile o

accettano protoni) in una soluzione acquosa modifica la concentrazione degli ioni

dell'acqua (e quindi il pH).

●​ Questo ha conseguenze importanti: gli ioni introdotti possono interagire con altre

specie chimiche nella soluzione. Inoltre, molti composti nella materia vivente

contengono gruppi acidi o basici deboli, il cui grado di dissociazione dipende dal pH.

●​ È quindi necessario che il pH dei liquidi biologici venga mantenuto costante

entro limiti molto stretti. Ciò si realizza grazie a "sistemi tampone" e a meccanismi

fisiologici complessi (es. renali e respiratori) che regolano l'eliminazione dei protoni.

Composti del carbonio

La maggior parte dei costituenti della materia vivente, escludendo l'acqua, è formata da

composti organici basati sul carbonio.

●​ Il carbonio è stato selezionato dall'evoluzione per molteplici motivi. Anzitutto, può

formare legami covalenti molto forti, dando origine a molecole stabili.

●​ I suoi atomi possono formare quattro legami sia con altri atomi di carbonio sia con

altri elementi. Questo permette di formare una grande varietà di catene lineari,

ramificate o chiuse ad anello, che costituiscono le catene o "scheletri" carboniosi,

la struttura portante dei composti biologici.

●​ Gli atomi di carbonio, combinandosi con atomi con diverse proprietà (soprattutto

idrogeno, ossigeno, azoto e zolfo), formano i gruppi funzionali, che conferiscono

reattività e proprietà specifiche agli scheletri carboniosi. Questa enorme varietà di

combinazioni giustifica la diversità dei costituenti della materia vivente.

●​ I composti organici più semplici sono costituiti da catene di atomi di carbonio

combinati con idrogeno, detti idrocarburi.

●​ Gli idrocarburi si dividono in saturi (solo legami semplici) e insaturi (con doppi o

tripli legami).

●​ Le catene degli idrocarburi (lineari, ramificate o ad anello) sono considerate le

strutture di base da cui derivano tutti gli altri composti organici, per sostituzione di

atomi di idrogeno con gruppi funzionali.

●​ A causa della piccolissima differenza di elettronegatività tra carbonio e idrogeno, gli

idrocarburi sono molecole apolari e quindi insolubili in acqua.

I Gruppi Funzionali

I gruppi funzionali sono raggruppamenti specifici di atomi che determinano le proprietà

chimiche della molecola a cui sono legati.

Ecco i gruppi descritti, divisi per categorie:

1. Gruppi Alcolici e Derivati

●​ Gruppo alcolico primario (-CH2OH): Presente negli alcoli primari. È polare, forma

e accetta legami a idrogeno. Reattività chiave: Può essere ossidato a gruppo

aldeidico e reagisce con le aldeidi per formare emiacetali e acetali. Reagisce con gli

acidi formando esteri.

●​ Gruppo alcolico secondario (>CHOH): Presente negli alcoli secondari. Ha

proprietà simili al primario, ma per ossidazione dà origine a un gruppo chetonico

(non aldeidico).

●​ Gruppo sulfidrilico o tiolico (-SH): Presente nei tioalcoli. È debolmente polare e

reagisce con le aldeidi formando emimercaptali.

2. Gruppi Carbonilici (Aldeidi e Chetoni)

●​ Gruppo aldeidico (-CHO): Presente nelle aldeidi. È molto reattivo e polare.

Reattività chiave: Si ossida facilmente a gruppo carbossilico e si riduce a gruppo

alcolico primario. Reagisce con gli alcoli formando emiacetali e acetali.

●​ Gruppo chetonico (>C=O): Presente nei chetoni. È polare ma, a differenza delle

aldeidi, non si ossida facilmente. Può essere ridotto ad alcol secondario e reagisce

con gli alcoli formando emichetali e chetali.

3. Gruppi Carbossilici ed Esteri

●​ Gruppo carbossilico (-COOH): Tipico degli acidi carbossilici. Ha un comportamento

acido, in quanto in acqua si dissocia liberando un protone (H+) e formando lo ione

carbossilato (-COO-). Reattività chiave: Può essere ridotto ad aldeide e reagisce

con alcoli, tioalcoli e ammine per formare rispettivamente esteri, tioesteri e ammidi.

●​ Gruppo esterico (-COOR): Presente negli esteri. È polare e accetta legami a

idrogeno. Per idrolisi (rottura tramite acqua) si scinde in un alcol e un acido

carbossilico.

4. Gruppi contenenti Azoto (Ammine e Ammidi)

●​ Gruppo amminico primario (-NH2) e secondario (>NH): Presenti nelle ammine.

Sono polari e formano legami a idrogeno. Hanno un comportamento basico:

possono accettare un protone (H+) diventando ioni positivi. Reagiscono con gli acidi

per formare sali.

●​ Gruppo ammidico (-CONH2 o -CONHR): Presente nelle ammidi. Molto polare. Per

idrolisi dà origine a un acido carbossilico e ad ammoniaca (o a un'ammina).

5. Gruppi Emiacetalici e Acetalici

●​ Gruppo emiacetalico: Si forma dalla reazione tra un'aldeide e un alcol. È

fondamentale per la struttura ciclica degli zuccheri (come spiegato nel secondo

documento).

●​ Gruppo acetalico: Si forma quando un emiacetale reagisce con un secondo alcol.

Per idrolisi libera due alcoli e un'aldeide.

I Composti Biologici e i Carboidrati

Abbiamo quattro grandi classi di composti organici nei viventi: carboidrati, lipidi, proteine e

acidi nucleici. Il fulcro della pagina è una spiegazione molto dettagliata dei carboidrati.

I Carboidrati (o Zuccheri) Sono una classe di composti che contengono nella loro molecola

un gruppo aldeidico o chetonico e diversi gruppi alcolici.

1. Monosaccaridi (Zuccheri semplici)

●​ Struttura: Sono costituiti da catene di carbonio (da 3 a 7 atomi). Contengono un

gruppo carbonilico (se è aldeidico si chiamano aldosi, se è chetonico si chiamano

chetosi) e gli altri atomi di carbonio legano gruppi alcolici (-OH).

●​ Proprietà: Sono composti molto polari, altamente solubili in acqua e hanno sapore

dolce. La presenza di atomi di carbonio asimmetrici fa sì che abbiano numerosi

stereoisomeri (molecole con la stessa formula ma diversa disposizione spaziale).

Esempi importanti sono il glucosio, il fruttosio e il ribosio.

2. La Forma Ciclica (Emiacetalizzazione): in acqua, i monosaccaridi con 5 o 6 atomi di

carbonio non si trovano quasi mai in forma lineare.

●​ Ciclizzazione: Il gruppo aldeidico o chetonico reagisce con un gruppo alcolico della

stessa molecola. Questa reazione interna crea un gruppo emiacetalico e chiude la

molecola ad anello.

●​ Gli anelli a 6 atomi sono detti piranosici (es. il glucosio), quelli a 5 atomi sono detti

furanosici (es. il ribosio).

●​ Anomeria (\alpha e \beta): La chiusura dell'anello trasforma il carbonio carbonilico

in un nuovo centro asimmetrico. Il gruppo -OH legato a questo carbonio può disporsi

verso il basso (forma \alpha) o verso l'alto (forma \beta). La Figura 2.6 illustra proprio

la trasformazione del glucosio dalla forma lineare a quella ciclica \alpha e \beta.

3. Oligosaccaridi e il Legame Glicosidico

●​ Il Legame Glicosidico: Il gruppo emiacetalico formatosi nella struttura ad anello può

reagire con un secondo alcol (spesso appartenente a un altro zucchero). Questa

reazione elimina una molecola d'acqua e forma un legame glicosidico (un legame

acetalico).

●​ Oligosaccaridi: Quando 2, 3 o fino a una decina d