1 La chimica della vita 2016

Seconda Università degli Studi di Napoli
DiSTABiF
Corso di Laurea in Scienze Biologiche
Insegnamento di
CHIMICA BIOLOGICA
Antimo Di Maro
Anno Accademico 2015-16
Lezione 1
La chimica della vita
L’albero della Vita
Da animali e vegetali….
Richieste di fonti di nutrimento
+
Energia
C’è una cosa che poi spesso si dimentica…..
Scala delle dimensioni di alcuni oggetti studiati dai
biochimici e dai biologi
Il potere risolutivo approssimativo dei diversi metodi
di analisi delle strutture è indicato dalle frecce
L’unità biologica fondamentale: la cellula
Tutti gli esseri viventi sono formati da una cellela o da caratteristico
numero di cellule.
Tutte le cellule hanno all’incirca le stesse dimensioni.
Da 0,5 micron a 100 micron
Dipendenza del rapporto superficie/volume
Se si suddivide un certo volume in elementi sempre più piccoli, il rapporto
tra la superficie e il volume cambia drasticamente. La superficie aumenta
mentre il volume rimane costante.
La Cellula Procariotica
Escherichia coli
Eubatteri
Gram negativi
Gram positivi
La Cellula Eucariotica
Cellula Animale
Cellula Vegetale
Confronto tra alcune proprietà delle cellule procariotiche ed eucariotiche
Cellule procariotiche
Cellule eucariotiche
Dimensioni
0,2-5 µm di diametro
La maggior parte ha un
diametro di 10-50 µm
Compartimentazione
interna
No
Si, con parecchi e diversi tipi
di organuli
Localizzazione del
DNA
Libero nel citoplasma come
nucleoide
Nel nucleo, condensato con
proteine a formare cromosomi
multipli
Ploidia a
Generalmente aploide
Quasi sempre diploide e
poliploide
Meccanismo di
replicazione
Semplice divisione a
seguito della replicazione
Mitosi nelle cellule somatiche,
meiosi nei gameti b
Il termine ploidia si riferisce al numero di copie dell ’ informazione genetica
contenute in ciascuna cellula. Le cellule aploidi ne hanno una copia, quelle diploidi due
e quelle poliploidi più di due.
a
Durante la mitosi lo stato diploide viene mantenuto grazie alla duplicazione dei
cromosomi. Ciò accade nella maggior parte delle cellule somatiche, cioè “del corpo”, di un
organismo. Nelle cellule che producono gameti (spermatozoi o cellule uovo) avviene un
processo un po’ differente denominato meiosi e conduce a uno stato aploide.
b
Teoria della simbiosi per alcuni organelli
della cellula eucariotica
L’organizzazione molecolare della cellula
è gerarchica
Ribosio
Carbamilfosfato
-chetoacidi
Fosfopiruvato
Ac. malico
Lipidi
Acidi grassi
Glicerolo
Acetato
Malonato
CO2
H2O
N2
Noi di occuperemo del livello 2 e 1:
Proteine
Acidi nucleici
amminoacidi
dNTP e NTP
(DNA e RNA)
Lipidi
Zuccheri
Eterogenei
Glucosio, fruttosio, etc
Come sono comparse le molecole del livello 1? Considerando l’evoluzione della terra… 5 miliardi di anni Esperimento di Miller-Urey da
atomi e molecole semplici a
monomeri della vita
Dopo il formarsi
delle molecole alla
base dei monomeri
man mano si è
evoluta la materia
vivente con acidi
nucleici, proteine,
zuccheri complessi,
e lipidi
RNA -> Proteine
->DNA
ELEMENTI PRESENTI NELLE MACROMOLECOLE
H, C, N, O, P ed S rappresentano
complessivamente oltre il 98% della
massa di qualsiasi essere vivente
H.
Ossigeno
:O .
. .
Carbonio
.N .
C.
Sono i più piccoli atomi
Formano, essendo i più piccoli, i
legami covalenti più forti di
qualunque altro elemento con le
stesse valenze
(la forza del legame è maggiore se minore è il raggio atomico).
.
.
Azoto
. : :
Idrogeno
C, N e O sono i soli elementi a formare forti legami multipli.
Il requisito di stabilità viene così soddisfatto.
Le dimensioni di alcuni atomi
Elemento
Raggio
Covalente (nm)
H
F
C
N
O
Cl
Si
P
S
Br
I
0.030
0.064
0.077
0.070
0.066
0.099
0.117
0.110
0.104
0.114
0.133
Raggio di
Van der Waals (nm)
0.12
0.135
0.16
0.15
0.145
0.180
_
0.19
0.185
0.195
0.215
“Raggio del gruppo
metilico”
0.20
Spessore (1/2) delle
molecole aromatiche
0.170
Ossigeno
È un gas solubile in H2O, di più a basse temperature. È il secondo elemento più elettronegativo e quindi
uno dei più avidi di elettroni dopo il fluoro.
Di conseguenza è un accettore biologico di elettroni.
Il trasferimento di elettroni da altre molecole
all’ossigeno avviene con produzione di energia.
Azoto
Dopo l’ossigeno è l’elemento più elettronegativo presente nelle biomolecole. Presente nelle proteine, ne determina proprietà strutturali e funzionali
Carbonio
Può formare un numero enorme di molecole stabili con O, H e N. (Es.: Con O forma la CO2, un gas stabile, solubile in H2O e adatto a far circolare il C tra gli organismi).
Presenta 4 elettroni di valenza ed ha la capacità di formare doppi (C=C) e tripli legami (C = C). È l’elemento più versatile nel formare legami.
Silicio
È tetravalente (come il Carbonio)
È abbondante nella biosfera ma non negli
organismi a causa del suo raggio atomico più
lungo di quello del C. Tende quindi a formare
legami più deboli.
SiO2, al contrario di CO2, forma silicati
insolubili o polimeri tridimensionali (silice) di
biossido di silicio (quarzo) e tende quindi a
sottrarsi alla circolazione in ambiente
aerobico.
Fosforo e Zolfo
Ioni Monoatomici
Elementi in tracce
I legami fatti da P e S sono spesso instabili in H2O e per
formarsi richiedono energia. La stessa energia viene
rilasciata quando il legame viene idrolizzato. Di
conseguenza P e S si trovano in molecole ricche di energia
come l’ATP e l’Acetil‐CoA.
Na+, K+, Ca++ ed Mg++ servono per l’equilibrio osmotico,
per la formazione di gradiente ionico nella conduzione
nervosa e nel trasporto attivo e nella neutralizzazione
di cariche con macromolecole.
Sembrano essere scelti per la capacità a svolgere un
“certo” ruolo. Ad esempio il ruolo di trasportatori di
elettroni svolto da Fe++ e Cu++.
Gli organismi compiono processi vitali (lavoro biologico)
operando in condizioni isotermiche ed isobare, prendendo
energia da fonti esterne e trasformandola per vari scopi
(sintesi di molecole, omeostasi, movimento, calore)
I sistemi biologici sono sistemi aperti, perché c’è scambio di
energia e materia con l’ esterno; in ogni caso i processi
biologici devono obbedire alle leggi della termodinamica
Prima legge: la quantità totale di energia nell’universo resta
costante dopo ogni trasformazione chimica
Seconda legge: i processi spontanei avvengono con aumento
di entropia (disordine), da cui non si può più ottenere
lavoro
Dal momento che i processi biologici sono isotermici ed
isobari, usano energia chimica, che nell’uomo derivati
dall’assunzione di sostanze nutrienti
Con la termodinamica delle reazioni si studiano le differenze
di entalpia (H) e di entropia (S) tra prodotti e reagenti:
- il H misura il calore scambiato durante la reazione; un
valore negativo di H indica calore ceduto
(H < 0  reazione esotermica, entalpicamente favorita)
- il S misura invece il grado di disordine del sistema; un
valore positivo di S indica un aumento di disordine
(S > 0  reazione entropicamente favorita)
A pressione e temperatura costanti, i due parametri
(entalpico ed entropico) sono correlati alla differenza di
energia libera di Gibbs (G) in un’equazione con cui si
misura il lavoro compiuto durante la reazione sull’ambiente
G = H – T•S
reazione
A + B --> C + D
Dal valore di G si può stabilire la spontaneità della reazione
G < 0  reaz. esoergonica (spontanea nel verso diretto)
G = 0  reaz. all’equilibrio
G > 0  reaz. endoergonica (avviene la reazione opposta)
Metabolismo
Produzione
di energia
Produzione di macromolecole
da molecole elementari o
monomeri
Durante il catabolismo
Se durante queste reazioni vi è un grosso quantitativo di energia
oltre a calore si formano molecole altamente energetiche (ATP et al)
Durante l’anabolismo
+ circa 30 kJoule/mol
(oppure ‐7,3 kcal/mol)
Da kcalorie a kJoule si
passa moltiplicando per
4,1868