Biologia per test di ammissione medico-sanitari

Biologia lezione 1

Come distinguiamo un organismo vivente da un non vivente?

La capacità di riprodursi generando altri organismi dotati delle stesse caratteristiche fondamentali, controllate da un programma genetico.

Proprietà dei viventi

• Gli organismi sono formati da cellule: quando sono formati da una sola cellula (unicellulari) mentre quando sono formati da più cellule (pluricellulari).
• Gli organismi crescono e si sviluppano: aumentando di dimensioni e di numero di cellule cambiando a livello strutturale e fisiologico durante il corso della vita.
• Gli organismi si riproducono: generano altri organismi simili garantendo la perpetuazione della specie a cui appartengono.
• Gli organismi regolano il loro metabolismo: il metabolismo è un insieme di reazioni chimiche che garantisce l’omeostasi, cioè la stabilità delle caratteristiche dell’ambiente interno.
• Gli organismi rispondono agli stimoli: percepiscono i cambiamenti che avvengono nell’ambiente esterno e mettono in atto processi in risposta ad essi. Per questo le popolazioni dei viventi sono soggette ad evoluzione.
• Gli organismi possiedono informazione genetica: contenuta nei geni, formati da DNA.

Gli organismi viventi sono costituiti da composti chimici che vengono trasformati per vari motivi, per la crescita, l’alimentazione, la riproduzione, etc.

Biochimica

La biochimica si occupa delle relazioni tra fenomeni biologici e caratteristiche chimiche della materia vivente. Ad oggi sappiamo che ogni cellula di ogni organismo vivente svolge molteplici funzioni seguendo un programma codificato di informazione biologica: assume dall’esterno le sostanze, le trasforma in composti che utilizza in vario modo ed espelle i prodotti di scarto o in eccesso; si riproduce e trasferisce ai discendenti le informazioni che ne guidano il funzionamento; sintetizza molecole grandi partendo da molecole piccole e, quando occorre, effettua il processo inverso; ottiene l’energia che occorre per far avvenire le reazioni endotermiche, ricavandola dalle reazioni esotermiche. Perciò, la vita è un processo fondato su reazioni chimiche.

La biochimica quindi studia il metabolismo, cioè l’insieme delle trasformazioni chimiche che avvengono negli organismi che riguardano le biomolecole o molecole biologiche, riconducibili a:

• Carboidrati: fabbisogno energetico e strutturale delle cellule
• Proteine: funzioni strutturali e regolazione dello svolgimento delle reazioni
• Lipidi: fabbisogno energetico e formazione di importanti strutture cellulari
• Acidi nucleici: deputati alla conservazione e alla trasmissione delle informazioni ereditarie

Carboidrati

Sono chiamati anche glucidi e sono gli zuccheri e i loro derivati. Contengono carbonio, idrogeno, ossigeno. Hanno formula generale C_nH_2nO_n. Tra essi troviamo il glucosio, molto noto, il fruttosio, la cellulosa, l’amido. La maggior parte dell’energia necessaria alla vita delle cellule deriva dall’ossidazione dei carboidrati. I carboidrati sono composti monomerici o polimerici in cui sono presenti un gruppo carbonilico, aldeidico o chetonico, e almeno due gruppi alcolici; sono perciò poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni. I carboidrati sono divisibili in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi a seconda che siano costituiti da 1, 2 o da un numero elevato di monomeri legati a formare la molecola.

Monosaccaridi

Hanno da 3 a 8 atomi di C. Sono definiti triosi, tetrosi, pentosi, esosi in base al numero. Per la presenza di gruppi alcolici e del gruppo carbonilico, i monosaccaridi possono dare reazioni caratteristiche di ciascuno dei due gruppi. Il monosaccaride più semplice è la gliceraldeide (in forma di aldeide) e il diidrossiacetone (in forma di chetone). In soluzione, le due forme sono in equilibrio. La gliceraldeide ha un atomo di carbonio asimmetrico, perciò esistono due enantiomeri:

• Lo zucchero con OH a destra è detto D-gliceraldeide
• Lo zucchero con OH a sinistra è detto L-gliceraldeide

ATTENZIONE: in molecole più grandi della gliceraldeide, per attribuire D o L si guarda il carbonio più lontano dal gruppo aldeidico/chetonico. In natura sono presenti solamente gli isomeri D, gli L sono artificiali. Gli zuccheri noti che a noi possono interessare sono il D-ribosio (presente nell’RNA) e il 2-desossiribosio (presente nel DNA). L’aldoesoso più noto e diffuso è il D-glucosio che si trova nel saccarosio ed è il monomero che costituisce amido e glicogeno. Riscaldato, fonde e si trasforma in caramello bruno. Viene prodotto dalle piante tramite la fotosintesi clorofilliana attraverso la reazione di sintesi che parte dalla CO₂ e dall’acqua.

I monosaccaridi si trovano anche in forma ad anello dato che le forme cicliche e quelle aperte si trovano in equilibrio tra loro e possono trasformarsi facilmente le une nelle altre. L’equilibrio, però, è spostato per oltre il 90% verso le forme cicliche. Le forme cicliche a 5 atomi di C si chiamano furanosi e quelli a 6 atomi di C si chiamano piranosi.

Disaccaridi e polisaccaridi

Due monosaccaridi possono unirsi tra loro a formare disaccaridi e una molecola di acqua. Reazioni come questa si chiamano reazioni di condensazione. La reazione inversa, di scissione, si chiama idrolisi. Quando si legano tra loro i disaccaridi formano un legame glicosidico dove un atomo di ossigeno lega i due monosaccaridi a livello del C in posizione 1 di un monosaccaride e un gruppo ossidrilico OH dell’altro monosaccaride. Esempi sono il lattosio che si forma per reazione del D-galattosio con il D-glucosio; anche il saccarosio si forma dal glucosio + fruttosio.

I polisaccaridi si ottengono per condensazione di centinaia di molecole di un monosaccaride, che è quasi sempre il glucosio. Glicogeno e amido sono i più comuni polisaccaridi con funzioni energetiche di riserva, il glicogeno, ramificato, è contenuto nel fegato degli organismi animali, l’amido nei semi e nelle cellule vegetali come riserva; la cellulosa è il polisaccaride con funzioni strutturali, tipico dei tessuti di sostegno dei vegetali. Questa è formata da robuste fibre, che sono catene lineari di molecole di glucosio. Il legame è difficilissimo da rompere, difatti il nostro organismo non può farlo, ma quello degli erbivori sì.

Lipidi

Sono chiamati comunemente grassi e sono molecole organiche naturali insolubili o poco solubili in acqua. Sono definiti non in base alla struttura ma in base alle proprietà fisiche, tra cui la solubilità è la più importante. I lipidi più comuni sono esteri del glicerolo o di alcoli superiori con acidi grassi saturi o insaturi. Gli acidi grassi che costituiscono i lipidi naturali contengono un numero pari di atomi di C e possono essere saturi o, se contengono doppi legami, insaturi. Negli insaturi possiamo trovare isomeria cis-trans, dove l’isomero cis è il più comune in natura. A parità di peso, la quantità di energia che è fornita dai lipidi è circa doppia rispetto a quella ricavabile dai carboidrati; ciò significa che per fornire la stessa energia di una certa quantità di zucchero è sufficiente una quantità di grasso corrispondente alla metà.

I lipidi semplici sono steroidi (colesterolo), vitamine liposolubili (ormoni). Gli steroidi sono composti apolari fatti da 4 anelli condensati, di cui tre esatomici e uno pentatomico. Sono la base di numerosissime molecole biologiche. I lipidi complessi sono trigliceridi, i fosfolipidi, fosfogliceridi, sfingolipidi e glicolipidi.

I trigliceridi sono i più abbondanti in natura. Sono esteri che si formano da una reazione di condensazione tra una molecola di glicerolo e tre molecole di acido grasso. Se il glicerolo è esterificato con acidi grassi saturi, cioè senza doppi legami, si hanno i grassi, tipici degli animali (lardo, strutto); se invece gli acidi grassi sono insaturi, abbiamo gli oli, tipici dei vegetali, come l’olio d’oliva e l’olio di semi di girasole.

Esiste un’altra categoria di lipidi: fosfolipidi che sono esteri dell’acido fosforico H₃PO₄. I principali esponenti sono i fosfogliceridi e gli sfingolipidi. I fosfogliceridi sono trigliceridi in cui un acido grasso è sostituito da un gruppo fosfato, legato a sua volta a una base azotata. Fosfato e base azotata sono la parte idrofila. Da doppi strati di fosfolipidi si formano le membrane biologiche.

Gli sfingolipidi sono composti formati da un acido grasso e dalla sfingosina, un amminoalcol insaturo a lunga catena. Anche loro si trovano nelle membrane biologiche ma più spesso quelle della guaina mielinica nel tessuto nervoso.

Amminoacidi

Gli amminoacidi sono molecole bifunzionali, in cui sono presenti un gruppo amminico -NH₂ e un gruppo carbossilico -COOH. In un amminoacido il gruppo carbossilico e il gruppo amminico sono legati allo stesso atomo di carbonio, cui è legato anche un gruppo radicale -R che differisce nei vari amminoacidi e un H. Gli amminoacidi sono in tutto 20, di cui 8 essenziali (valina, isoleucina, leucina, metionina, fenilalanina, triptofano, treonina, lisina) in quanto devono essere introdotti con la dieta perché il nostro organismo non è capace di sintetizzarli.

Tutti gli amminoacidi, ad eccezione della glicina, hanno un atomo di carbonio asimmetrico e chirale. Sono perciò molecole otticamente attive e sono presenti in forma D e L. In natura troviamo sempre e solo gli L-stereoisomeri dato che le reazioni del metabolismo cellulare sono specifiche e precise anche nel determinare le posizioni degli atomi nello spazio, perciò vengono prodotti solo gli L poiché solo gli L sono riconosciuti.

In base alle proprietà dei gruppi radicali R, che rappresentano la parte in cui si differenziano i 20 amminoacidi naturali, possiamo dividere gli amminoacidi in:

• Apolari idrofobici: glicina, alanina, prolina, valina, leucina, isoleucina, metionina
• Polari non carichi: serina, treonina, cisteina, asparagina, glutammina
• Polari positivi idrofili: lisina, arginina, istidina
• Polari negativi idrofili: aspartato e glutammato
• Aromatici: fenilalanina, tirosina, triptofano

Gli amminoacidi in soluzione acquosa sono ionizzati e possono reagire sia come acidi che come basi. Gli amminoacidi con un solo gruppo amminico e un solo gruppo carbossilico costituiscono in determinate condizioni uno ione dipolare o zwitterione. Un amminoacido è uno zwitterione quando sono contemporaneamente ionizzati sia il gruppo amminico sia quello carbossilico. Diventano quindi NH₃⁺ e COO^-. A un determinato valore di pH, detto punto isoelettrico, le due cariche sono esattamente uguali e si annullano.

Peptidi

Due molecole di amminoacido si possono unire con una reazione di condensazione per formare un peptide. Si elimina una molecola d’acqua e si instaura un legame peptidico tra il COOH di un amminoacido e NH₂ di quello successivo. In un peptide, un amminoacido rimane con il gruppo amminico libero e prende il nome di residuo ammino-terminale o residuo N-terminale. La parte opposta della molecola, dove rimane il gruppo carbossilico libero, rappresenta il residuo carbossi-terminale o residuo C-terminale. Quando si uniscono più amminoacidi si ottengono i polipeptidi. Questo permette al nostro organismo e a tutto ciò che ci circonda di avere una variabilità estrema dato che ci sono combinazioni quasi infinite dei 20 amminoacidi presenti in natura.

Le proprietà chimico-fisiche di un polipeptide dipendono:

• Dal numero e dalla tipologia degli amminoacidi
• Dall’ordine in cui gli amminoacidi si succedono

I peptidi costituiti da più di 70 amminoacidi si chiamano proteine.

Proteine

Le proteine sono molecole complesse presenti in abbondanza in ogni organismo. Hanno il compito fondamentale di regolare lo svolgimento delle reazioni metaboliche. Quelle formate esclusivamente da amminoacidi sono chiamate proteine semplici e vi si contrappongono le proteine coniugate, come ad esempio quelle che contengono residui lipidici (lipoproteine) o quelle che hanno gruppi coniugati derivati dai carboidrati (glicoproteine). Per considerare un polipeptide come proteina bisogna che il numero di amminoacidi legati sia elevato e il peso molecolare sia superiore a 20.000 u.

Le proteine sono gli strumenti attraverso i quali è espressa l’informazione biologica; le proteine sono polipeptidi costituiti da molte unità amminoacidiche legate da legami peptidici in sequenze caratteristiche per ciascuna di esse. I gruppi C=O e NH sono potenziali centri per legami a idrogeno. Alcuni gruppi laterali R possono essere coinvolti in legami idrogeno. Questo causa delle conformazioni ben definite e specifiche. Le proteine sono impiegate per l’accrescimento e il mantenimento dei tessuti corporei. Vengono classificate in base alla loro forma:

• Proteine globulari: hanno catene polipeptidiche ripiegate in forme contorte, raccolte, compatte e più o meno sferiche. Sono in genere solubili in acqua e in grado di diffondere con facilità. Hanno funzione strutturale o regolativa. Esempi sono enzimi, emoglobina, mioglobina, anticorpi.
• Proteine fibrose: cheratina e collagene, sono insolubili in acqua. Sono formate da fogli di catene polimeriche unite e piegate con regolarità oppure da lunghe fibre che risultano da catene polipeptidiche a forma di elica, attorcigliate tra loro.

Hanno 4 diversi livelli di struttura:

1. Struttura primaria: l’ordine col quale si succedono gli amminoacidi lungo la catena polipeptidica; ogni proteina ha la propria caratteristica sequenza.
2. Struttura secondaria: disposizione nello spazio della catena polipeptidica, determinata dai legami idrogeno che si stabiliscono tra gruppi amminici e gruppi carbossilici di amminoacidi diversi; può essere a elica o a foglietto ripiegato.
3. Struttura terziaria: forma che la proteina assume nello spazio a causa delle interazioni che si stabiliscono tra i gruppi radicali R degli amminoacidi e tra questi e l’ambiente circostante.
4. Struttura quaternaria: struttura spaziale assunta dalle proteine composte da due o più catene polipeptidiche, dette subunità, legate tra loro da legami secondari.

Particolari tipi di proteine sono gli enzimi (tutti gli enzimi sono proteine ma non tutte le proteine sono enzimi). Se pensiamo ad una cellula e alle leggi della chimica che abbiamo ripetuto spesso durante il corso, capiamo bene la necessità per cui debbano esserci queste particolari proteine: in una cellula le molecole si scontrano in continuazione, sono sempre potenziali reagenti di notevoli reazioni chimiche. Le biomolecole, però, hanno legami chimici sufficientemente forti da resistere agli urti e da rendere le reazioni tanto lente da essere irrilevanti.

Si ha perciò la necessità di rendere veloci queste lente reazioni ma di non farle accadere ogniqualvolta si abbia uno scontro tra molecole. Ecco che entrano in gioco gli enzimi che possono accelerare lo svolgimento di reazioni chimiche che altrimenti sarebbero molto lente e rendono specifiche le reazioni. Si legano temporaneamente alle biomolecole. Nelle reazioni di scissione indeboliscono i legami dei reagenti fino a provocarne la rottura. Nelle reazioni di sintesi orientano le molecole nello spazio in modo che si leghino facilmente tra loro. Le molecole su cui agiscono sono dette substrato mentre la parte della molecola enzimatica che si lega con il substrato è detta sito attivo. Al termine della reazione, la molecola enzimatica torna nelle stesse condizioni iniziali, pronta a catalizzare una nuova reazione in un velocissimo ciclo.

Basi azotate e nucleotidi

Gli acidi nucleici sono composti organici complessi, ottenuti dalla combinazione di molecole più piccole appartenenti a classi differenti tra cui le basi azotate: derivati dei composti purina e pirimidina. Abbiamo guanina e adenina derivanti dalla purina e citosina, timina, uracile derivati dalla pirimidina.

Un atomo di azoto di una base azotata può legarsi a una molecola di pentoso a formare un nucleoside. Il pentoso, chiuso ad anello, può essere ribosio nel caso dell’RNA e 2-desossiribosio nel caso del DNA (gli manca un O in C₂). A sua volta, un nucleoside può legarsi con un gruppo fosfato derivato dall’acido fosforico H₃PO₄, per formare un nucleotide. I nucleotidi sono esteri fosforici dei nucleosidi e consistono di una base azotata unita a un pentoso legato ad almeno un gruppo fosfato mediante un legame esterico. L’estere può essere monofosfato, difosfato o trifosfato.

Quando due gruppi fosfato si legano insieme, si ha la formazione di un legame ad alta energia. In tutti gli organismi, il trasporto di energia in forma chimica è affidato alla coppia ADP-ATP adenosin difosfato – adenosin trifosfato. Questi nucleotidi caricano e scaricano continuamente gruppi fosfato e quindi catturano e rilasciano energia, trasportandola così tra le varie parti della cellula.

Acidi nucleici

Il gruppo fosforico di un nucleotide può reagire con un gruppo alcolico del pentoso di un altro nucleotide. Si forma acqua e i due nucleotidi si uniscono con un legame stabile a formare un acido nucleico. Sono quindi polimeri dei nucleotidi. Nei sistemi viventi abbiamo 2 tipi di acidi nucleici:

• RNA o acido ribonucleico: il pentoso che lo costituisce è il ribosio. Sono molecole costituite da un solo filamento che a volte stabilisce legami secondari tra nucleotidi distanti e così si ripiega su sé stesso.