Riassunto esame Biologia generale

Biomolecole

Le biomolecole possono essere suddivise in quattro classi fondamentali:

• Carboidrati: costituiscono, insieme ai lipidi, la fonte energetica principale del nostro organismo.
• Lipidi: costituiscono, insieme ai carboidrati, la fonte energetica principale del nostro organismo.
• Proteine: svolgono la maggior parte delle funzioni che mantengono in vita il nostro organismo e realizzano una funzione strutturale.
• Acidi nucleici: detengono l'informazione necessaria affinché la cellula possa riprodursi e provvedere alla sintesi delle proteine (informazione genetica).

Carboidrati

I carboidrati, o glucidi, sono tra i componenti organici più abbondanti sulla terra e costituiscono una fonte di energia fondamentale per gli organismi, nonché importanti elementi strutturali per le cellule (es. pareti delle cellule vegetali). I carboidrati si possono distinguere in tre classi:

• Monosaccaridi: costituiti da una sola molecola di zucchero. Es. ribosio, glucosio e fruttosio.
• Disaccaridi: contengono due unità di zuccheri legati covalentemente. Es. saccarosio, maltosio, lattosio, cellobiosio.
• Polisaccaridi: contengono molte unità di zuccheri legati tra loro e sono quindi polimeri. Es. cellulosa e amido.

Monosaccaridi

I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici, esistono liberi ma spesso sono legati tra loro per formare disaccaridi e polisaccaridi. Sono costituiti da una catena di atomi di carbonio alla quale sono legati atomi di idrogeno e di ossigeno nella proporzione CH₂O. Possono essere indicati con la formula CH₂O_n. Esempio: se n = 7, allora il monosaccaride sarà C₇H₁₄O₇.

A seconda del numero di atomi di carbonio si suddividono in: triosi, tetrosi, pentosi, esosi. Le caratteristiche strutturali e la reattività chimica dei monosaccaridi sono determinate dalla presenza dei gruppi funzionali:

• Gruppo ossidrilico –OH;
• Gruppo aldeidico –CHO;
• Gruppo chetonico >C=O;

Se uno zucchero (carboidrato) contiene un gruppo aldeidico è detto aldoso, se ne contiene uno chetonico, è detto chetoso. I monosaccaridi contengono stereocentri, per questo motivo esistono sotto forma di diversi enantiomeri, ovvero molecole distinte che sono l'una l'immagine speculare dell'altra. Inoltre, per distinguere i diversi enantiomeri, si utilizzano le lettere D (destro) ed L (levo) che precedono il nome dello zucchero, riferendosi alla posizione del gruppo –OH.

L'assegnazione di tale lettera si effettua attraverso l'applicazione delle Formule di Fischer, esse si ottengono proiettando l'atomo di carbonio su un piano, i quattro legami diventano due segmenti perpendicolari e la loro intersezione è l'atomo di carbonio. In alto viene posto il carbonio più ossidato (CHO), e in verticale la catena carboniosa; si assegna poi la lettera D o L in base alla posizione del gruppo ossidrile, aldeidico o chetonico rispetto alla catena (D: destre, L: sinistra).

I monosaccaridi esistono in forma ciclica e in forma aciclica, la chiusura dell’anello avviene tramite una reazione di addizione nucleofila tra il gruppo OH legato al carbonio terminale della catena carboniosa e il gruppo aldeidico e chetonico. Le forme cicliche si rappresentano attraverso le formule di Haworth. C agli angoli, sostituenti sopra e sotto. O appartenente all’anello (in alto a destra).

Quando i monosaccaridi si ciclizzano, si possono formare due diversi isomeri a seconda della configurazione assunta dal carbonio 1. Gli anomeri, cioè gli isomeri di posizione rispetto al C1 dell’anello, vengono distinti dalle lettere α e β, a seconda che il gruppo –OH sul C sia in posizione trans (β) o cis (α) rispetto al gruppo –CH₂OH.

Disaccaridi

I disaccaridi provengono dall’unione di due monosaccaridi per reazione dell’OH anomerico del primo con l’OH alcolico dell’altro; dalla reazione si ha la liberazione di una molecola di H₂O e la formazione di un legame O-glicosidico (O si dispone tra i due anelli dei monosaccaridi). Questa reazione è detta sintesi per deidratazione.

Sintesi per deidratazione: si forma un legame tra molecole per eliminazione di una molecola d’acqua. Processo che richiede energia. Idrolisi: reazione inversa (es. scissione di un disaccaride in due monosaccaridi). Viene addizionata una molecola d’acqua. Processo che libera energia, molto importante nelle cellule.

Polisaccaridi

I polisaccaridi sono polimeri derivanti dall’unione di molti monosaccaridi naturali, mediamente ne contengono 100. Le funzioni principali dei polisaccaridi sono quelle di sostegno strutturale e riserva energetica, inoltre fungono anche da riconoscitori per alcune cellule. Esempi:

• Amido: un polimero dell’α-D-glucopiranoso, costituisce la riserva di carboidrati tipica delle piante. (formato da amilosio e amilopectina, l'amilosio formato da molecole di α-glucosio legate da legami 1,4-α-glicosidico).
• Glicogeno: il polisaccaride di riserva degli organismi animali.
• Cellulosa: il polisaccaride più abbondante sulla terra, formato da unità di β-D-glucosio unite da legami 1,4-β-glucosidici. La differenza tra il glucosio e la cellulosa è che nel primo i legami sono α-glucosidici mentre nel secondo sono β-glucosidici, l’organismo umano non possiede gli enzimi necessari a rompere questi ultimi legami, per questo la cellulosa risulta indigeribile.

Lipidi

I lipidi costituiscono una vasta categoria di composti organici chimicamente eterogenei per struttura e proprietà, essi risultano tutti insolubili in acqua e solubili in solventi organici apolari. Sono quindi generalmente idrofobi. Ai lipidi appartengono i grassi, gli oli, le cere, gli ormoni steroidei e le vitamine liposolubili, inoltre essi svolgono ruoli differenti: riserva energetica (forniscono molta energia), strutturale (formano il tessuto adiposo) e funzionale (fanno da tramite per l'assorbimento delle proteine).

Inoltre, i lipidi possono essere distinti in due grandi gruppi:

• Saponificabili, ovvero trigliceridi, fosfolipidi e glicolipidi. Le molecole di questi composti contengono acidi grassi e in soluzione basica formano i saponi.
• Non saponificabili sono steroidi e vitamine liposolubili. Le loro molecole non contengono acidi grassi e non riescono a formare i rispettivi sali (saponi).

I trigliceridi, ovvero i lipidi più semplici, si originano in seguito alla reazione di esterificazione tra il glicerolo e tre molecole di acidi grassi, per questo motivo sono definiti triesteri del glicerolo. In seguito alla reazione di sostituzione nucleofila, si ha l'eliminazione di tre molecole di H₂O e la formazione di tre legami esteri.

I trigliceridi possono essere divisi in due gruppi in base al loro stato fisico:

• Grassi, presenti negli animali, sono costituiti da acidi grassi saturi, a temperatura ambiente risultano solidi;
• Oli, presenti nei vegetali, sono costituiti da acidi grassi insaturi, a temperatura ambiente sono liquidi.

Il diverso stato fisico dipende dalla saturazione o insaturazione degli acidi grassi:

• Le molecole di acidi grassi saturi, presenti nei grassi, hanno conformazioni lineari e possono addensarsi in modo ordinato (stato solido);
• Le molecole di acidi grassi insaturi, invece, non riescono ad addensarsi in modo lineare e quindi determinano un addensamento disordinato (stato liquido), a causa della presenza di doppi legami nelle molecole dei trigliceridi.

Reazioni dei trigliceridi

Reazione di idrogenazione

La reazione di idrogenazione è il processo di trasformazione degli oli in grassi vegetali solidi per l'addizione di H ai doppi legami C-C degli acidi grassi insaturi, in presenza di un catalizzatore metallico.

Reazione di idrolisi salina o saponificazione

La reazione di idrolisi alcalina dei trigliceridi avviene fornendo calore e in presenza di basi forti (NaOH, KOH), il processo porta alla formazione di glicerolo e sali di acidi grassi (saponi).

I Fosfolipidi

I fosfogliceridi rappresentano la classe più importante dei fosfolipidi, ossia i lipidi la cui testa polare contiene un gruppo fosfato. I fosfolipidi sono i lipidi i più abbondanti in natura, essi rivestono una grande importanza biologica, in quanto sono i principali componenti delle membrane cellulari, inoltre selezionano il passaggio di ioni e molecole attraverso di esse.

I fosfogliceridi sono chimicamente simili ai trigliceridi, essi sono caratterizzati dalla presenza di una testa polare idrofila (composta da un gruppo fosfato e una molecola di amminoalcol) e da una doppia coda apolare idrofobica (composta da acidi grassi). A causa di questo duplice comportamento, queste molecole sono dette anfipatiche.

I Glicolipidi

I glicolipidi sono costituenti molto importanti della superficie esterna della membrana cellulare, particolarmente nel sistema nervoso e nei globuli rossi dove hanno funzione di recettori molecolari. I glicolipidi sono formati da una molecola di amminoalcol a cui sono legati un acido grasso e un monosaccaride.

Steroidi

Sono lipidi caratterizzati dalla presenza di 4 anelli idrocarburici uniti tra loro. Essi si trovano nelle membrane cellulari e possono svolgere anche altri ruoli nella cellula. Quando il gruppo ossidrilico è legato al carbonio 3, lo steroide prende il nome di sterolo.

• Sitosterolo: il più abbondante sterolo nelle alghe verdi e nelle piante.
• Ergosterolo: si trova frequentemente nei funghi.

Proteine

Le proteine sono le molecole più abbondanti nei sistemi viventi. Svolgono un’enorme quantità di funzioni. Sono tutte polimeri di molecole contenenti azoto dette amminoacidi, ordinate in una sequenza lineare. Esistono 20 tipi diversi di amminoacidi con i quali sono formate le proteine. Le molecole proteiche contengono alcune centinaia, o più, di amminoacidi. Pertanto è possibile formare una grandissima quantità di proteine diverse. Un organismo complesso ha almeno alcune migliaia di tipi differenti di proteine, ognuna con una particolare funzione.

Gli amminoacidi sono i “blocchi da costruzione” delle proteine. Tutti amminoacidi hanno la stessa struttura di base: Un gruppo amminico (-NH₂), un gruppo carbossilico (-COOH) e un atomo di idrogeno tutti legati allo stesso atomo di carbonio centrale con un legame peptidico. All'atomo di carbonio è legato anche un gruppo R (resto della molecola) che determina l'identità di ogni amminoacido. Gli amminoacidi vengono raggruppati in base alla loro polarità e alla loro carica elettrica; questi parametri determinano le proprietà dei singoli amminoacidi ma anche quelle delle proteine che essi formano.

Legame peptidico: legame covalente che si forma tra il gruppo amminico e il gruppo carbossilico di due amminoacidi per sintesi da deidratazione. Polipeptide: molecola che si forma dall’unione di molti amminoacidi. Le proteine sono grandi polipeptidi, a volte formate da più polipeptidi.

La struttura delle proteine

La struttura delle proteine può essere descritta in termini di livelli di organizzazione:

• Struttura primaria della proteina: sequenza lineare di amminoacidi che formano la proteina.

Quando nella cellula una catena polipeptidica viene assemblata, si instaurano delle interazioni tra i vari amminoacidi che ne causano il ripiegamento in un modello chiamato struttura secondaria. Le due strutture secondarie più comuni:

• Elica: la cui forma elicoidale viene mantenuta dai legami idrogeno.
• Foglietto β ripiegato: le catene polipeptidiche sono allineate in parallelo, e sono legate da legami idrogeno, dando luogo a una forma a zig zag. È formata tra catene proteiche diverse.

Nelle proteine globulari, la struttura secondaria si ripiega per formare una struttura terziaria. Alcune proteine si ripiegano autonomamente, altre con l’ausilio di particolari proteine chiamate chaperoni molecolari, che inibiscono i ripiegamenti non corretti. Ponte disolfuro: legame covalente formato da due gruppi R contenenti zolfo di due monomeri di cisteina, in una catena polipeptidica. Denaturazione di una proteina: disgregazione naturale della struttura terziaria a seguito di cambiamenti fisici (es. calore o aumento di acidità). Si verifica perché la struttura terziaria è formata grazie a legami deboli. (es. albume d’uovo riscaldato coagula: denaturazione)

Struttura quaternaria: interazione tra più catene polipeptidiche di una singola proteina.

Gli enzimi

Gli enzimi sono proteine che catalizzano le reazioni chimiche delle cellule. Gli enzimi sono grandi proteine globulari e fungono da catalizzatori. Il nome di un enzima è formato aggiungendo il suffisso -asi alla radice del nome del suo substrato (molecole che reagiscono). Es. L’amilasi catalizza l’idrolisi dell’amilosio (amido) in molecole di glucosio. Esistono oltre 2000 enzimi conosciuti, ognuno catalizza una reazione specifica.

Gli acidi nucleici

Gli acidi nucleici codificano e traducono l’informazione che determina le strutture delle proteine. Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi. Un nucleotide è formato da tre parti:

• Un gruppo fosfato;
• Uno zucchero a cinque atomi di carbonio: ribosio, desossiribosio;
• Una base azotata (molecola che ha proprietà di una base e contiene azoto): adenina, guanina, timina, citosina e uracile.

Gli acidi nucleici sono costituiti da lunghe catene di nucleotidi in cui lo zucchero di un nucleotidi è legato al gruppo fosfato del nucleotidi successivo, da un legame covalente, formato per sintesi da deidratazione. Negli organismi viventi esistono due tipi di acidi nucleici:

• Acido ribonucleico (RNA): i nucleotidi contengono lo zucchero ribosio; singola catena di nucleotidi;
• Acido deossiribonucleico (DNA): i nucleotidi contengono lo zucchero deossiribosio; due catene di nucleotidi avvolte a spirale, che formano una doppia elica.

Le molecole di DNA sono le più grandi macromolecole presenti nelle cellule. RNA e DNA svolgono ruoli biologici differenti:

• DNA: portatore dell’informazione genetica, organizzata in unità definite geni, che gli organismi ereditano dai genitori.
• RNA: coinvolte nella sintesi delle proteine, basata sull’informazione genetica (DNA). Alcune molecole di RNA si comportano da catalizzatori come i ribozimi.

La molecola di ATP

L’adenosina trifosfato (ATP) è la "moneta energetica" della cellula. I nucleotidi liberi quando vengono modificati in seguito all’aggiunta di due gruppi fosfato, diventano i trasportatori dell’energia necessaria a far avvenire le reazioni chimiche delle cellule. Il principale trasportatore di energia è l’ATP (adenosina trifosfato). I legami che legano i gruppi fosfato possono essere rotti tramite idrolisi, il cui prodotto è: ADP (adenosina difosfato), un gruppo fosfato ed energia, utile a guidare molte delle reazioni cellulari.

Alcuni nucleotidi svolgono un ruolo importante nei trasferimenti di energia e in altre funzioni cellulari. L’adenosina trifosfato (ATP), costituita da adenina, ribosio e tre fosfati, è la più importante molecola energetica della cellula. I due gruppi fosfato terminali sono uniti al nucleotide mediante legami covalenti che vengono simboleggiati con linee ondulate per indicare che l’ATP può trasferire un gruppo fosfato ad un’altra molecola rendendola più reattiva.

La guanosina trifosfato (GTP) che contiene guanina può trasferire energia cedendo un gruppo fosfato e ha anche un ruolo importante nella segnalazione cellulare. L’ATP è convertito in adenosina monofosfato (cAMP) ciclico che media l’effetto di alcuni ormoni e regola alcuni aspetti della fisiologia cellulare come la segnalazione cellulare. La guanosina monofosfato ciclico (cGMP) riveste anch’essa importanti ruoli nella segnalazione cellulare. Il nicotinammide adenin-dinucleotide (NAD⁺) svolge un ruolo fondamentale nelle redox biologiche, può esistere in forma ossidata o in forma ridotta (NADH) quando accetta elettroni.

Organizzazione cellulare

La teoria cellulare è un concetto unificante della biologia e stabilisce che:

• Le cellule rappresentano l’unità vivente fondamentale di funzione e di organizzazione di tutti gli organismi.
• Tutte le cellule derivano da altre cellule.
• Tutte le cellule viventi hanno un antenato comune.

La membrana plasmatica, presente in tutte le cellule, consente di separare il contenuto della cellula dall’ambiente esterno, svolgendo anche funzioni selettive, permette lo scambio di specifiche sostanze con l’ambiente. Le membrane cellulari servono anche come rivestimento di superficie per organizzare l’interazione di proteine che sono coinvolte in alcune reazioni biochimiche. Le cellule possiedono strutture interne dette organuli, specializzate nello svolgere attività metaboliche.

Le dimensioni cellulari

La maggior parte delle cellule ha dimensioni microscopiche, pertanto vengono misurate tramite l’utilizzo dei micrometri (µm). I componenti cellulari, invece, sono misurabili per la maggior parte in nanometri (nm). Esistono alcune cellule visibili ad occhio nudo. Quelle più grandi sono le uova degli uccelli. Un fattore critico nel determinare le dimensioni di una cellula è il rapporto tra la sua area superficiale e il suo volume, poiché essa deve assumere nutrimento e altri materiali, e deve liberarsi dai prodotti delle reazioni metaboliche, il tutto attraverso la membrana plasmatica.

Man mano che la cellula si ingrandisce, il suo volume aumenta in misura maggiore rispetto all’area e ciò impone un limite alle sue dimensioni. Al di sopra delle dimensioni critiche, le numerose molecole necessarie alla cellula non potrebbero essere trasportate all’interno (o all’esterno) con la velocità necessaria. Inoltre le dimensioni e la forma delle cellule sono adattate alla loro funzioni.

Microscopio ottico

Il più importante strumento per studiare la cellula e le sue strutture è il microscopio. Il microscopio ottico consiste in un tubo con lenti di vetro a ciascuna estremità. La luce visibile passa sia attraverso il campione, sia attraverso l'obiettivo, permettendo di ingrandire e visualizzare in dettaglio le strutture cellulari.