Appunti con integrazione esame Biologia

La biologia e le caratteristiche della materia vivente

La biologia studia gli organismi viventi a diversi livelli. In biologia, non ci sono leggi, ma teorie, quindi successioni ordinarie di fatti e osservazioni.

Caratteristiche della materia vivente

• Organizzazione: la cellula è fornita di strutture interne, chiamate organelli, specializzate per svolgere funzioni precise ed è circondata da una membrana plasmatica che la separa dall'ambiente circostante.
• Omeostasi: è uno stato di equilibrio interno raggiunto con reazioni chimiche e sistemi di controllo che si autoregolano.
• Riproduzione: ogni essere vivente deriva da organismi preesistenti; negli organismi semplici la riproduzione è asessuata, copiando il materiale genetico e dividendosi in 2 parti uguali, mentre per gli altri è sessuata e avviene con la produzione di cellule specializzate che si uniscono per formare un uovo fecondato dal quale si svilupperà un nuovo organismo prodotto dell'interazione di diversi geni forniti sia dal padre che dalla madre.
• Crescita e sviluppo: inteso come aumento della dimensione o del numero delle singole cellule; esistono organismi che crescono per tutta la vita e altri che crescono solo in un determinato periodo, ma ogni parte dell'organismo continua a funzionare mentre cresce.
• Trasformazione di energia: reazioni chimiche e trasformazioni energetiche essenziali per nutrizione, crescita, riparazione (metabolismo = insieme delle attività chimiche dell'organismo).
• Risposta agli stimoli e adattamento: cambiamenti fisici o chimici che avvengono nel loro ambiente interno o esterno (cambiamenti di colore, intensità della luce); la risposta agli stimoli determina il movimento, ma non sempre la locomozione; gli organismi sessili sono individui che, pur rimanendo attaccati ad una superficie, possono avere ciglia o flagelli che si agitano; l'adattamento è il carattere ereditario che migliora la capacità di un organismo di sopravvivere in un particolare ambiente.

Teoria cellulare

Sviluppata nella prima metà del 1800 da Schleiden e Schwann:

• Tutti i sistemi viventi sono composti da cellule e queste ultime rappresentano l'unità vivente fondamentale di funzione e organizzazione di tutti gli organismi.
• Ogni cellula deriva dalla divisione di una cellula preesistente.

La cellula è l'unità minima definibile come vivente: tutti gli organismi sono composti da cellule e ogni cellula deriva da altre preesistenti. Le cellule procariotiche sono quelle con materiale genetico libero nel citoplasma (batteri e archeobatteri), mentre le cellule eucariotiche hanno una varietà di organelli circondati da membrana, incluso un nucleo che contiene il DNA.

La cellula è composta dal 96% di elementi chimici come ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto, 4% di calcio, fosforo, potassio, zolfo, sodio, cloro, magnesio e la restante parte di altri elementi come boro, cromo, cobalto, etc. Il composto più presente è l'acqua che occupa circa il 70% della cellula. L'acqua è inorganica, ma legata alla vita, le sue caratteristiche sono la coesione (scorre dalle radici alle foglie delle piante), la tensione superficiale (molecole d'acqua tendono a stare attaccate ad altre molecole), e l'evaporazione (regolazione temperatura corporea).

Proprietà dell'acqua

È un composto polare, cioè ha un'estremità con una carica positiva e un'altra negativa. Allo stato solido, le molecole dell'acqua sono tenute assieme da una struttura rigida composta da legami a idrogeno. Una molecola d'acqua è formata da un atomo di ossigeno e 2 di idrogeno. L'ossigeno ha carica elettrica nulla essendo formato da 8 elettroni e 8 protoni, contenuti nel nucleo, l'idrogeno ha un elettrone che si sposta attorno al nucleo formato da un protone e ha carica neutra. Gli atomi mettono in comune alcuni elettroni che tendono a orbitare attorno al nucleo dell'ossigeno, che li attrae maggiormente, generando, all'interno della molecola, un polo debolmente positivo e uno debolmente negativo, per questo la molecola è polare.

Quando più molecole si avvicinano, le regioni dotate di opposte cariche parziali si attraggono formando un legame a idrogeno; ciascuna molecola d'acqua può formare legami a idrogeno con massimo altre 4 molecole di acqua. Allo stato gassoso i legami a idrogeno non vengono formati, mentre allo stato liquido si formano e si rompono continuamente.

pH e altre caratteristiche molecolari

Il pH è il logaritmo negativo della concentrazione degli ioni idrogeno, da 0 a 6 è definito acido (eccesso di ioni idrogeno H⁺), 7 neutro, da 8 a 14 basico (eccesso di ioni idrossido OH^-), determina molte caratteristiche della struttura e l'attività delle macromolecole come enzimi, proteine, e DNA. Le sostanze idrofiliche sono quelle che amano l'acqua come zucchero e sale da tavola che si sciolgono rapidamente, le sostanze idrofobiche sono quelle che temono l'acqua e sono importanti per la loro capacità di formare strutture che non si sciolgono.

Classi di composti biologici

Le principali classi di composti biologici sono carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici con la funzione di energia, riserva di energia e trasmissione di informazione genetica.

Carboidrati

I carboidrati sono composti ternari, contengono C, H e O in un rapporto di un atomo di carbonio per 2 di idrogeno e 1 di ossigeno (simile all'acqua, ma presente non come H₂O, ma come H e OH).

• Monosaccaridi: catena di carboni con gruppi alcolici primari alle estremità (gruppo -OH legato ad un carbonio che è legato, a sua volta, ad un altro carbonio), più gruppi alcolici secondari e un gruppo aldeidico o chetonico (C=O), sono composti da 3 a 9 atomi di C, non possono essere demoliti per idrolisi, quindi aggiunta di acqua; a seconda che contengano 3, 5 o 6 atomi di carbonio si dividono in triosi, pentosi ed esosi; operando una reazione di condensazione (unire 2 monomeri eliminando una molecola di acqua) si ottiene una sostanza detta glicoside.
• Disaccaridi: quando 2 monosaccaridi si condensano tra loro come saccarosio = glucosio + fruttosio; lattosio = glucosio + galattosio, unico zucchero di origine animale si genera intolleranza quando manca la proteina che separa i due monosaccaridi nella digestione.
• Polisaccaridi: composti da più di 10 atomi di carbonio, quelli che hanno meno atomi di carbonio sono oligosaccaridi. La cellulosa è un polisaccaride strutturale composto da più molecole rigide e fibrose di glucosio beta a catena lineare, compone la membrana delle cellule vegetali, o anche la chitina, che forma l'esoscheletro di cicale e altri animali che fanno la muta. Se si unisce glucosio alpha alle molecole abbiamo un polisaccaride di riserva, come l'amido (carboidrato di riserva vegetale, a catena ramificata) o il glicogeno (carboidrato di riserva animale, nell'uomo è depositato nel fegato e nei muscoli). Gli zuccheri e gli amidi fungono da riserva di energia per le cellule.

Il carbonio possiede proprietà particolari che gli permettono di formare grandi molecole complesse essenziali per la vita; poiché ha 4 elettroni di valenza, può formare 4 legami covalenti. I legami tra atomi di carbonio sono forti e non vengono rotti facilmente. Glucosio e galattosio sono aldeidi perché hanno il legame doppio con l'ossigeno ad una estremità, mentre il fruttosio è un chetone perché il legame doppio con l'ossigeno è all'interno della catena e quest'ultima termina con un altro gruppo alcolico.

Il galattosio ha una struttura opposta a quella del glucosio; i composti che hanno stessa formula molecolare, ma strutture differenti, quindi proprietà differenti, sono isomeri. Gli isomeri strutturali sono quelli che si differenziano per la disposizione covalente dei loro atomi che determina proprietà biochimiche distinte (glucosio e fruttosio), mentre sono isomeri geometrici i composti identici per quanto riguarda la disposizione dei loro legami covalenti, ma differenti per quanto riguarda il modo in cui sono disposti spazialmente i loro gruppi. Gli enantiomeri sono due isomeri uno speculare all'altro.

Per ogni atomo di carbonio c'è una molecola d'acqua. I carboidrati a 5 atomi di carbonio, pentosi, sono presenti in ogni cellula come il ribosio, nell'RNA e nell'ATP, e il desossiribosio, nel DNA. In soluzione non sono catene lineari, ma anelli (con un C che resta fuori dalla catena, includendo invece l'O con il doppio legame). L'ossigeno dell'atomo di carbonio 5 tende a legarsi all'atomo di carbonio 1; nel fruttosio il doppio legame con l'ossigeno è con l'atomo di carbonio 2 e non 1, forma un pentagono.

Quando il glucosio forma un anello, esistono 2 possibili isomeri che differiscono solo per l'orientamento del gruppo ossidrilico (-OH) legato al C1; se il gruppo è dalla stessa parte del gruppo -CH₂OH allora abbiamo il glucosio beta, in caso contrario glucosio alpha. Molte molecole biologiche, come proteine e acidi nucleici, hanno dimensioni notevoli essendo composte da migliaia di atomi, sono note come macromolecole e sono polimeri formati dall'unione di composti organici più piccoli detti monomeri. I polimeri possono essere degradati nei monomeri che li compongono tramite idrolisi, quindi aggiunta di acqua, così allo stesso modo si formano per condensazione con l'eliminazione di molecole d'acqua.

Lipidi

Non sono definiti dalla loro struttura come i carboidrati, ma dal fatto che essendo costituiti da pochi O sono idrofobici e apolari (cariche distribuite in modo uniforme), quindi non mostrano affinità con l'acqua che non può scioglierli, mentre sono solubili nei solventi polari. Costituiscono il 17% del nostro peso corporeo, hanno funzioni strutturali, di riserva o regolatorie e producono il doppio dell'energia per grammo rispetto ai carboidrati.

Tra i lipidi semplici (con un numero pari di C) ci sono i saturi (molecole unite solo da legami singoli a parte quello con 2 O e 1 OH, quindi hanno una struttura lineare e sono composti solidi) o insaturi (molecole con legami doppi tra 2 C che forma una molecola curva, tendono a essere liquidi). Abbiamo i gliceridi (riserva energetica), steroidi (strutturale e regolatrice), cere (rivestimento protettivo) e i terpeni.

I trigliceridi sono formati da una testa di glicerolo e 3 code di acidi grassi; servono come riserva di energia, ma sono utilizzati negli animali anche come isolanti termici. Le vitamine sono molecole fondamentali, sono identificate da una lettera seguita dal numero della molecola, possono essere idrosolubili o liposolubili, cioè si sciolgono nei grassi. Gli steroidi sono ormoni su base lipidica, quindi è un segnalatore che viene rilasciato da parti del corpo per andare a comunicare ad altre parti del corpo cosa fare, come il testosterone e gli estrogeni.

Tra i lipidi complessi ci sono i fosfolipidi (funzione strutturale, forma le membrane cellulari), glicolipidi (strutturale), lipoproteine (trasporto di sostanze lipidiche). I fosfolipidi sono composti da un gruppo fosfato e un lipide e si presentano con una testa e due code. Le due code sono costituite da acidi grassi, sono apolari, quindi parità di cariche, e sono idrofobiche, mentre la testa contiene il fosforo, carico positivamente, idrofila perché ci sono cariche differenti, ha una struttura definita anfipatica, cioè può sopportare entrambe le reazioni all'acqua in quanto la testa cercherà il contatto con l'acqua mentre le code lo eviteranno. Quando i fosfolipidi si dispongono a 2 a 2 vanno a formare la membrana.

Proteine

Le proteine sono polimeri formati da monomeri chiamati amminoacidi e sono coinvolte in tutti gli aspetti del metabolismo, sono i componenti cellulari più versatili. Un amminoacido è formato da C legato a un gruppo amminico NH₂ e a un gruppo carbossilico COOH, poi si lega anche a H e a un'altra molecola organica variabile chiamata R, spesso un altro H, e questa è l'unica parte che cambia tra gli amminoacidi.

Le strutturali sono proteine necessarie per la formazione dei tessuti (cheratina), di trasporto in grado di trasportare determinati elementi (emoglobina), regolazione che formano ormoni, riserva per la produzione di energia, difesa (anticorpi), contrattili, enzimi che sono catalizzatori biologici, quindi acceleratori di processi chimici. Le proteine dei sistemi viventi usano sempre gli stessi 20 amminoacidi e questi ultimi possono essere polari quando l'ossigeno predomina e rendono la molecola idrofilica, elettricamente carichi, positivamente carichi quando contengono azoto, non polari quando le cariche sono distribuite equamente e quindi la molecola è idrofobica.

Gli amminoacidi si combinano tra loro legando il C del gruppo carbossilico con N del gruppo amminico di un'altra molecola generando un legame peptidico. È un legame forte per cui 2 amminoacidi perdono una molecola di acqua e si legano, la proteina non può ruotare a causa del doppio legame tra CO o CN e quindi la catena resta regolare; le proteine iniziano sempre con NH₂ e finiscono con COOH. Se la catena è composta da 2 amminoacidi prende il nome di dipeptide, mentre se sono di più è un polipeptide. A seconda di come è composta una proteina, cambia la sua funzione; hanno una forma particolare in base a ciò che devono trasportare.

Livelli di organizzazione delle proteine

• Struttura primaria: sequenza lineare di amminoacidi che ci informa di quali elementi chimici è composta la proteina, iniziando da N e finendo con il C, ma è un ordine effimero poiché gli amminoacidi, piegandosi tra loro, stabiliscono dei legami a ponte idrogeno che sfruttano la polarità: in genere i vari O si legano a C creando un polo negativo, mentre H fa da polo positivo. Il legame a interazione elettrica è più debole del legame covalente perché gli atomi non condividono elettroni.
• Struttura secondaria: quando le proteine ruotano sul C centrale formando legami a idrogeno e creando un avvolgimento elicoidale uniforme (alpha elica) che dona elasticità alla struttura (capelli, unghie) oppure quando i legami a idrogeno si formano tra regioni differenti di una stessa catena dando una forma a zig zag la cui caratteristica è la flessibilità (foglietto beta-ripiegato); entrambe le strutture possono essere presenti e possono ripetersi diverse volte.
• Struttura terziaria: interazioni dei gruppi R creando una struttura globulare in quanto la proteina si ripiega più volte su se stessa, è svincolata dalla struttura secondaria.
• Struttura quaternaria: quando più proteine in struttura terziaria si modulano tra loro.

Gli enzimi sono catalizzatori biologici: i siti attivi, presenti nell'enzima, cercano le molecole che servono e le dispongono in modo tale che la reazione sia spontanea. Le componenti di questo processo sono: sito attivo, reagenti (molecole che reagiscono), substrato dell'enzima (complementari al sito attivo), prodotti che si sganciano dal sito attivo generando una nuova forma. Il substrato va a collegarsi con l'enzima nel sito attivo, successivamente viene a crearsi un prodotto. Gli enzimi quindi catalizzano le reazioni velocizzandole, non creano reazioni impossibili, ma velocizzano le esistenti e abbassano l'energia di attivazione in quanto, se c'è l'enzima, serve meno energia per attivare una reazione (es. accensione gas fornello che necessita della scintilla per far partire la prima reazione).

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici trasmettono l'informazione ereditaria e determinano quali proteine debbano essere sintetizzate dalla cellula; nelle cellule esistono 2 tipi di acidi nucleici: acido ribonucleico (RNA) e acido desossiribonucleico (DNA). Il secondo costituisce i geni, il materiale ereditario della cellula e contiene le istruzioni per sintetizzare tutte le proteine e tutto l'RNA necessario per l'organismo, il primo interviene nel processo con cui gli amminoacidi si combinano tra loro per formare polipeptidi.

Sono polimeri, quindi polinucleotidi, formati da nucleotidi (monomeri degli acidi nucleici), unità molecolari costituite da 3 diverse parti:

• Zucchero pentoso: in forma ciclica con 5 atomi di C con O inserito nella struttura e C5 esterno a cui si lega il gruppo fosfato; può essere ribosio o desossiribosio, si differenziano solo per un legame in C2; nell'RNA lo zucchero presente è il ribosio (in posizione 2 ha un ossidrile, quindi un gruppo OH), nel DNA il desossiribosio (in posizione 2 si lega con un atomo di H).
• Base azotata: cicli di carbonio e azoto; rendono la molecola basica; può essere a doppio anello come nelle purine o ad anello singolo come nelle piramidine; il DNA contiene le purine adenina e guanina e le pirimidine citosina e timina, oltre allo zucchero desossiribosio e al fosfato, mentre l'RNA contiene le purine adenina e guanina e le piramidine citosina e uracile oltre allo zucchero ribosio e al fosfato, nell'RNA al posto della timina abbiamo l'uracile.
• Gruppo fosfato: rende la molecola acida ed è uguale per entrambi.

I nucleotidi non formano solo acidi nucleici, ma formano anche la molecola dell'ATP (adenosina trifosfato: adenina di base che si lega a 3 gruppi fosfato e al ribosio), libera energia utile per la cellula; il distacco di un gruppo fosforico dall'ATP porta alla formazione dell'ADP, adenosina disfosfato, e al rilascio di energia, AMP, quando ha un solo gruppo fosforico.

Gli enzimi hanno non solo un sito attivo per la molecola da trasformare, ma anche un sito attivo per l'ATP, qui viene rotto il legame con il gruppo fosfato e l'ATP si trasforma in ADP. Il DNA è composto da monomeri di desossiribosio, una base azotata e un gruppo fosfato; il C3 si lega con il C5 del gruppo fosfato.