Le molecole biologiche. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

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1 Le molecole biologiche 1

2 Il carbonio è l elemento di base delle biomolecole Una cellula batterica può contenere fino a 5000 tipi diversi di composti organici. 2

3 Il carbonio deve acquistare quattro elettroni per essere stabile Ciascun atomo di carbonio può formare un legame con altri quattro atomi. Il legame carbonio-carbonio è di tipo covalente ed è stabile, consente quindi la formazione di catene di carbonio molto lunghe e resistenti. 3

4 La grande varietà di biomolecole I gruppi funzionali sono combinazioni specifiche di atomi e conferiscono alle molecole proprietà caratteristiche. 4

5 Gli isomeri Le molecole organiche che hanno identica formula molecolare (sono cioè formate dallo stesso tipo e numero di atomi), ma che differiscono per il modo in cui i loro atomi (o gruppi funzionali) sono disposti sono dette isomeri. Nelle reazioni chimiche gli isomeri si comportano in modo diverso. 5

6 Le macromolecole I carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici sono delle molecole di grosse dimensioni (polimeri) formate da subunità molecolari unite tra loro. Le classi di macromolecole Categoria Esempio Monomero/i Carboidrati* Polisaccaride (amido) Monosaccaride (glucosio) Lipidi Grasso (olio) Glicerolo e acidi grassi Proteine* Polipeptide (albumina) Amminoacido Acidi nucleici* DNA, RNA Nucleotide *Le macromolecole più grosse sono dei polimeri, costruiti unendo insieme un gran numero di subunità dello stesso tipo (monomeri), di solito con legami covalenti. 6

7 I polimeri Per la sintesi di un polimero, la cellula usa una reazione di condensazione, in cui viene liberata una molecola d acqua. La reazione avviene grazie all intervento degli enzimi, che mettono a contatto diretto i monomeri. 7

8 I polimeri La reazione opposta è la demolizione di un polimero. Durante questo processo, una molecola d acqua viene usata per rompere i legami tra i due monomeri. Il termine idrolisi significa infatti «spezzare con l acqua». 8

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10 I carboidrati I carboidrati sono usati dagli organismi come fonti di energia immediata e come componenti strutturali. I carboidrati sono formati da carbonio (C), idrogeno (H) e ossigeno (O), con un rapporto di 1 : 2 : 1. I carboidrati semplici, o zuccheri, possono essere: monosaccaridi (una singola molecola di zucchero); disaccaridi (due monosaccaridi). 10

11 I carboidrati 11

12 I carboidrati 12

13 I monosaccaridi e i disaccaridi I carboidrati semplici forniscono energia a pronto rilascio. Il glucosio è un monosaccaride ed è la principale fonte di energia dei viventi; la sua formula molecolare è C6H12O6. 13

14 I monosaccaridi e i disaccaridi Il ribosio (C5H10O5) e il desossiribosio (C5H10O4) sono monosaccaridi importanti in quanto molecole costitutive degli acidi nucleici RNA e DNA. Il saccarosio è un importante disaccaride, si tratta infatti della forma in cui gli zuccheri sono trasportati nelle piante. E formato da due monosaccaridi (glucosio e fruttosio) che si uniscono grazie a una reazione di condensazione. Il lattosio è un disaccaride che si trova nel latte; esso deriva dall unione di una molecola di glucosio e una di galattosio (un isomero del glucosio). 14

15 I polisaccaridi I polisaccaridi sono i polimeri dei monosaccaridi. Sono carboidrati complessi con funzioni strutturali e di riserva. L amido è la forma in cui il glucosio è immagazzinato nelle piante; il glicogeno negli animali e nei funghi. La cellulosa è un polisaccaride con funzione strutturale contenuto nelle piante; la chitina in alcuni animali e funghi. 15

16 I lipidi forniscono energia e protezione I composti organici classificati come lipidi sono molto diversificati. La maggior parte dei lipidi è insolubile in acqua a causa delle catene di idrocarburi non polari. 16

17 Alcuni alimenti ricchi di lipidi 17

18 I grassi e gli oli sono eccellenti molecole di riserva Gli acidi grassi possono essere: saturi non presentano doppi legami tra gli atomi di carbonio della catena idrocarburica; insaturi hanno invece uno o più doppi legami tra gli atomi di carbonio della catena. 18

19 I fosfolipidi sono componenti della membrana plasmatica Come i grassi, i fosfolipidi contengono glicerolo e tre gruppi ad esso legati. Nei fosfolipidi soltanto due di questi gruppi sono però degli acidi grassi, mentre il terzo gruppo è un fosfato polare. 19

20 Gli steroidi e le cere Gli steroidi possono avere la funzione di stabilizzare la membrana esterna delle cellule, oppure funzioni ormonali. Le cere formano uno strato protettivo che riduce la perdita di acqua; in molti animali servono a proteggere e mantenere in salute la pelle e il pelo. 20

21 le cere 21

22 Il colesterolo è un lipide: danni alle arterie 22

23 Le proteine sono molecole versatili Le proteine svolgono molte funzioni di grande importanza, eccone alcune fondamentali per gli animali: sostegno in forma di cheratina (nei capelli e nelle unghie) e di collagene (nei legamenti e nei tendini); metabolismo gli enzimi catalizzano le reazioni; trasporto le proteine di trasporto della membrana plasmatica consentono l ingresso e l uscita di sostanze dalla cellula; difesa gli anticorpi distruggono gli agenti patogeni e prevengono le infezioni; regolazione alcuni ormoni, come l insulina, sono proteine di regolazione; movimento l actina e la miosina sono componenti dei tessuti muscolari. 23

24 Una proteina è un polimero formato da una sequenza di amminoacidi Gli amminoacidi sono essenzialmente composti da: un atomo di carbonio centrale; un gruppo amminico (-NH2); un gruppo carbossilico (-COOH); un gruppo R, che è variabile e rappresenta il resto della molecola. In tutto, le proteine dei viventi contengono una ventina di amminoacidi diversi, combinati in un enorme numero di sequenze possibili. 24

25 Le particolarità del gruppo R differenziano tra loro gli amminoacidi 25

26 I polipeptidi Un polipeptide è una catena di molti amminoacidi uniti da legami peptidici. Una proteina polipeptidiche. può contenere una o più catene 26

27 La forma di una proteina è correlata alla sua funzione 27

28 La struttura terziaria di una proteina include una supplementare sagomatura tridimensionale che risulta dalla interazione tra i gruppi R. Ad esempio, gruppi R idrofobici tendono a raggrupparsi verso l'interno della proteina, mentre gruppi R idrofili si orientano verso l'esterno della proteina. Ulteriori sagomature tridimensionali si verificano quando un aminoacido cisteina si lega ad un'altra cisteina attraverso un ponte disolfuro (legame). Questo fa sì che la proteina si arrotoli, mediante una torsione, intorno al legame stesso ( Figura 6 ) 28

29 La struttura quaternaria descrive una proteina che è assemblata da due o più catene peptidiche separate. L' emoglobina (proteina), ad esempio, è costituita da quattro catene peptidiche che sono tenute insieme da legami idrogeno, interazioni tra gruppi R, e legami disolfuro 29

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31 Tutti gli amminoacidi (tranne la glicina) hanno l atomo di carbonio α legato a quattro gruppi diversi: il carbonio alfa [C α] (asimmetrico) è quindi un centro chiralico o otticamente attivo Gli amminoacidi che hanno un centro asimmetrico nel carbonio alfa possono esistere in due forme speculari (D ed L) dette stereoisomeri, isomeri ottici o enantiomeri NOTA BENE: le proteine contengono solo L- amminoacidi. 31

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33 Gli acidi nucleici dirigono l attività cellulare Gli acidi nucleici DNA e RNA portano informazioni sotto forma di codici. Un acido nucleico è un polimero di nucleotidi. Un nucleotide è un complesso molecolare formato da: un fosfato l acido fosforico; uno zucchero pentoso; una base azotata guanina, adenina, citosina, timina o uracile. (a 5 atomi di C) 33

34 Il DNA (acido desossiribonucleico) Il DNA si trova all interno del nucleo e contiene l informazione genetica. Il DNA è un doppio filamento e ha una struttura a doppia elica. Lo zucchero pentoso del DNA è il desossiribosio. Le basi azotate presenti nel DNA sono la guanina, l adenina, la citosina e la timina. 34

35 L RNA (acido ribonucleico) L RNA convoglia le informazioni codificate nei geni dal DNA ai ribosomi per la sintesi proteica. I nucleotidi dell RNA sono allineati lungo un unico filamento. Lo zucchero pentoso dell RNA è il ribosio. Le basi azotate presenti nell RNA sono la guanina, l adenina, la citosina e l uracile. 35

36 RNA e DNA a confronto 36

37 L ATP è il trasportatore di energia delle cellule L ATP (adenosin-trifosfato) è un nucleotide composto da tre parti: la base adenina; lo zucchero pentoso ribosio; tre gruppi fosfato legati tra loro da legami covalenti. 37

38 L ATP è il trasportatore di energia delle cellule L ATP è una molecola ad alta energia: la rottura dei legami covalenti dei due gruppi fosfato più esterni da parte di un enzima (idrolisi) libera infatti molta energia. 38