Legami Chimici: Covalenti, Ionici, a Idrogeno e Interazioni Idrofobiche - Prof. Bianchi, Appunti di Biologia Animale

Scarica Legami Chimici: Covalenti, Ionici, a Idrogeno e Interazioni Idrofobiche - Prof. Bianchi e più Appunti in PDF di Biologia Animale solo su Docsity! BIOLOGIA ANIMALE 1ª LEZIONE 13/10/2022 Cos’è la biologia? È lo studio degli esseri viventi. Si dedica allo studio della struttura, della funzione, della crescita, dell’evoluzione, della distribuzione e della tassonomia degli esseri viventi. Successivamente, ci sono le varie specializzazioni. Noi ci occupiamo di una piccola parte di questa materia. Cosa caratterizza gli esseri viventi? Essi devono soddisfare 7 caratteristiche, se una di queste non è soddisfatta non possiamo definirlo vivente. 1. Cellule e organizzazione. Sono costituiti da cellule. Quando si tratta di organismi pluricellulari, le cellule sono organizzate tra loro. Curiosità: la spugna di mare; sono tanti organismi unicellulari insieme, pur essendo degli individui unici, quando si organizzano nel formare la spugna si osserva come un tessuto. Le cellule più esterne sono deputate all’assorbimento, quelle più interne, invece, alla produzione di sostanze. Si tratta di organismi unicellulari. 2. Utilizzano l’energia e hanno un proprio metabolismo. L’energia la utilizzano sia nelle reazioni chimiche, ma la producono anche. 3. La risposta ai cambiamenti ambientali. Se essi sono drastici, avviene l’evoluzione biologica. Ad esempio, quando cambia la salinità o la temperatura, la maggior parte degli organismi muore, per quanto vogliano adattarsi. Lamarck diceva che la giraffa allungandosi per prendere il cibo dagli alberi si è allungato il collo, in realtà nella popolazione delle giraffe è comparso un individuo che aveva il collo di pochi centimetri più lungo. Quella caratteristica era comparsa per una mutazione casuale e ora tali individui riuscivano ad arrivare ad una determinata altezza per prendere il cibo, chi non riusciva ad ottenerlo non sopravviveva. Es. L’anemia mediterranea è la malattia del sangue che in omozigosi può portare alla mortalità in età giovanile anche. Nelle zone paludose, tipo le isole, l’anemia mediterranea è rimasta perché il plasmodio della malaria non si riproduce nei globuli rossi falciformi, quindi per assurdo in queste zone chi si ammalava di malaria e moriva erano le persone che non avevano il problema e sopravvivevano quelle che invece avevano la malaria. Si trattava quindi, di una condizione di successo. 4. Regolazione e omeostasi.. All’interno di ogni organismo si ha una regolazione del proprio metabolismo e della propria espressione genica, ma anche omeostasi. Esso non è un equilibrio chimico, anzi le nostre cellule sono costantemente in disequilibrio. L’omeostasi è una stabilità. Consideriamo la glicolisi, quella serie di reazioni che porta alla degradazione del glucosio per ricavare una piccola quantità di energia. La prima reazione delle glicolisi è la trasformazione del glucosio 6-fosfato in fruttosio 6-fosfato. Se non ci fosse qualcosa che sottrae il fruttosio arriverebbe all’equilibrio. Questa reazione è reversibile, quindi può andare in entrambe le direzioni. Se arriverebbe in equilibrio si bloccherebbe la reazione, ciò non accade perché nella cellula c’è una sottrazione di prodotti, per cui c’è sempre una forza che spinge la glicolisi ad andare avanti. 5. Crescita e sviluppo. Gli organismi si accrescono e si riproducono. La cellula stessa si riproduce dando cellule nuove. 6. Riproduzione 7. Evoluzione biologica. Tutte queste caratteristiche devono essere presenti negli esseri viventi, altrimenti non è così. Un esempio ne è il virus che è un parassita obbligato. Esso si riproduce, ma non da solo, necessita di una cellula ospite. Noi studieremo quella che è la fisiologia cellulare. La citologia è lo studio della cellula e degli organelli che compongono essa. Noi vedremo ugualmente queste cose, ma anche la funzione e come si collegano tra loro e interagiscono. Ma se noi andiamo al di sotto delle dimensioni della cellula parliamo di biologia molecolare e genetica molecolare cioè cosa fanno i geni, come funzionano, quando le cellule si organizzano insieme negli organismi pluricellulari e vanno a formare i tessuti e quindi parliamo di istologia . Strutture e processi di un organismo che hanno il compito l anatomia, biochimica e fisiologia e via via a crescere fino ad arrivare all ecologia che è lo studio degli ecosistemi cioè l’iterazione di più organismi viventi tra di loro e l’ambiente in cui loro vivono. La cellula anche se è un sistema complesso non prescinde dalle leggi della chimica e della fisica, quindi fanno da padrone anche delle cellule. Abbiamo necessariamente bisogno di basi di chimica. Com’è fatto un atomo? Ha un nucleo in cui sono presenti protoni, carichi positivamente e neutroni, con carica neutra. Intorno al nucleo ci sono gli elettroni, carichi negativamente. La maggior parte degli atomi sono elettricamente neutri, perché il numero di carica positiva e negativa sono uguali. I numeri differiscono per numero atomico(NUMERO ATOMICO E SI INDICA CON Z), che è uguale al numero di protoni che è presente nel nucleo dell’atomo. La somma di protoni e neutroni è il peso atomico o massa atomica o peso molecolare. Il numero di elettroni non lo consideriamo perché la sua massa è trascurabile perché 1 elettrone è un 2 millesimo come massa rispetto al protone, ci si riferisce quindi ci si riferisce soltanto al numero di protoni. A livello chimico, la massa è la quantità della sostanza. Il peso è invece la forza gravitazionale esercitata su quella sostanza (non sono esattamente la stessa cosa). La massa atomica non viene data sotto forma di numero intero perché dobbiamo considerare gli isotopi, vi sono degli atomi “gemelli” non identici che hanno un diverso numero di neutroni. Quindi, il numero di massa atomica sarà data dalla media delle masse di tutti gli isotopi. L’elemento stabile ha numero di protoni, elettroni e neutroni uguali, mentre altri tendono a perdere, è il caso infatti degli isotopi radioattivi. Per capire come gli atomi si comportano, noi dobbiamo prendere in considerazione proprio gli elettroni che è la parte accessibile dell’atomo. Quindi le caratteristiche delle molecole, come i legami, dobbiamo considerarli facendo riferimento comunque agli elettroni. Essi si dispongono intorno al nucleo in posizioni ben precise. Parliamo degli orbitali o gusci elettronici. Gli orbitali sono zone intorno al nucleo in cui è probabile che l’elettrone si trovi, quindi che occupa quella posizione. Gli elettroni riempiono gli orbitali in maniera ordinata. Quindi, si riempie il primo guscio che è più vicino al nucleo e possono essere ospitati massimo due elettroni. Nel secondo, invece 8. Nel terzo, ancora 8 elettroni. Gli atomi che presentano il guscio più esterno saturo quindi pieno sono stabili, è questo il caso dei gas nobili. La tendenza degli atomi è riempire quanto più possibile questi gusci e possono farlo in maniera diversa attraverso ai legami. I gusci hanno forma diversa perché il guscio più interno ha solo due elettroni, quindi gireranno, quando aggiungiamo altri elettroni anche loro gireranno, non devono interferire col guscio più interno, quindi non devono assolutamente incontrarsi e assumono gli orbitali forma caratteristica. Man mano che ci si allontana dal nucleo l’energia aumenta, se ci si avvicina si rilascia energia. Esistono 4 tipi di forme di orbitali: 1. Orbitale S ha una forma sferica e il nucleo al centro. 2. Orbitale p è rappresentato da 2 lobi uniti fra loro: il nucleo si trova in corrispondenza de punt di unione dei lobi. 3. Orbitale D figura quadrilobata a quadrifoglio. 4. Orbitale F troppo complesso da rappresentare graficamente. La tavola periodiche è divisa in righe e colonne. Nelle colonne vengono raggruppati gli elementi che hanno lo stesso numero di elettroni nell’ultimo guscio che hanno. In base al numero di elettroni che si hanno nell’ultimo guscio elettronico sappiamo come l’atomo può reagire. Se lo scopo è completare gli orbitali più esterni, l’idrogeno con un solo elettone tenderà a formare un legame. ad aggregarsi tra di loro in modo da minimizzare il più possibile la loro esposizione all’ambiente acquoso e quindi polare. Praticamente quando una particella idrofobica viene messa in acqua tende il più possibile ad allontanare l’acqua e ad associarsi ad altre particelle idrofobiche. Ad esempio la membrana cellulare è composta da un doppio strato fosfolipidico e i fosfolipidi hanno un parte idrofoba una parte idrofila e quindi una parte che è solubile in acqua e l’altra che non lo è, e succede che questo strato si va a disporre in modo tale che le parti idrofobiche e che non sono solubili in acqua si vanno a posizionare all’interno della membrana in modo tale da non avere contatto con la parte esterna della membrana e quindi con la parte solubile in modo tale da non avere contatto con l’acqua. Prendiamo una molecola idrosolubile , essa riuscirà a spezzare i legami a idrogeno è a riformarli. Se invece è idrofobico, io rompo i legami a idrogeno, ma non riesco più a riformarli. Abbiamo C e H, non c’è separazione di carica, dall’altra parte abbiamo O, ma non si formerà il legame con l’idrogeno perché non riesco a formarli, l’altra parte dà fastidio. Io li rompo, ma non riesco a formarne degli altri. Se mettiamo 3 molecole idrofobiche in una soluzione acquosa, queste non formano legami tra loro ma tendono ad avvicinarsi, al posto di rompere 10 x 3 legami, ne romperanno 15. Le informazioni idrofobiche sono importantissime per la struttura terziaria delle proteine. Le interazioni di Van Der Waals sono particolari, noi le troviamo nelle catene idrocarburiche dei lipidi di membrana a cui sono legate C ed H, non dovrebbe formarsi alcun tipo di legame. Non c’è separazione di carica, ma è temporanea. Io ho C ed H che hanno la stessa attrazione, questi elettroni girano e ci saranno dei momenti in cui l’elettrone lascia sguarnito il nucleo dell’H che resta temporaneamente positivo. Si formano delle interazioni di Van Der Waals e come tutti i legami è necessario che vi sia una distanza giusta. La specificità degli enzimi per i substrati è data dalla quantità di legami deboli che si formano. È vero che essi si rompono facilmente, ma è anche vero che l’unione fa la forza. Se consideriamo che le due catene di DNA sono tenute insieme da legami a idrogeno, capiamo quanto siano forti dato che necessitano di un enzima. Con il processo di PCR devo arrivare ad una temperatura di 95º per denaturare il DNA. L’ACQUA È IL MAGGIORE SOLVENTE, LA VITA È NATA NELL’ACQUA, IL CITOSOL È COLMO D’ACQUA. - Polarità: divisione di carica perché l’O è più elettronegativo dell’H. Ma questa separazione è anche responsabile della coesione che permette all’insetto di camminare sull’acqua oppure all’acqua di salire nelle piante dalle radici in su. Da ciò nasce la capacità di stabilizzare le temperature, in alto e in basso, perché l’acqua ha un calore specifico elevato ed è pari a 1. È così alto perché se forniamo energia, quando il coefficiente di calore specifico (l’energia necessaria che serve a far aumentare di 1 grado) è più basso questo elemento comincia a bollire e si ha subito un movimento delle molecole. Nell’acqua noi diamo calore, ma in parte è come se venisse assorbito dai legami e poi inizia a bollire. Inoltre, è un ottimo solvente. L’acqua è importante perché riesce a tamponare il rilascio di H+ da parte degli altri reagenti quando avvengono le reazioni, in realtà l’acqua è presentata sottoforma di Ione idronio e ione ossidrile. - Quando la molecola che contiene legame covalente fortemente polare, acido acetico quando lo mettiamo in acqua l’idrogeno verrà facilmente perso è preso dall’ossigeno formando uno ione idronio e si avrà una perdita di elettroni con carica negativa. Le molecole che sono capaci di perdere H in acqua sono chiamati acidi perché aumentano la concentrazione di ioni idronio. ACIDI: sostanze che quando si sciolgono in acqua liberano protoni BASI:sostanze che disciolte in acqua acetano protoni es. Soda caustica è una base fortissima Sebbene una singola cellula sia costituita per il 70-95% di acqua e le facciamo disidratare il peso secco è quello di carbonio, quindi il carbonio è alla base della vita. Ha delle caratteristiche uniche tra cui la tetravalenza, forma legami sia polari C-O che apolari C-H, funge da scheletro di molte molecole organiche possono essere lineari ramificate o chiuse ad anello , possono formarsi legami semplici, doppi o tripli e inoltre i legami sono stabili a differenti temperature. Parlando della PCR, per fare in modo che le molecole non vengano amplificate in maniera aspecifica noi prendiamo la dna polimerasi dall’esterno isolata da un batterio termoturo, essa opera tra i 65-72 gradi. Per portare l’enzima a quella temperatura significa che quell’organismo vive a quella temperatura. Una caratteristica importante è l’isomeria, essi hanno stessa formula molecolare ma struttura diversa. Abbiamo diversi tipi di isomeri, tipo C6H12O6 che può essere il glucosio, come il fruttosio , galattosio dipende tutto dalla disposizione dell’ultimo carbonio chirale. ISOMERI DI STRUTTURA differiscono per la disposizione covalente degli atomi Es.formula:C3H8O e sono ill 1-propanolo 2-propanolo, olio sicuramente alcol e l’ossidrile sul primo o sul secondo carbonio. ISOMERI GEOMETRICI presentano gli stessi legami ma differiscono per la disposizione spaziale. Cioè acidi grassi di membrana. Non è facile spostarli . Es. cis-buste e e trans- butene ENANTIOMERI: Possono essere considerati uno l’immagine speculare dell’altra ,non sono sovrapponibili, come le mani. Hanno proprietà chimiche identiche ma differente capacità di legarsi ad altre molecole. Sono molto sfruttati per la sintesi dei farmaci. Es. talidomite contro le nausee mattutine delle donne in gravidanza, ma poiché era una miscela racemica cioè conteneva più forme chirali d uno stesso composto e una aveva effetto contro le nausee una provocava delle malformazioni al feto o addirittura la morte e quindi la perdita. I GRUPPI FUNZIONALI contribuiscono a fornire ad una molecola le sue specifiche proprietà Es. estradiolo e testosterone sono due ormoni stereoidei uno l’ormone sessuale femminile e uno l’ormone sessuale maschile, e brano uguali perché tutti e due hanno come precursore il colesterolo Differiscono per un gruppo metilico e un doppio esame e un idrogeno, sembrano sciocchezze ma non è la stessa casa perché fa attivare reazioni diverse.