Biologia applicata - domande aperte

Biologia: descrizione della struttura dell'atomo

L'atomo è la più piccola parte della materia vivente che mantiene inalterate le sue proprietà. È composto da un nucleo che contiene protoni e neutroni; elettroni che avvolgono il nucleo e sono i maggiori responsabili del volume dell'atomo, tendendo a disporsi come una nuvola intorno al nucleo. Per ogni atomo possiamo definire due parametri: numero atomico che corrisponde al numero dei protoni presenti nel nucleo e quindi definisce l'atomo considerato, e numero di massa che corrisponde alla somma dei protoni e dei neutroni presenti nel nucleo.

Elementi chimici

Cosa sono gli elementi metallici?

I metalli fanno parte degli elementi chimici noti che sono in grado di condurre elettricità, sono malleabili e duttili e tendono a perdere elettroni per raggiungere la stabilità.

Cosa sono gli elementi non metallici?

I non metalli fanno parte degli elementi chimici noti che non sono in grado di condurre elettricità, non sono malleabili e non sono duttili; tendono ad accettare elettroni per raggiungere la stabilità.

Cosa sono i gas nobili?

I gas nobili fanno parte degli elementi chimici noti e sono chimicamente inerti in quanto hanno un guscio elettronico esterno completo.

Cos'è la tavola periodica degli elementi? Come è organizzata?

La tavola periodica degli elementi è stata redatta per la prima volta da Mendeleev nel 1869. È una tavola dove sono raggruppati gli elementi chimici noti sia naturali che artificiali. Vengono raggruppati secondo relazioni familiari che intercorrono tra di essi in gruppi (colonne) e periodi (righe). Ogni singola casella fornisce una panoramica delle informazioni relative all'elemento considerato. Per ogni elemento vengono indicati il nome, il simbolo chimico, il numero atomico e il numero di massa; le tavole più complete presentano anche la configurazione elettronica, tipo di elemento, radioattività, ecc. Gli elementi noti sono suddivisi in metalli, non metalli, metalloidi e gas nobili.

Cosa sono gli isotopi?

Gli isotopi sono atomi diversi dello stesso elemento in cui è presente un numero uguale di protoni, ma che sono caratterizzati da massa atomica diversa, a causa di un numero di neutroni diverso nella struttura nucleare. Solo alcuni degli elementi presenti in natura esistono in forma monoisotopica (berillio, alluminio, sodio, cobalto, ecc.), la maggior parte è presente sotto forma di una miscela dei diversi isotopi.

Legame ionico

Cos'è il legame ionico? Fai un esempio

Il legame ionico comporta il trasferimento completo di uno o più elettroni da un atomo all'altro. È l'attrazione che si stabilisce tra cationi (metalli) e anioni (non metalli) sfruttando l'attrazione tra cariche opposte. I composti caratterizzati da legami ionici sono solidi cristallini idrosolubili, in grado di agire come isolanti allo stato solido e come conduttori allo stato liquido, e presentano una elevata temperatura di fusione. Un esempio è il cloruro di sodio, composto ionico di grande importanza dal punto di vista alimentare e industriale. La sua solubilità varia poco in relazione alla temperatura; la soluzione acquosa è caratterizzata da un pH neutro ed è molto usato nella pratica clinica.

Sostanze idrofobe e idrofile

Spiegare la differenza tra sostanze idrofobe ed idrofile

Sappiamo che l'acqua è un solvente polare e quindi, in base alla solubilità, le sostanze vengono classificate in idrofile e idrofobe. Le sostanze idrofile sono polari e si sciolgono in acqua, come il sale o lo zucchero. Le sostanze idrofobe sono apolari e non si sciolgono in acqua, cioè l'acqua tende a minimizzare le interazioni con esse, come accade con olio o grassi.

Teoria di Arrhenius

Cosa sono gli acidi e le basi secondo Arrhenius?

Le sostanze chimiche disciolte in acqua possono comportarsi come acidi o come basi secondo Arrhenius. Un acido è un composto contenente idrogeno che reagisce con l'acqua generando ioni idrogeno; un esempio è l'acido cloridrico che in soluzione acquosa genera ione idrogeno e ione cloruro. Una base è un composto che a contatto con acqua genera ioni ossidrile; un esempio è l'idrossido di sodio che in acqua genera ioni sodio e ione ossidrile.

Gruppi funzionali e isomeri

Cosa sono i gruppi funzionali?

I gruppi funzionali sono atomi o piccoli gruppi di atomi dotati di proprietà caratteristiche che si legano all'ossatura carboniosa della molecola organica e ne determinano la reattività dal punto di vista chimico. Possono legarsi sia a gruppi alifatici che aromatici e, nelle reazioni chimiche delle molecole organiche, sono l'unica parte della molecola coinvolta.

Cosa sono gli isomeri ottici?

Gli isomeri ottici sono due molecole speculari e non sovrapponibili, composti chirali in cui l'atomo di carbonio centrale è legato a quattro gruppi chimici diversi. In questo caso abbiamo una coppia di enantiomeri con la stessa composizione ma con proprietà diverse. Queste molecole sono otticamente attive e in grado di deviare la luce polarizzata verso destra o sinistra.

Cosa sono gli isomeri di struttura?

Si definiscono isomeri di struttura quelle molecole che sono formate dagli stessi atomi ma collegati in maniera differente gli uni agli altri.

Polisaccaridi e monosaccaridi

Cos'è il glicogeno?

Il glicogeno è il polisaccaride di riserva tipico delle cellule animali ed è composto da catene ramificate di glucosio, con ramificazioni ogni 8-12 residui. Viene immagazzinato sotto forma di granuli insolubili, permettendo di assorbire le variazioni di concentrazione di glucosio a seguito di eventi metabolici senza causare shock osmotici. I depositi sono concentrati a livello del fegato, dove servono per regolare la glicemia, e nel muscolo scheletrico, dove forniscono energia per la contrazione muscolare.

Cos'è l'amido?

L'amido è il polisaccaride di riserva tipico delle cellule vegetali, composto da catene di glucosio lineare (amilosio) e ramificate (amilopectina), con le ramificazioni che compaiono ogni 24-30 residui di glucosio. Nelle cellule è immagazzinato sotto forma di granuli insolubili.

Cos'è il glucosio?

I monosaccaridi sono formati da uno scheletro di atomi di carbonio uniti da legami semplici. Sono solidi cristallini, incolori, idrosolubili e di sapore dolce. Il glucosio è il monosaccaride più abbondante in natura, costituito da sei atomi di carbonio.

Cosa sono i carboidrati? Quali sono le loro funzioni? Fai degli esempi

I carboidrati sono le molecole biologiche più importanti, composti da soli tre tipi di atomi: carbonio, idrogeno e ossigeno. L'unità di base dei carboidrati complessi sono i monosaccaridi, con il glucosio come il più abbondante in natura. Rappresentano la principale fonte di energia per gli organismi viventi; ad esempio, zuccheri e amido sono elementi fondamentali per la dieta. Gli zuccheri complessi hanno anche funzioni strutturali e di segnale.

Il ruolo dei minerali

Qual è il ruolo dei minerali nell'organismo umano? Perché sono importanti?

La materia vivente è composta dal punto di vista chimico da composti organici e inorganici. Tra i composti inorganici abbiamo i sali minerali, nutrienti essenziali presenti nell'organismo umano in quantità del 5% e presenti nei tessuti sotto forma di ioni e sali. Queste componenti devono essere assunte con la dieta costantemente in quanto vengono persi attraverso sudore e urina. I minerali mantengono l'equilibrio idrosalino, prendono parte alla composizione di alcune macromolecole e sono componenti essenziali di alcuni enzimi.

Cosa sono i nutrienti essenziali? Come vengono classificati? Fai degli esempi

I nutrienti essenziali sono componenti inorganiche minerali che vengono assunti con la dieta. Sono presenti nelle cellule e nei tessuti sotto forma di ioni e sali, che vengono persi costantemente attraverso sudore, feci e urina e devono essere costantemente reintegrati. Vengono classificati in:

• Macronutrienti come calcio, fosforo, potassio, magnesio, sodio e cloro, il cui fabbisogno è superiore a 100 mg.
• Micronutrienti come fluoro, ferro e zinco, il cui fabbisogno è compreso tra 1 e 100 mg.
• Oligonutrienti, ad esempio, rame, iodio e selenio, il cui fabbisogno è inferiore a 1 mg.

Vitamine

Come possono essere classificate le vitamine? Quali sono le caratteristiche dei diversi gruppi? Fai degli esempi

Le vitamine sono molecole organiche di natura chimica. Possono essere classificate in base alle caratteristiche di solubilità:

• Idrosolubili: vitamine del gruppo B e C, essenziali per molte reazioni biochimiche, sono scarsamente immagazzinabili; se assunte in eccesso, vengono eliminate con le urine. Vegani e vegetariani necessitano di un supplemento di vitamina B12.
• Liposolubili: vitamine A, E, D, K, che prendono parte a funzioni biologiche complesse, vengono immagazzinate a livello del fegato e del tessuto adiposo, derivano prevalentemente dai grassi assunti con la dieta e difficilmente passano la barriera placentare. Le diete povere o prive di grassi possono portare a avitaminosi.

Cos'è un liposoma?

I liposomi sono vescicole composte da un doppio strato lipidico che si richiude conservando un ambiente acquoso al centro. Insieme alle micelle, sono usati come carrier per il drug delivery.

Cosa sono le vitamine? Perché sono importanti?

Le vitamine sono molecole organiche di natura chimica, indispensabili per il funzionamento delle cellule, per l'accrescimento e la corretta funzionalità degli organismi viventi. Hanno una composizione semplice, non apportano energia metabolica e fanno parte della struttura di alcuni enzimi. Sono biologicamente attive a basse dosi, agiscono su tutti i tessuti e organi. La maggior parte delle vitamine deve essere assunta con la dieta in quanto non può essere sintetizzata da organismi superiori.

Proteine

Cosa sono le proteine? Perché sono importanti? Come sono strutturate?

Le proteine sono macromolecole biologiche essenziali all'integrità strutturale di cellule e tessuti. Sono formate dall'unione di mattoncini di base detti amminoacidi tramite un legame chimico detto legame peptidico, che si forma per condensazione e si rompe per idrolisi. Le proteine possono essere definite oligopeptidi se sono formate da pochi aminoacidi, polipeptidi se sono formate da molti aminoacidi. Sono strutturate polarizzate e presentano un'estremità N-terminale con un gruppo amminico libero e un'estremità C-terminale con un gruppo carbossilico libero. I gruppi terminali possono andare incontro a ionizzazione, quindi le proteine possono comportarsi sia da acidi che da basi.

Cosa sono i gruppi prostetici? Fai degli esempi

I gruppi prostetici o gruppi chimici caratteristici sono associati alla catena amminoacidica di base e sono indispensabili per la funzionalità biologica della stessa. Queste proteine particolari sono dette proteine coniugate. Per esempio, alla famiglia proteica delle Fosfoproteine si associa il gruppo di fosfati, come nella caseina; alla famiglia delle glicoproteine si associa zuccheri/carboidrati, come nelle immunoglobuline.

Quali sono i 4 livelli di organizzazione delle proteine? In cosa consistono?

Le proteine hanno 4 livelli di organizzazione a cui corrisponde un preciso tipo di informazione:

• Struttura primaria: corrisponde alla sequenza amminoacidica.
• Struttura secondaria: offre informazioni sull'organizzazione spaziale dei segmenti che si ripetono all'interno della struttura della proteina.
• Struttura terziaria: rappresenta la sua conformazione tridimensionale, corrisponde alla struttura più stabile, ad esempio quella fibrosa tipica del collagene o della cheratina.
• Struttura quaternaria: rappresenta la distribuzione nello spazio delle diverse subunità nel caso di proteine multimeriche, come nell'emoglobina formata da 4 subunità distinte uguali a 2 a 2.

Nucleotidi e acidi nucleici

Cosa sono i nucleotidi? Perché sono importanti?

I nucleotidi sono macromolecole ubiquitarie formate da alcuni elementi caratteristici: una base azotata, uno zucchero a 5 atomi di carbonio e gruppi fosforici. Oltre a essere le componenti strutturali degli acidi nucleici e dei loro derivati, possono svolgere altre funzioni a livello cellulare comportandosi come fonte di energia, cofattori enzimatici o messaggeri chimici.

Cosa sono le basi azotate? Perché sono importanti? Fai degli esempi di base azotata e della relativa funzione

Le basi azotate sono uno degli elementi distintivi della struttura dei nucleotidi. Sono strutture planari e cicliche e derivano strutturalmente da due molecole capostipite: la purina (da cui derivano le basi puriniche adenina e guanina) e la pirimidina (da cui derivano basi pirimidiniche citosina, timina, uracile). Queste due basi puriniche e pirimidiniche sono strutture planari con degli atomi di azoto e il loro legame allo zucchero avverrà sfruttando uno di questi atomi, formando il legame N-glicosidico. Le basi azotate costituiscono gli acidi nucleici DNA (adenina, guanina, citosina, timina) e RNA (adenina, guanina, citosina, uracile).

DNA e RNA

Come è fatto il DNA?

Il DNA (acido desossiribonucleico) è un acido nucleico che contiene informazioni genetiche necessarie alla biosintesi di RNA e proteine. È composto da due filamenti a forma di elica dove i nucleotidi sono costituiti da un gruppo fosfato, zucchero pentoso e una base azotata (adenina, citosina, guanina e timina). Il DNA può essere definito una doppia catena polinucleotidica, antiparallela, orientata, complementare, spiralizzata e informazionale.

Come è fatto l'RNA?

L'RNA (acido ribonucleico) è una molecola polimerica implicata in vari ruoli biologici come la codifica, decodifica, regolazione ed espressione dei geni. È costituito solo da ribonucleotidi e le 4 basi azotate sono adenina, guanina, citosina e uracile. In natura è più frequentemente presente come un singolo filamento ripiegato su se stesso.

Quali sono le differenze tra RNA e DNA?

La prima differenza è nella struttura: il DNA è formato da due filamenti di polinucleotidi, mentre l'RNA è formato da una singola catena polinucleotidica. Il DNA è presente nel nucleo di tutte le cellule mentre l'RNA è presente sia nel nucleo che nel citoplasma. Nel DNA lo zucchero è il desossiribosio e le 4 basi azotate sono adenina, guanina, citosina, timina; nel RNA lo zucchero è il ribosio e le 4 basi azotate sono adenina, guanina, citosina e uracile.

Cos'è la regola di Chargaff?

Le regole di Chargaff mostrano i rapporti delle 4 basi azotate nel DNA. La prima regola sostiene che una molecola di DNA a doppio filamento mostra un'uguaglianza tra le coppie di base: numero di basi A = numero basi T, e numero basi G = numero basi C. La seconda regola sostiene che anche sul singolo filamento di una molecola di DNA a doppio filamento il numero A è simile al numero T e C è simile a G. Questa seconda regola non è applicabile per i genomi dei mitocondri e dei cloroplasti.

Descrivi la struttura del DNA secondo il modello di Watson e Crick

James Watson e Francis Crick nel 1953 pubblicarono sulla rivista Nature l'articolo in cui presentavano il modello a doppia elica della molecola del DNA. Essi decifrarono la struttura a doppia elica e la funzione delle sue basi accoppiate nel fenomeno dell'eredità. Ebbero a disposizione diverse informazioni: i risultati della cristallografia mostravano che le molecole del DNA erano a forma di elica, e la superficie esterna presentava due scanalature definite solco maggiore e solco minore. Sapevano che nella molecola c'erano due catene polinucleotidiche che correvano in direzioni opposte, e i risultati dello scienziato Chargaff suggerivano che le basi azotate fossero legate tra loro in modo preciso, andando a formare la parte centrale dell'elica, mentre la catena zucchero-fosfato formava la parte esterna. Con la loro pubblicazione aprirono la strada alla comprensione delle funzioni biologiche del DNA. Questa forma è detta Forma B ed è la più comune in quanto ha maggiore stabilità in condizioni fisiologiche.

Descrivi i 3 tipi di RNA che puoi trovare nella cellula

mRNA o RNA messaggero rappresenta lo stampo utilizzato per la sintesi proteica, trasmettendo informazioni genetiche dal DNA ai ribosomi mediante le basi azotate guanina, uracile, adenina, citosina. tRNA, RNA di trasferimento, è un adattatore molecolare che fornisce gli aminoacidi al ribosoma. rRNA o RNA ribosomiale prende parte alla costituzione dei ribosomi, collegando insieme gli aminoacidi per formare le proteine.

La cellula

Come è fatta una cellula? Quali sono le caratteristiche comuni a procarioti ed eucarioti?

Una cellula è costituita da una membrana che separa l'ambiente esterno da quello interno, ha una regione contenente il materiale genetico, e un citoplasma, una sostanza semifluida in cui sono immerse le varie componenti cellulari. Le caratteristiche comuni a eucarioti e procarioti sono: tutte le cellule possiedono una barriera di permeabilità che separa l'interno della cellula, costituito dal citoplasma, dall'ambiente esterno. Il citoplasma è una miscela acquosa costituita da proteine, lipidi, acidi nucleici e polisaccaridi. I ribosomi (più grandi negli eucarioti) sono organelli coinvolti nella sintesi di proteine e composti da due subunità, una più grande e una più piccola. La parete cellulare è posizionata all'esterno della membrana cellulare.

Quali sono le caratteristiche principali delle cellule procariote?

Le cellule procariote hanno forma tondeggiante o bastoncellare, delimitata da una membrana rinforzata da una parete costituita da polisaccaridi. Spesso presentano espansioni chiamate flagelli che ne permettono i movimenti. Sono cellule di piccole dimensioni e il loro citoplasma non contiene organelli, ad eccezione dei ribosomi.