Appunti di Fisiologia umana

Dall’Atomo ai Sistemi

1. I livelli di organizzazione del corpo umano

utti gli esseri viventi sono composti da sostanze uniche chiamate elementi.

T

Gli elementi sono i costituenti principali che consentono di organizzare il corpo

umano in diversi livelli di organizzazione, con complessità crescente.

ATOMI

Livello degli atomi viene de nito livello chimico, è la chimica che studia gli atomi e

la loro funzione, noi riconosciamo 103 atomi che hanno una struttura diversa e

partecipano in modo diverso alla formazione della materia. Non troverò in tutti gli

organismi tutti e i 103 atomi ma che la combinazione di alcuni di questi

contribuiscono ad organizzare il nostro organismo.

L’atomo è il livello più semplice che noi conosciamo

É fatto da una struttura formata da diverse particelle, all’interno troviamo il nucleo

formato da neutroni e protoni. I neutroni sono particelle

senza carica

I protoni hanno una carica

positiva, questo perché sono

formati a loro volta da altre

particelle più piccole chiamate

quark e hanno la capacità di

conferire questa carica positiva

Il nucleo non è neutro ma

carico POSITIVAMENTE

L’atomo è anche formato da

una parte ESTERNA, ci sono

degli orbitali che ruotano

all’esterno del nucleo e si

chiamano ELETTRONI, che

hanno carica negativa e

rimangono vicino al nucleo

perché attratti dalla sua carica

positiva

Gli atomi sono la più piccola

unità degli elementi, e si

combinano per formare

molecole.

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Le molecole

possono variare nella dimensione da piccole (come l'ossigeno o l'anidride carbonica)

a grandi (come le proteine).

La molecola è il secondo step della chimica, da tanti atomi formiamo diverse

molecole. La molecola più semplice che conosciamo è la MOLECOLA

DELL’ACQUA, formata da 2 atomi di idrogeno e 1 atomo di

ossigeno. L’ossigeno si trova al centro della struttura mentre i

due atomi di idrogeno si trovano ad un angolo di 45 gradi

Le molecole sono le unità chimiche immediatamente superiori agli atomi e

mantengono le caratteristiche siche e chimiche degli atomi che le compongono.

Questi atomi si aggregano tramite i legami che possono essere di 3 tipi:

- Covalenti

- Temporanei

- Saldi e duraturi

Es la molecola dell’acqua crea un legame saldo.

Ogni molecola viene espressa tramite una formula chimica che descrive

quantitativamente la disposizione degli atomi.

Dopo l’acqua la molecola più semplice è l’anidride carbonica formata da 2 ATOMI DI

OSSIGENO E 1 ATOMO DI CARBONIO Ha una struttura

lineare

Non è un uguale

reale ma signi ca

che il carbonio è

connesso con

l’ossigeno che è

connesso con il

carbonio, il

carbonio non si

trova ai lati ma in

mezzo

Le molecole sono elementi essenziali per tutte le strutture del corpo umano.

Le molecole a loro volta costruiscono strutture più complesse, come aminoacidi,

proteine o acidi nucleici, che vengono chiamate biomolecole, ovvero molecole della

vita.

2

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CELLULE

Grazie alle biomolecole si possono formare i primi aggregati biologici, da cui

generarono gli organelli, e da cui poi nacquero le cellule procariote ed eucariote.

Tutte le strutture viventi sono costituite da cellule, che sono i più piccoli esseri viventi

indipendenti nel corpo umano. Il corpo umano contiene molti tipi differenti delle

cellule, ciascuno con una funzione speci ca.

Le cellule hanno un sottile strato esterno chiamato membrana cellulare, che

racchiude un uido gelatinoso contenente minuscole strutture (organelli). Gli

organelli hanno funzioni speci che, come fornire energia a una cellula o aiutarla a

muoversi.

Le cellule del corpo umano sono organizzate in tessuti, che sono gruppi di cellule

simili che lavorano insieme per svolgere una funzione speci ca.

Ci sono quattro tipi principali di tessuti in esseri umani:

muscolare,

• epiteliale,

• nervoso e

• connettivo.

I tessuti a loro volta formano gli organi.

Gli organi sono strutture identi cabili nel corpo che sono composte da due o più tipi

di tessuto. Gli organi spesso svolgono funzioni siologiche speci che.

I sistemi di organi (comunemente detti Sistemi) sono gruppi di organi che lavorano

insieme per svolgere una funzione speci ca.

Ad esempio, il sistema digestivo è costituito da stomaco, intestino tenue e crasso e

altri organi che lavorano insieme per digerire il cibo e sbarazzarsi dei ri uti.

Il livello più complesso di organizzazione è l'organismo umano, che è composto da

molti sistemi di organi che lavorano insieme per svolgere le funzioni di un individuo

indipendente.

2. Atomi, molecole e molecole biologiche: i primi tre

livelli di organizzazione del corpo umano

Nel 1903, Thomson propose il suo concetto di atomo. Credeva che l'atomo fosse

costituito da una sfera positiva di elettri cazione che conteneva elettroni negativi, e

che le cariche positive e negative fossero uniformemente distribuite all'interno di una

sfera di circa 10-10m di raggio, rendendo l'atomo elettricamente neutro.

Rutherford s dò questo modello "Plum Pudding" e nel 1911 dimostrò che questo

modello non poteva spiegare il numero di particelle alfa caricate positivamente e

presenti all’interno dell’atomo. Rutherford concluse che il nucleo dell'atomo doveva

consistere in un piccolo nucleo a carica positiva che fornisce il campo elettrico

intenso.

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Rutherford successivamente stimò la dimensione del nucleo e scoprì il protone nel

1919.

Rimaneva però un problema irrisolto dal modello ideato da Rutherford.

Gli elementi atomici visualizzati in uno spettrofotometro emettono linee precise e

somiglianze nel loro aspetto. Ma se il nucleo era formato solo da particelle cariche

positivamente perché le linee emesse erano diverse e molteplici?

Planck propose che la radiazione di energia fosse emessa in "Quanti" di energia. E

Bohr, qualche anno dopo, usò questi concetti per spiegare lo spettro dell'idrogeno.

L’idea di Bohr era quella di un atomo in cui gli elettroni carichi negativamente si

muovano attorno al nucleo in orbite stazionarie quantizzate. Le particelle caricate

positivamente (protoni) invece, erano concentrate in un punto chiamato nucleo. E la

struttura del nucleo era ancora da scoprire.

Nel 1932 James Chadwick scoprì una particella chiamata neutrone dal Cavendish

Laboratoty. Così si arrivò alla concezione che l’atomo era formato da elettroni carichi

negativamente e orbitanti all’esterno, protoni carichi positivamente e formanti il

nucleo in aggregazione con i neutroni a carica neutra. Le varie linee dello

spettrofotometro avevano così una loro ragione.

Nel 1961 Gell Mann e Zweig proposero l'ipotesi del Quark. Suggerendo che anche

neutroni e protoni siano costituiti da elementi più piccoli, i quali sono costituiti da altri

elementi più piccoli no ad arrivare al mattoncino costituente comune che è il

QUARK.

Gli atomi di molti elementi possono unirsi per creare composti, che sono considerati

unità individuali e isolate. L’unione viene resa stabile da particolari forze che si

chiamano legami chimici. Queste forze “di attrazione” tengono insieme gli atomi e

formano strutture più complesse che si chiamano molecole.

Dopo la più piccola molecola al mondo, ovvero il dimero di idrogeno (H2), la

molecola funzionale più piccola è l’acqua. La molecola dell'acqua è costituita da due

atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno, il che la rende una molecola semplice e

piccola rispetto ad altre.

L'acqua è essenziale per il nostro corpo; essa rappresenta il 70 % circa della

composizione di un organismo vivente evoluto, e serve per funzionare correttamente

e sopravvivere. L’acqua regola la temperatura corporea, idrata i tessuti, protegge gli

organi, trasporta sostanze nutritive, lubri ca le articolazioni, svuota i prodotti di

scarto e dissolve i minerali.

Si dovrebbe consumare circa nove tazze di acqua ogni giorno, e fattori come

l'esercizio sico, il caldo, e l'assunzione di caffeina possono aumentare le nostre

esigenze di acqua.

Dopo l’acqua la seconda molecola per tasso di complessità è l’anidride carbonica.

L’anidride carbonica non si trova in forma liquida ma gassosa ed è formata da due

atomi di Ossigeno e una molecola di Carbonio.

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Acqua (H2O) e anidride carbonica (CO2) hanno forme diverse a causa di come i loro

elettroni sono disposti.

L'acqua ha una struttura piegata o a forma di V perché le due coppie solitarie di

elettroni sull'atomo di ossigeno centrale causano più repulsione delle coppie di

legame.

Al contrario, l'anidride carbonica è lineare perché ogni atomo di ossigeno forma un

doppio legame con l'atomo di carbonio centrale, e la repulsione tra questi legami è

uguale. La teoria VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) predice le forme

di queste molecole in base alla repulsione tra le coppie di elettroni nel guscio di

valenza dell'atomo centrale.

Gli scienziati ritengono che circa 25 % degli elementi noti, siano essenziali per la

vita.

Solo quattro di questi atomi: carbonio (C), ossigeno (O), idrogeno (H) e azoto (N),

costituiscono circa il 96% del corpo umano.

Ci sono 92 elementi che si trovano naturalmente sulla Terra. Tuttavia, gli esseri

viventi contengono solo 11 di questi elementi in più di tracce.

Quattro elementi costituiscono il 96,2% del peso del corpo umano. Questi

elementi sono ossigeno, idrogeno, carbonio e azoto. Qualsiasi elemento presente in

una quantità di 0,01% o meno è considerato un oligoelemento.

La maggior parte delle molecole di ossigeno sono parte dell'acqua nel nostro corpo

(H2O). Infatti, oltre la metà del corpo umano è costituito da acqua (50-70%).

Il corpo umano comprende undici elementi signi cativi che costituiscono la maggior

parte del suo peso.

Questi elementi e le loro percentuali sono: ossigeno (65%), carbonio (18%),

idrogeno (10%), azoto (3%), calcio (1,5%), fosforo (1,0%), potassio (0,25%), zolfo

(0,25%), sodio (0,15%), cloro (0,15%) e magnesio (0,05%).

Altri oligoelementi

sono presenti nel corpo, ognuno dei quali costituisce meno dello 0,01% del peso

totale. Questi oligoelementi includono boro (B), cadmio (Cd), cromo (Cr), cobalto

(Co), rame (Cu), uoro (F), iodio (I), ferro (Fe), manganese (Mn),

molibdeno (Mo), selenio (Se), silicio (Si), stagno (Sn), vanadio (V) e zinco (Zn).

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APPUNTI 2 LEZIONE

I 4 atomi più comuni nel corpo umano sono:

Ossigeno

Carbonio

Idrogeno

Azoto

Si possono combinare in tantissime molecole che rappresentano il 99% della

chimica del corpo umano, la restante parte dell’1% è formata da tanti altri atomi che

partecipano in misura minoritaria a formare altre molecole.

Grazie all’aggregazione di questi 4 atomi possiamo formare molecole già grandi, e

sono quelle caratterizzate dai legami covalenti di idrogeno e interazioni idrofobiche

che servono a strutturare i primi passi della vita.

MOLECOLE BIOLOGICHE —> Bios sta per vita, sono le molecole della vita.

Sono composte da Carbonio e Idrogeno, spesso si associano Ossigeno, fosforo e

Zolfo.

Oltre alle molecole in senso stretto abbiamo le cosiddette bio-molecole o molecole

biologiche, ovvero tutte quelle molecole che sono coinvolte nei processi vitali degli

organismi.

Le biomolecole sono composte essenzialmente da carbonio e idrogeno, cui sono

spesso associati azoto, ossigeno, fosforo e zolfo.

Sono note 4 grandi famiglie di Biomolecole, ma con innumerevoli combinazioni:

Glucidi —> zuccheri

Lipidi —> grassi

Proteine e

Acidi nucleici —> materiale genetico, che conserva le informazioni necessarie alla

produzione delle nostre cellule, tessuti e riproduzione dell’organismo umano in

quanto tale —> DNA

6 Abbiamo 2 tipi di acidi

nucleici.

DNA

RNA

RNA —> acido ribonucleico, più semplice

DNA —> Acido disossi ribonucleico, più complesso

Abbiamo 5 basi dove sono scritte tutte le informazioni, mescolandole riusciamo a

costruire il corredo genetico di una cellula o di un organismo.

I PRIMI TRE LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE DEL CORPO UMANO SONO:

ATOMI

MOLECOLE -> BIO MOLECOLE

GLI AMINOACIDI

- Gli atomi si combinano per formare le “molecole della vita” ovvero i costituenti

fondamentali degli organismi viventi come le proteine, i carboidrati, i grassi e gli

acidi nucleici. Negli aminoacidi gli atomi si combinano con una struttura

semplice in cui vediamo diversi legami rappresentati da una

grande partecipazione del carbonio (esagoni e pentagoni),

ossigeno e idrogeno.

Amminoacido: molecola che possiede un gruppo amminico

primario (-NH2, una molecola di azoto e 2 di idrogeno) come

sostuente dell’atomo carbonio a, e un gruppo carbossilico

acido (-COOH 1 atomo di carbonio + 1 ossigeno + 1 idrogeno)

Creano dei composti polifunzionali, infatti essi presentano sia

- un gruppo carbossilico, che conferisce loro caratteristiche acide,

- sia un gruppo amminico, che conferisce loro caratteristiche basiche.

Tanti amminoacidi tutti insieme, formano una PROTEINA

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3. Proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici: le

molecole della vita

Un amminoacido è un tipo di molecola organica che è

costituito da tre componenti:

- un gruppo amminico primario (NH2),

- un gruppo carbossilico acido (COOH) e

- un gruppo R organico (o catena

laterale) che è unico per ogni amminoacido.

Il termine "amminoacido" è l'abbreviazione di "acido

carbossilico alfa-amminico". Ogni molecola ha un atomo

centrale del carbonio (C), citato come il α-carbonio, che è

ssato ad un gruppo amminico e ad un gruppo carbossilico.

I due legami rimanenti dell'atomo di carbonio α sono solitamente collegati con un

atomo di idrogeno (H) e il gruppo R.

L'aminoacido più semplice è la glicina, chiamata così per il suo sapore dolce (Glyco,

"zucchero").

Fu isolata dalla gelatina proteica nel 1820.

A metà degli anni '50 gli scienziati, che cercavano di capire la relazione tra geni e

proteine, concordarono sul fatto che 20 amminoacidi (chiamati amminoacidi

essenziali) dovevano essere considerati i mattoni essenziali di tutte le proteine.

L'ultimo di questi ad essere scoperto, la treonina, era stato identi cato nel 1935.

Gli amminoacidi sono composti polifunzionali, infatti essi presentano sia un gruppo

carbossilico, che conferisce loro caratteristiche acide, sia un gruppo amminico, che

conferisce loro caratteristiche basiche.

Gli amminoacidi polimerizzano per formare catene lineari (legame peptidico), e

formano i peptidi.

Quando si uniscono:

2 amminoacidi abbiamo i dipeptidi,

tre aminoacidi i tripeptidi;

più di 3 e no a 10 amminoacidi parliamo di oligopeptidi.

l’unione di più di 10 aminoacidi abbiamo i polipeptidi.

Più peptidi formano le proteine.

Essi sono i costituenti primari delle PROTEINE.

Le proteine sono fondamentali per il funzionamento della vita sulla Terra.

Catalizzano la maggior parte delle reazioni chimiche che si veri cano nelle cellule e

forniscono componenti strutturali per cellule e tessuti.

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Alcune proteine permettono il movimento ed il trasporto dei materiali all'interno delle

cellule. Altri proteggono dalle malattie o montano attacchi contro i virus che eludono

altre difese del sistema immunitario. Anche gli ormoni, ad esempio, sono proteine.

Le proteine inoltre, controllano l'espressione genica.

Il termine PROTEINA fu coniato da Jöns Jacob Berzelius nel 1838, e deriva dal

greco "prōteios", che signi ca "primo posto."

Le proteine sono composte da catene lunghe di α-amminoacidi, che hanno un

gruppo amminico (NH2) e un gruppo carbossilico (COOH) attaccato all'atomo di

carbonio α.

Nelle soluzioni acide, i gruppi carbossilici diventano privi di carica (COOH), mentre

nelle soluzioni alcaline i gruppi amminici diventano gruppi amminici (NH2). Tra valori

pH compresi tra 4 e 8, gli amminoacidi portano sia una carica positiva che una

negativa e sono chiamati zwitterions.

Soltanto 20 dei 100+ amminoacidi trovati in natura sono costituenti delle proteine; ed

i legami del peptide li collegano insieme.

Le proteine servono per varie funzioni corporee, come fornire supporto strutturale,

catalizzare reazioni chimiche, agire come ormoni, funzionare come enzimi, servire

come elementi costitutivi e iniziare il processo di morte cellulare programmata

(apoptosi).

Le proteine hanno quattro livelli strutturali principali: primario, secondario,

terziario e quaternario. La struttura primaria è la

struttura proteica più cruciale e comprende

una sequenza lineare di residui di aminoacidi.

I legami peptidici collegano tutti i residui con

le posizioni designate dell'atomo di carbonio

chiamate alfa, beta e gamma. Questa

struttura egualmente si riferisce a come la

spina dorsale della proteina.

La struttura secondaria è il

livello seguente della struttura della proteina

ed è formata, da vari elementi, come l’alfa

elica, il foglio beta-pieghettato ed il beta-giro.

I legami idrogeno stabilizzano

queste forme.

La struttura terziaria