Biologia e biochimica

BIOLOGIA E BIOCHIMICA

Lezione 13.10

Prof. Ivan di Mauro e Prof.ssa Maria Paola Paronetto

Sabatini, ceci e duranti → Prof. Di biochimica al 2ndo semestre

5 crediti biologia e genetica

2 crediti di antropologia

5 crediti di biochimica

Parte di esercitazione: Prof. Duranti (biochimica) e prof.ssa Fantini (biologia)

Testi di biologia: vedi foto

4 esoneri, 2 biologia e 2 biochimica→ se si prende più di 18 non serve fare l'appello di giugno

scritto, ma si può passare direttamente all'orale

Vedi argomenti delle lezioni da foto

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Quando dobbiamo approcciare ad un sistema, abbiamo due metodi:

● Riduzionistico: da una visione di insieme andiamo verso il particolare. È il metodo della

scienza, perché lo studio è tanto più preciso quanto le cose sono semplici.

● Olismo: a partire dal particolare possiamo arrivare al generale (da atomo a tessuto,

organo, ecosistema, ecc)

SISTEMI BIOLOGICI:

● complessità: chimica, strutturale, organizzativa, funzionale

● organizzazione cellulare

● metabolismo: assunzione di energia, trasformazioni biochimiche

● reattività, omeostasi

MARTINA PROETTO 1

● informazione propria

● adattamento, evoluzione

● crescita: accrescimento e sviluppo

● riproduzione, eredità

esprimono capacità:

organizzative → complessità

● conservative → stabilità

● evolutive → adattabilità

●

Può essere più o meno organizzata (eucarioti/procarioti) e variamente adattata a specifici

sistemi di vita (animali/piante), funzioni (tessuti diversi) o bisogni (eritrociti anucleati).

→ Esistono organismi semplici costituiti da una sola cellula, tipo i protozoi, o organismi più

grandi e complessi formati da trilioni di cellule, come gli esseri umani.

→ Esistono organismi anche più semplici, costituiti da una cellula più piccola e meno

organizzata, come i batteri (procarioti), delle dimensioni di un mitocondrio.

→ Esistono anche sistemi biologici non cellulari, come i virus o altre organizzazioni

macromolecolari (viroidi, prioni), privi di organizzazione cellulare ma in grado di riprodursi in

una cellula ospite.

organismi eucarioti, che possono presentare cloroplasti, pertanto sono organismi

Protisti:

autotrofi. La cellula può autoalimentarsi e organizzare il carbonio → organismi autotrofi ed

eterotrofi

● Protozoi (eterotrofi)

● Alghe (autotrofi)

● Funghi mucillaginosi (eterotrofi)

Differenze di organizzazione cellulare tra:

● Procarioti:

○ no nucleo,

○ no organelli delimitati da membrana,

○ parete cellulare con peptidoglicano,

○ dimensioni: massimo alcuni micrometri

● Eucarioti:

○ nucleo,

MARTINA PROETTO 2

○ organelli delimitati da membrana,

○ parete cellulare ma non formata da peptidoglicano,

○ dimensioni: possono essere 10 volte più grandi dei procarioti

Cellula animale:

● Corpo basale e Ciglia;

● Membrana plasmatica;

● Citoplasma;

● Gocciole lipidiche;

● Granuli di glicogeno;

● Centrioli;

● Microtubuli, Microfilamenti, Mitocondrio;

● Perossisoma;

● Vacuolo;

● Lisosoma;

● Vescicola endocitica e Vescicole endocitotiche in formazione;

● Vescicola di trasporto;

● Complesso di Golgi;

● Nucleo:

○ Membrana nucleare

○ Cromatina

○ Nucleolo

● Reticolo endoplasmatico:

○ Ribosomi

○ Rugoso

○ Liscio

MARTINA PROETTO 3

→ sintesi proteine

Cellula eucariotica:

● Membrana nucleare che copre il nucleo, formata da un doppio strato;

● Nucleo: corpo più grande all’interno della cellula;

● Reticolo endoplasmatico: sistema di endomembrane su cui si sintetizzano le proteine

(per mezzo dei ribosomi: in essi, gli amminoacidi sono assemblati in proteine) e altre

molecole organiche.

○ Queste, una volta sintetizzate vengono portate nel Complesso di Golgi, un

centro di elaborazione e imballaggio di molecole complesse.

■ Al suo interno le vescicole vengono lavorate e poi fatte uscire per

essere portate al loro destino finale.

● Lisosomi e perossisomi: sono vescicole contenenti enzimi che idrolizzano o elaborano

le macromolecole;

● Centrioli: intervengono nella divisione cellulare;

● Membrana cellulare: agisce come una barriera selettivamente permeabile fra

l’ambiente esterno e quello interno;

● Citoscheletro (impalcatura su cui le vescicole si muovono): è una rete di filamenti

proteici presente nel citoplasma;

● Mitocondri: in essi avvengono le reazioni chimiche che forniscono energia per le attività

cellulari;

● Citosol: è la parte del citoplasma che contiene enzimi e diversi soluti organici e

inorganici;

● Nucleolo: in esso si formano le subunità ribosomiali;

● Cromatina

MARTINA PROETTO 4

La cellula è un sistema a controllo centralizzato, dove l’attività del DNA (trascrizione) viene

modificata in risposta a segnali chimici inviati da vari punti della superficie e del citoplasma.

Materia :

● Sostanze: formate da un solo tipo di unità costitutive (molecole);

● Miscugli: formate da unità costitutive (molecole) diverse

Proprietà fisiche della materia:

● Fisiche:

○ stato (solido, liquido, gassoso)

MARTINA PROETTO 5

○ massa e peso

○ volume, densità

○ energia

● Chimiche:

○ sono le proprietà che si possono osservare quando una sostanza subisce una

trasformazione in un’altra sostanza

VITA=FUNZIONAMENTO=MOTO

● Moto: interno al sistema (flussi intracellulari, moti interni, ecc.)

● Movimento: spostamento solidale al sistema, traslazione

Citoscheletro

Struttura che fornisce sostegno alla cellula, ne mantiene la forma ed è responsabile della sua

motilità.

Sorregge:

● Moti intracellulari (correnti citoplasmatiche, spostamento di organelli, ...)

● Movimento ameboide

● Movimento per ciglia o flagelli

● Movimenti per contrazione muscolare

→ tutti questi movimenti sono determinati dall’azione coordinata di microtubuli e microfilamenti,

strutture ultramicroscopiche del citoscheletro costituite da proteine motrici (actina e miosina)

E’ costituito da tre componenti:

● Microtubuli

● Microfilamenti (di actina)

● Filamenti intermedi

I SISTEMI BIOLOGICI E L’ENERGIA

I sistemi biologici contrastano la tendenza a decadere (CO2+H2O) mediante una continua

assunzione di energia e una massima economia d’impiego.

“Ciò che sospinge la vita … è una piccola corrente elettrica mantenuta dalla luce solare”

Energia luminosa → Energia elettrica (passaggio di elettroni) → Energia chimica

6CO2 + 6H2O + energia → fotosintesi/respirazione → C6H12O6 +6O2

LEGGI DELLA TERMODINAMICA

MARTINA PROETTO 6

1. Legge della conservazione: all'interno di un sistema chiuso l’energia/materia

complessiva è costante (l’energia/materia non si crea, non si distrugge, ma si

trasforma)

2. Entropia: in assenza di apporto energetico dall’esterno, qualsiasi sistema decade

verso il massimo disordine

a. In ogni trasformazione, parte dell’energia si disperde sotto forma di calore

(moto molecolare) e non è più utilizzabile, traducendosi in entropia.

b. L’entropia è nulla a 0°K=-273°C (assenza di moto molecolare).

METABOLISMO

1. Sequenze di reazioni (tappe)

2. ogni tappa è catalizzata da un enzima specifico

3. ATP come trasportatore di energia

4. NAD, NADP E FAD, come trasportatori di energia ed elettroni

ADENOSINA TRIFOSFATO (ATP)

E’ composto da adenina, ribosio e 3 gruppi fosfato. I legami che legano i due gruppi fosfato

terminali dell’ATP, detti legami fosfato, sono facilmente idrolizzabili ed hanno alta potenzialità

di trasferire il gruppo fosfato insieme a parte dell’energia del legame.

Microtubuli: all'interno si muovono le vescicole

All'interno del nucleo c'è il DNA→ trascritto e tradotto

Processo Processo maturazione: l'Rna deve essere modificato , dove vengono eliminate le

sostanze non codificanti

tRna: trasporta amminoacidi (amminoacido principale viene Dettato dall'Ansa dell'anticodone)

Ogni ribosoma è formato da una subunità maggiore e una minore

Riconoscimento codone-anticodone e attaccamento

Traduzione: nel citoplasma, nei ribosomi (o liberi o associati al reticolo rugoso)

MARTINA PROETTO 7

Terminato questo processo, il polipeptide subisce un processo di maturazione, o nel reticolo

endoplasmatico rugosa dove viene sintetizzata la proteina, oppure nel reticolo

endoplasmatico dove le proteine vengono portate nel complesso di golgi.

Entra nel complesso cis di golgi ed esce nel versante trans.

Complesso di golgi: proteine subiscono modifiche post tradizionale, (aggiunti gruppi (?)),

uscendo dal versante trans. Colore associato alla funzione e al destino finale.

Destino finale:

● Tornare nel nucleo (rna polimerasi)

● Nei lisosomi se svolgono funzione catalitica

● Membrana Plasmatica

● Espulse se svolgono funzione nella segnalazione

Organuli: proteine di trasporto

Mitocondrio: ruolo metabolico, sono le pompe di trasporto che sfruttano un gradiente protonico

per ottenere ATP sintasi (enzima che sfrutta il gradiente di protoni, e permette la fosforilazione

da ATP ad ADP)

Coso verde: cloroplasto (ha fotosintesi che permettono di attuare energia luminosa e di

trasformarla). Siamo di fronte ad una cellula vegetale.

******** CHIMICA

Struttura dell'atomo:

● Nucleo

○ Neutroni (N): non hanno una carica ma hanno la massa uguale a 1. Ruotano su

orbitali

○ Protoni (P): hanno massa uguale a 1 e carica pari a +1

● Livelli energetici (orbitali):

○ Elettroni (e): hanno massa pari a 0 e una carica pari a -1

Peso atomico (PA): dato dal numero di neutroni più quello quello neutroni e rappresenta le

caratteristiche fisiche

Numero atomico (NA): dato dal numero di protoni, pari al numero di elettroni e rappresenta le

caratteristiche chimiche.

Isotopi: atomi che hanno lo stesso numero atomico (stesso numero di protoni e elettroni) ma

diverso peso atomico.

Numero atomico Z → carica netta uguale a 0 (numero di protoni e elettroni è uguale) → è

definito come il numero di protoni presenti nel nucleo.

Numero di massa A → pari alla somma delle masse di tutti i protoni e neutroni presenti in un

atomo. Quando di un elemento si vuole specificare il numero di massa, lo si scrive in alto (in

posizione di apice) a sinistra del simbolo chimico:

MARTINA PROETTO 8

ELEMENTI ED ISOTOPI:

Ad ogni numero atomico corrisponde un diverso elemento chimico.

In un atomo neutro il numero atomico è pari anche al numero di elettroni; in caso contrario

l’atomo è detto ione:

● Catione (carica positiva)

● Anione (carica negativa)

Atomi aventi lo stesso numero atomico ma diverso numero di neutroni (quindi diverso numero

di massa A) sono detti isotopi.

Tavola periodica: raccolta sistematica di tutti gli elementi presenti in natura.

UMA (unità di massa atomica): definita come un 1/12 della massa di un particolare atomo

atomo di carbonio C, chiamato carbonio 12 (C12).

ISOTOPI

Atomo di H:

● In natura e nelle macromolecole biologiche.

● Ha solo un protone e un elettrone (neutro).

● NA uguale a 1 e PA uguale a 1.

● Esistono 2 isotopi:

○ deuterio (1 neutrone, con massa 2)

trizio (2 neutroni, con massa 3) → (cambia il numero di neutroni ma stessi

○ protoni)

Atomo di C:

● Negli zuccheri, nello scheletro carbonioso degli acidi nucleici.

● Carbonio 12 (6 neutroni), Carbonio 13 (7 neutroni) e Carbonio 14 (8 neutroni).

● Stesso numero atomico 6. Cambia il numero di neutroni.

● Cambia massa atomica (12,13 e 14)

MARTINA PROETTO 9

Azoto N:

● Macromolecole biologiche, nelle proteine, base azotate del dna.

● Ha numero atomico 7, con 7 protoni, neutroni ed elettroni

● Peso atomico 14

● Ha isotopi 15 e presenta un neutrone in più

Ossigeno O:

● Aria, macromolecole biologiche, acidi nucleici, proteine, ecc.

● Numero atomico 8, con 8 protoni, neutroni e elettroni

● Peso atomico 16.

DISPOSIZIONE DEGLI ELETTRONI:

Gli elettroni orbitano intorno al nucleo su livelli energetici diversi, ciascuno contenente 1 o più

orbitali che si saturano con 2e ciascuno.

Il primo strato si satura con 2e (1 solo orbitale). Gli strati successivi sono stabili, quindi

completi, con 8e (4 orbitali).

→ Questo quadro semplificato vale solo per gli atomi più piccoli e che si ritrovano nelle comuni

molecole e nelle reazioni di interesse biologico.

→ In realtà, e come si verifica in particolare negli altri tipi di atomi, più grandi e molto più rari, la

situazione è poi più complessa.

Orbitale: probabilità d'incontrare un elettrone attorno al nucleo (non ha più di 2 elettroni)

1s si Satura con 2 elettroni

Stadi successivi sono stabili con 8 elettroni spalmati su 4 orbitali diversi, s e p (ellittica)

MARTINA PROETTO 10

Atomo di C: secondo il riempimento degli orbitali, il numero di elettroni si dispone andando ad

occupare prima l'orbitale s, nel secondo livello possono essere 2 nel s e 2 nel p, ma si dividono

con 1 nel s e 3 nel p.

Orbitali ibridi con stesso contenuto energetico → può fare quattro legami, dove

● permette di raggiungere la configurazione elettronica, saturando il secondo livello

energetico, raggiungendo l'ottetto l'attestato una stabilità energetica.

● Si formano 4 orbitali ibridi di tipo sp3

MARTINA PROETTO 11

Reattività chimica dell’atomo

L’atomo reagisce con altri atomi per raggiungere la configurazione elettronica dell'ottetto.

● L’atomo da un lato tende a mantenersi elettricamente neutro

○ numero di P = numero di e

● Dall'altro satura i livelli energetici esterni riempiendoli del relativo numero massimo di

elettroni

○ 2e per il primo livello, 8e per i livelli successivi (“regola dell’ottetto”)

MARTINA PROETTO 12

Tavola periodica

● Ideata da Mendeleev nel 1869 e da Meyer (tedesco)

● Si basava sui pesi atomici, poiché il concetto di numero atomico comparve più tardi

(inizi del XX secolo).

● E’ lo schema con il quale vengono ordinati gli elementi sulla base del loro numero

atomico Z.

→ Il comportamento di un atomo è determinato dal numero di e del suo livello energetico

esterno, facilmente ricavabile dal NA.

→ Se ordiniamo gli atomi in base al numero atomico (NA) crescente, avremo delle somiglianze

ripetitive/periodiche di comportamento, che si ripetono ogni 8 numeri.

MARTINA PROETTO 13

Dati:

● Numero atomico Z: numero di protoni ed elettroni

● Gruppo: ci dice degli elettroni dell'ultimo livello di quegli elementi che hanno

caratteristiche simili.

○ comprende gli elementi che hanno stessa configurazione elettronica esterna

(colonna)

● Periodo: il livello energetico più esterno

○ inizia con un elemento il cui atomo ha come configurazione elettronica esterna

un elettrone di tipo s (riga). Il numero atomico aumenta di una unità ogni

passaggio.

● Numero di massa atomica

● Elettronegatività: capacità di attrarre su di sé gli elettronica di legame

● Configurazione elettronica

MARTINA PROETTO 14

Atomi più comuni:

● Ossigeno

● Carbonio

● Idrogeno

● Calcio

● Fosforo

● Potassio

● Zolfo

● Sodio

● Cloro

● Magnesio

● Nitro

Reazioni e legami chimici

Un atomo deve essere in una situazione situazione stabilità (quando i suoi livelli energetici

sono pieni)

→ He gas nobile: all'ultimo livello energetico è pieno e non interagisce con nessuno (ha

raggiunto l’ottetto).

Gli atomi, per saturare il livello energetico più esterno, può reagire:

● Ossidoriduzione : reazione di cui gli atomi si riuniscono nella reazione e c'è sempre uno

che cede e quindi si ossida, e uno riceve e quindi si riduce.

○ ossidazione: cedere e

○ riduzione: acquistando e

● Mettendo in comune e con gli altri atomi

MARTINA PROETTO 15

Reazione di ossidoriduzione

● L’ossidazione consiste nella perdita di elettroni e conseguente trasformazione in ione

positivo (catione)

● La reazione di riduzione consiste nell'acquisto di elettroni e la conseguente

trasformazione in ione negativo (anione)

Legame ionico

● Cationi e anioni avendo carica elettrica opposta, si attraggono, formando il legame

ionico

● Avviene tra atomi in cui si ha una cessione e un acquisto di e tra essi

● Le reazioni sono praticamente simultanee (ossidoriduzione)

Se ho elettronegatività bassa sono più disposto a cedere elettroni.

Tra atomi a elettronegatività molto diversa

● Legame ionico molto forte (perchè si forma un reticolo cristallino) ma diviene debole a

contatto con solventi polari (H2O)

ELETTRONEGATIVITA’

MARTINA PROETTO 16

E’ la capacità di un atomo di attrarre elettroni verso di sé all'interno di un legame chimico

Legame covalente

Per saturare il suo livello energetico esterno, un atomo può anche mettere in comune elettroni

con altri atomi, formando legami covalenti.

È un legame tipico del Carbonio:

Radicale generico R: quando si osservano delle macromolecole e ci si sofferma su un gruppo,

si indica con R quella molecola che in quel momento non interessa.

● Se gli atomi che formano i legami hanno elettronegatività identica, il legame è

covalente puro o omopolare.

● Se hanno invece diversa elettronegatività, siccome una di un atomo è più alta dell'altra,

sarà