Post on 01-May-2015
fisica24ore Biofisica
L’ACQUA…la sorgente della vita
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Sembra semplice l’acqua...
Dal punto di vista chimico l’acqua è un composto di idrogeno ed
ossigeno
La sua molecola consiste di due atomi di idrogeno e
un atomo di ossigeno
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…ma non lo è
Sono state elencate almeno 37 anomalie dell’acqua, cioè comportamenti anomali che l’acqua ha rispetto ad altri composti chimicamente simili:
•alto punto di fusione•alto punto di ebollizione•alto punto critico•alta tensione superficiale•alta viscosità•si contrae quando fonde•la sua densità aumenta all’aumentare della temperatura (fino a 3.984°C)•bassa compressibilità•alto calore specifico
•…ecc…ecc……………….
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Le proprietà fisiche e
chimiche dell’acqua sono
straordinariamente
complicate
e non ancora
completamente note e
capite
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Nel “range” delle Temperature ordinarie sulla Terra (-40°C - +40°C )
Idrogeno e Ossigeno...
...sono dei gas
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…ma se si legano
danno originead un liquido
raffreddando il qualesi ottiene un solido
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Diagramma di fase per l’acqua
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T=100°C
T 10000°C
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L’acqua è
causa primaria
di tutte le forme di vita sulla terra
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Quali meccanismi hanno sviluppato gli organismi viventi per utilizzare l’acqua
in un ambiente di idrocarburi?
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Quattro miliardi di anni fa sul nostro pianeta “le acque si separarono dai continenti” e le prime forme di vita ebbero origine nell’acqua.
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La vita sulla terra si è sviluppata sulla base della chimica del
carbonio
metano
composti azotati
acqua
anidride carbonica
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la sequenza degli eventi base dello “stato vivente”
autoorganizzazione
evoluzione
autocatalisi
riproduzione
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un codice genetico
un set di amminoacidi di specifica chiralità
I sistemi viventi hanno messo a punto
Ala
DNA
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Come l’acqua
ha contribuito e contribuisce
all’architettura e
al funzionamento
dei sistemi viventi ?
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lipidi
proteine
acidi nucleici
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L’acqua gioca un ruolo funzionale di fondamentale importanza nei processi che coinvolgono biomolecole:
architettura delle proteine
stabilità conformazionale
protein folding
catalisi enzimaticabinding
selettività di interazioni specifiche
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Il processo di “folding” delle proteine
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La molecola dell'acqua ha due coppie di elettroni di legame
e due “lone pair”.
L’acqua è una molecola polare
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La differenza dei valori di
elettronegatività, tra gli atomi di H e di
O (2,1 contro 3,5) fa sì che la nube
elettronica costituita dagli elettroni di
legame sia più "spostata”
sull'atomo di O (parzialmente
negativo) piuttosto che su
quelli di H (parzialmente positivi). = 1.8 D
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Per questa proprietà
l’acqua partecipa ad un gran numero di interazioni, tutte importanti dal punto di vista biologico:
carica-dipolosolvatazione degli ioni
dipolo-dipolo solvatazione delle molecole polari
van der Waalsdetermina la distanza tra molecole non interagenti con altre forze più intense
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legame idrogeno
caso particolare di interazione dipolare che coinvolge molecole aventi
un atomo H legato ad un atomo elettronegativo
(nelle biomolecole N o O)
l'atomo d'idrogeno (fortemente polarizzato
positivamente) è attratto
dall'ossigeno della molecola adiacente (fortemente polarizzato negativamente)
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interazioni idrofobiche
non si tratta realmente di un tipo di forza, ma di una interazione fra l’acqua e una molecola apolare, modulata da variazioni di entropia
Le molecole d’acqua che circondano molecole apolari formano uno stretto reticolo di molecole connesse da ponti H, in cui moti e orientazioni sono fortemente limitati
S<0
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L’interazione si traduce nella tendenza che queste molecole apolari mostrano di unirsi tra di loro escludendo l’acqua... i
H2O
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Legame H
e
interazioni idrofobiche
sono i due effetti principali che
determinano la struttura delle
biomolecole
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Interazioni che determinano la struttura delle biomolecole
Biomolecole Legame H Eff ettoidrofobico
carboidrati
lipidi
proteine
acidi nucleici
Biomolecole Legame H Eff ettoidrofobico
carboidrati
lipidi
proteine
acidi nucleici
Biomolecole legame H eff ettoidrofobico
carboidrati lipidi
proteine acidi nucleici
Biomolecole legame H eff ettoidrofobico
carboidrati lipidi
proteine acidi nucleici
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lisozima
H2O
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Molte tecniche fisiche permettono di “monitorare” lo stato dell’acqua
legata alle macromolecole biologiche.
Esse si basano sulle speciali
proprietà chimico-fisiche delle molecole d’acqua che, in tal modo,
vengono usate come
sonda
per studiare le macromolecole alle quali
sono coordinate
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• NMR
• scattering neutronico
• diffrazione dei raggi X
• spettroscopie dielettriche
• spettroscopie ottiche
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FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy
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Spettro di assorbimento dell’acqua
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Le molecole d’acqua trasformano l’energia della radiazione infrarossa in vibrazioni
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registrando le quali...
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proteine: l’interazione idrofobica guida la creazione del “core” dove le catene aminoacidiche apolari risultano racchiuse; i legami H interni e con l’ambiente esterno determinano la struttura.
ribonucleasi
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DNA: le interazioni idrofobiche guidano la formazione della doppia elica, con le basi aromatiche all’interno e lo scheletro zucchero-fosfato, polare/carico, esposto all’acqua; i legami H determinano le interazioni tra le basi e quelle tra lo scheletro zucchero-fosfato e l’ambiente esterno
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Membrane: le interazioni idrofobiche creano il bilayer lipidico
modello di membrana
cellulare
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Soltanto mezzo miliardo di anni fa la vita uscì dagli oceani e incominciò a conquistare la terraferma...
…prima le piante e gli anfibi poi i rettili, gli uccelli, i mammiferi e infine l’uomo
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vegetali
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acquaaria
sali minerali
danno cibo agli erbivori
nutrono i carnivoririducono
tutto in….
alghe
funghibatteri rifiuti organici
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Le piante, tramite la clorofilla,sanno utilizzare l’energia del sole
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La luce del Sole ha esattamente l’energia necessaria per spezzare una molecola d’acqua rendendo possibile la formazione degli zuccheri che sono la fonte di energia di ogni creatura vivente
FOTOSINTESI
H2O + CO2=zuccheri
+ossigeno
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La vita sulla Terrasi regge sulla fotosintesi
e quindi sull’acqua