Fondamenti di biologia

LA BIOLOGIA STUDIA GLI ORGANISMI VIVENTI

Caratteristiche degli organismi

1.​ Sono composti da cellule

a.​ Organismi unicellulari/pluricellulari

b.​ Ogni cellula è composta dalla membrana plasmatica(regola il passaggio di sostanze tra cellula e ambiente)

c.​ L’informazione genetica è contenuta nel DNA(acido deossiribonucleico)

d.​ Gli organelli sono le strutture interne delle cellule

e.​ Cellule procariote

f.​ Cellule eucariote

i.​ Nucleo

ii.​ Organelli circondati da membrana

2.​ Crescono e si sviluppano​ Dimensioni e quantità

3.​ Regolano il metabolismo​ Insieme delle attività chimiche→Omeostasi

4.​ Rispondono agli stimoli

5.​ Si riproducono

a.​ Riproduzione assesuale o sessuale

b.​ Mutazioni genetiche

6.​ Le popolazioni si evolvono→Adattamento

Temi fondamentali della biologia

Interazione dei sistemi biologici​ Ogni organismo è un sistema biologico costituito da altri sistemi

●​ ​

Legame struttura-funzione

●​ Energia

●​ Trasmissione dell’informazione biologica

●​ Evoluzione

●​

Livelli di organizzazione biologica

Riduzionismo: Comprendere la struttura complessiva a partire dalle sue parti→Diversi livelli

●​ Proprietà emergenti: Caratteristiche non presenti a livelli inferiori

●​ Atomi→Molecole→Cellule→Tessuti→Organi→Apparati→Organismi→Ecologia→Popolazioni(stessa

●​ specie)→Comunità (specie diverse)→Ecosistema(comunità+ambiente)→Biosfera

Per essere autosufficiente un ecosistema deve contenere 3 tipologie di organismi:

Produttori/Autotrofi: Utilizzano materie prime semplici per produrre composti organici

●​ Consumatori/Eterotrofi: Dipendono dai produttori per cibo, energia e ossigeno

●​ Primari: Mangiano i produttori

○​ Secondari: Mangiano i primari

○​

Decompositori: Eterotrofi che si nutrono dei materiali organici non viventi in degradazione

●​

Procedimento scientifico

Metodo scientifico: Osservazioni Ipotesi(verificabile, confutabile) Esperimento(casualità, ripetibilità) Dati

●​ → → →

Interpretazione e conclusioni

→

Teoria scientifica: Spiegazione integrata di un’ipotesi verificabile

●​ Ragionamento induttivo: Specifico→Generale

●​ Ragionamento deduttivo: Generale→Specifico

●​

CHIMICA

Elementi: Sostanze che non possono essere scisse in sostanze più semplici

Atomo: più piccola porzione di un elemento

Elettroni​ -​ Fuori dal nucleo

●​ Protoni​ +​ Dentro il nucleo

●​ ​

Neutroni​ 0​ Dentro il nucleo

●​ Numero atomico=Numero dei protoni

●​ Massa atomica=Numero protoni+Numero neutroni

●​ -24

1 uma/dalton=1,7*10 g→1 protone/neutrone

●​ Isotopi: diverso numero di neutroni

●​ Radioisotopi(instabili)-->Tempo di decadimento

○​

Modello atomico di Bohr​ 1913

Principio di quantizzazione dell’energia: elettrone in orbite con discreti valori di energia

●​

1.​ L’elettrone non ha posizione fissa

2.​ L’energia dell’elettrone dipende dal suo orbitale

a.​ Orbitali con energia simile hanno lo stesso livello energetico principale e formano un guscio elettronico

3.​ Gli orbitali più lontani dal nucleo hanno più energia

4.​ Se un elettrone riceve energia può spostarsi dal suo orbitale

5.​ Gli elettroni di valenza occupano il guscio di valenza

1 orbitale→2 elettroni orbitali dello stesso livello→energia simile→guscio elettronico

I composti chimici

Combinazione di atomi di elementi diversi in un rapporto fisso e costante

●​ Formula chimica: modo più abbreviato per descrivere la composizione chimica di una sostanza

●​ 1

Formula semplice/empirica: più piccolo rapporto tra gli atomi di un composto

○​ Formula molecolare: numero reale di atomi in una molecola

○​ Formula di struttura: organizzazione spaziale degli atomi nello spazio

○​ Struttura di Lewis: elettroni di valenza

○​ 23

(

Mole: 6,02*10 numero di Avogadro) unità di qualcosa=1 mol

●​

Legami chimici

Forze attrattive che tengono insieme gli atomi e possiedono un'energia detta energia di legame

●​ Legame covalente

●​ Condivisione degli elettroni

○​ Ibridazione degli orbitali​ Legame covalente apolare

○​ Elettronegatività​ Legame covalente polare

○​ ​

Legame ionico

●​ Ione: particella con carica elettrica

○​ Positivi→Cationi

■​ Negativi→Anioni

■​

Costituito da 2 ioni/sali uniti dalle loro cariche opposte

○​ In acqua(solvente) si dissociano(soluto)

○​ Soluzione: liquido costituito da una miscela omogenea

■​ Idratazione

■​

Legami a Idrogeno

●​ 1H legato covalentemente a un atomo elettronegativo assume una parziale carica + che ne determina l'attrazione

○​ verso un secondo atomo elettronegativo nelle vicinanze

Deboli

○​ Veloci nel formarsi/rompersi

○​

Interazioni di van Der Waals

●​ Molecole apolari possono temporaneamente sviluppare regioni con deboli cariche e interagire transitoriamente

○​ con molecole vicine

Dovute al movimento degli elettroni

○​ Deboli

○​

Reazioni chimiche

Formazione/rottura di legami che portano a modificazioni della composizione della materia

●​ Equilibrio dinamico/chimico: la reazione procede alla stessa velocità sia a destra che a sinistra

●​ Redox

●​ Ossidazione: Un atomo acquista elettroni→agente ossidante

○​ Riduzione: Un atomo perde elettroni→agente riducente

○​ I processi di riduzione e ossidazione avvengono sempre in contemporanea

○​

L'acqua

Sostanza più abbondante sulla terra e negli organismi

●​ Mantiene un equilibrio nell'esistenza degli organismi​ temperatura oceani

●​ ​

Polarità:

●​ Legami ad H

○​ Determinano lo stato fisico dell'acqua

■​ Coesività La forza su una parte della colonna è trasmessa a tutta

■​ ​ ​

Tensione superficiale​ piante

●​ ​

Adesività

○​

Sostanze idrofiliche: interagiscono facilmente con l'acqua

●​ Sostanze idrofobiche: non si sciolgono in acqua

●​ Formano strutture per “proteggersi”

○​

Calore: quantità totale di energia cinetica in una sostanza

Energia termica: energia cinetica media di tutte le molecole

Temperatura: misura dell'energia cinetica media

Caloria: energia necessaria per alzare di 1°C la temperatura di 1g di sostanza

Calore di vaporizzazione: energia termica necessaria a far passare 1g di sostanza dallo stato liquido a quello gassoso

Acidi e Basi +

Acido: sostanza che in soluzione si dissocia producendo ioni H e anioni→dona protoni

●​ -

Base: si dissocia cedendo ioni OH e cationi→accetta protoni

●​ pH:

●​ +

Misura dell concentrazione(mol/l) degli ioni H

○​ Va da 0 a 14

○​ +

pH=-lg [H ]

○​ 10

pH>7→Soluzione basica

○​ pH=7→Soluzione neutra

○​ pH<7→Soluzione acida

○​

Tampone: sostanza che si oppone alle variazioni di pH

●​ 2

LE MACROMOLECOLE

Composti organici

Molecole costituite da atomi di C uniti tra loro

●​ Il C ha 4e di valenza→Multiuso

●​ I legami covalenti del C non sono complanari→120° di legame

●​ Rotazione nei legami singolo C-C

●​

Idrocarburi

C e H

●​ Legami apolari→Insolubili in acqua→Tendono a raggrupparsi mediante interazioni idrofobiche

●​ Possono fornire catene ramificate, non e anelli

●​

Isomeri

Stessa formula molecolare, ma forme differenti

●​ Diverse proprietà chimico-fisiche

●​ Strutturali: diversa disposizione dei legami covalenti

●​ Geometrico: diversa disposizione spaziale dei due gruppi funzionali più grandi

●​ Cis: dalla stessa parte del piano

○​ Trans: da parti opposte del piano

○​

Enantiomeri: sono l’uno l’immagine speculare dell’altro

●​

Gruppi funzionali: sostituiscono gli H

Polimeri

Formati da monomeri

●​ Idrolisi: reazione che degrada un polimero in monomeri in H2O come reagente

●​ Condensazione: reazione di sintesi di polimeri da monomeri che rilascia una molecola di H2O(sintesi di

●​ disidratazione)

Carboidrati

Cn(H2O)n

●​ Deposito di energia e funzione strutturale

●​

Monosaccaridi

Zuccheri semplici

●​ Da 3 a 7 C​ numerazione a partire dal C più vicino all’estremità carbonilica

●​ Gruppi ossidrilici​ |Proprietà

●​ ​ ​ ​ ​ 3

1 gruppo carbonilico legato con un doppio legame​ |idrofobiche

●​ Se si trova legato al C terminale allora il monosaccaride è un aldeide

○​ Se si trova legato a un C all’interno della molecola il monosaccaride è un chetone

○​

Forma ad anello

●​ In soluzione molecole di pentosi ed esosi sono ad anello

○​ Il glucosio lega covalentemente il C1 al C5

○​ Se il gruppo ossidrilico(-OH) è dalla stessa parte del piano del gruppo laterale(-CH2OH) viene chiamato

○​ b-glucosio, altrimenti a-glucosio

Amminozuccheri

●​ Derivati dei monosaccaridi

○​ Il gruppo ossidrilico(-OH) è sostituito da un gruppo amminico(-NH2)

○​ Glucosamina(cartilagine)

○​ Chitina:

○​ Subunità N-acetilglucosamina(NAG) unite da legami glicosidici

■​ Strutture compatte grazie ai legami ad H

■​ Esoscheletro di insetti, crostacei e artropodi

■​ Parete cellulare dei funghi

■​ Assente nei vertebrati

■​

Disaccaridi

2 anelli monosaccaridi sono legati con un legame glicosidico che consiste di un atomo di O centrale legato a 2

●​ C(1’ e 4’)

Oligosaccaridi

Da 3 a 20 monosarridi

●​

Polisaccaridi

Migliaia di monosaccaridi

●​ Catena lineare o ramificata

●​ Proprietà molto diverse tra loro

●​ Amido

●​ Riserva dei vegetali

○​ Monomeri di a-glucosio uniti da legami a 1-4

○​ Amilopectina

○​ Forma più comune

■​ Catena ramificata

■​

Amilosio

○​ Forma più semplice

■​ Non ramificata

■​

Glicogeno

●​ Energia nei tessuti animali

○​ Glucosio legato da legami a 1-4

○​ Più ramificato e idrosolubile dell’amido

○​

Cellulosa

●​ Funzione strutturale nei vegetali

○​ b-glucosio legato da legami b 1-4 glicosidici

○​ Fasci di fibre non ramificate che permettono la formazione di legami ad H

○​ L’enzima cellulasi lo trasforma in glucosio

○​

Lipidi

C e H

●​ Pochi gruppi funzionali contenenti O→Idrofobici→Insolubili in H2O

●​

Grassi Grassi ed oli

●​ Energia di riserva

○​ Isolamento termico

○​ Idrorepellenza

○​ 20°C: Solidi→Grassi​ Liquidi→Oli

○​

Grassi=Trigliceridi

●​ Riserva di energia

○​ Più abbondanti

○​ 3 reazione di condensazione che rilasciano H2O

○​ Glicerolo(Alcol a 3C con 3 gruppi ossidrilici)+Legame estereo(Legame covalente tra 2 gruppi)+3 Acidi

○​ grassi(Lunga catena idrocarburica non ramificata alla cui estremità è presente un gruppo carbossilico)

Acidi grassi saturi

●​ Contengono il maggior numero possibile di H

○​ Interazioni di Van Der Waals→Solidi

○​

Acidi grassi insaturi

●​ 4

10+ coppie di C adiacenti legati da un doppio legame che produce una “piega” nella catena

○​ Monoinsaturi: 1 solo doppio legame

○​ Polinsaturi: 1+ legami doppi

○​ Liquidi

○​

Vitamine

●​ Metabolica (coenzimi)

○​ L'animale non le sintetizza o se lo fa non in quantità sufficiente

○​

Fosfolipidi

Funzione strutturale

●​ Anfipatici

●​ Testa idrofilica​ glicerolo+fosfato+base organica

○​ ​

Coda idrofobica​ 2 acidi grassi

○​ ​

In H2O formano doppi strati lipidici​ membrane

●​ ​

Carotenoidi

Catturano energia luminosa

●​ Pigmenti vegetali arancioni

●​ Costituiti da unità isopreniche

●​ Monomeri idrocarburici a 5C

○​

Gli animali li convertono in vitamina A che può essere convertita nel pigmento visivo retinale per la ricezione della

●​ luce

Steroidi

Funzione strutturale​ Colesterolo

●​ Regolazione: Molecole segnale→Ormoni

●​ C disposto in 4 anelli uniti 3 a 6C e 1 a 5C

●​ Sintetizzati a partire da unità isopreniche, si distinguono per i gruppi funzionali legati

●​

Proteine

Chaperoni molecolari: Mediano il ripiegamento di certe proteine rendendo il processo più ordinato ed efficiente

Denaturazione: perdita dell'attività biologica, irreversibile

Diffrazione a raggi X e risonanza magnetica nucleare(NMR) forniscono le coordinate matematiche di ogni

atomo in modo da ricostruire la conformazione delle proteine

Proteine modulari: costituite da 2+ domini con una propria funzione

Classi Enzimi: catalizzano specifiche reazioni chimiche

●​ Proteine strutturali: rafforzano e proteggono le cellule e i tessuti

●​ Proteine di riserva/accumulo: nutrienti di riserva(immagazzinano amminoacidi per un uso successivo)

●​ Proteine di trasporto: trasportano specifiche sostanze tra le cellule

●​ Proteine di regolazione e segnalazione: controllano le attività di proteine, geni, cellule, tessuti e processi

●​ fisiologici

Proteine di movimento: partecipano al movimento cellulare

●​ Proteine di difesa: proteggono da agenti estranei

●​ Trasportatori di membrana: regolano il passaggio attraverso le membrane cellulari

●​

Catene di amminoacidi costituiti da:

1 gruppo amminico(-NH2)​

●​ ​

1 gruppo carbossilico (-COOH)

●​ 1 H

●​ 1 catena laterale(R)

●​ Tutti legati allo stesso carbonio alfa Ca

●​

A pH neutro gli amminoacidi sono ioni bipolari: -

Il gruppo carbossilico(-COOH) dona un protone e si dissocia come (-COO )

○​ +

Il gruppo amminico(-NH2) accetta un protone e diventa(-NH3 )

○​

Tamponi biologici

I 20 amminoacidi più comuni sono caratterizzati dal gruppo R legato al Ca. Alcune proteine contengono diversi

amminoacidi prodotti per modificazione di quelli comuni. Gli amminoacidi che gli animali non possono sintetizzare e che

devono essere assunti tramite la dieta sono detti aminoacidi essenziali.

1.​ Non polari

a.​ Idrofobici

2.​ Polari

a.​ Idrofiliche→parte della proteina a diretto contatto con H2O

3.​ Basici

a.​ Diventano carichi positivamente quando il gruppo amminico nella catena laterale accetta uno ione idrogeno

b.​ Ionizzate al pH cellulare→Idrofiliche

4.​ Acidi

a.​ Il gruppo carbossilico si dissocia e diventa carico negativamente

b.​ Ionizzate al pH cellulare→Idrofiliche 5

Legami peptidici

Si lega il C del gruppo carbossilico all'azoto del gruppo amminico tramite un legame covalente

●​ Reazione di condensazione

●​ I polipeptidi hanno una direzionalità N(terminale)→C(terminale)

●​ Gli amminoacidi sono legati in un ordine lineare specifico

○​ Le proteine differiscono per numero, tipo e disposizione degli amminoacidi

○​

Livelli di organizzazione

Struttura primaria

●​ Sequenza amminoacidica di una catena polipeptidica(legame peptidico)

○​ Determina la sua conformazione

○​

Struttura secondaria

●​ Deriva dai legami ad H

○​ a-elica

○​ Struttura ad elica destrorsa

■​ Ponti ad H tra un O del gruppo carbossilico(-) di un amminoacido e un H del residuo amminico(+) del 4°

■​ amminoacido successivo

Proteine fibrose

■​ Elasticità

■​

foglietto b-ripiegato

○​ Legami ad H tra catene e/o regioni diverse

■​ Zig zag

■​ Flessibilità

■​

Struttura terziaria

●​ Forma complessiva in cui diverse porzioni(domini) assumono specifici ripiegamenti

○​ Viene mantenuta da legami non periodici tra le catene laterali

○​ Legami ad H(apolari)

■​ Legami ionici(gruppi con carica opposta)

■​ Legami covalenti(ponti disolfuro -S-S-) legano 2 atomi di zolfo di due unità di cisteina

■​ 2 gruppi sulfidrilici di 2 cisteine reagiscono eliminando 2H e formando un legame covalente tra i 2 atomi

●​ di S

Interazioni idrofobiche(esclusione idrofobica)

■​ Tendenza dei gruppi R apolari e disporsi all'interno della struttura globulare, lontano dall'acqua

●​

Beta barrel ?

○​ Porine

■​ 6

Proteine transmembrana che permettono una diffusione passiva

●​ Alternanza di aa idrofobici e polari garantisce una superficie idrofobica esterna in contatto con i lipidi di

●​ membrana e polare al suo interno

Struttura quaternaria

●​ Disposizione tridimensionale delle catene polipeptidiche(subunità) e le loro interazioni

○​ Ponti disolfuro

○​ Ponti a H

○​ Legame ionico

○​

Acidi nucleici​​ Sezione del DNA

​

Trasmettono l'informazione ereditaria

●​ Determinano quali proteine devono essere sintetizzate

●​

Nucleotidi

Guanosina trifosfato(GTP): può trasferire energia cedendo un gruppo fosfato

●​ Adenosina trifosfato(ATP):

●​ Adenina+Zucchero ribosio+3S

○​ Cede energia chimica trasferendo ad un'altra molecola max 2 gruppi fosfato terminali

○​

Adenosina monofosfato ciclico(cAMP)

●​ ATP convertita dall'enzima adenilato ciclasi

○​ Il gruppo fosfato si lega con l'ossidrile del terzo C e non con quello del quinto C del ribosio

○​ Segnalazione cellulare: simile alla guanosina monofosfato ciclico(cGMP)

○​

Nicotinammide adenin