Riassunto esame Biologia, Prof. Di Mauro Ivan, libro consigliato Solomon E.P., Berg L., Martin D., Elementi di Biologia, EdiSES 2021 VIII edizione, Berg L., Martin D.

Programma completo biologia, IUSM Foro Italico

Composizione cellula e richiami di chimica

Atomo e legami, molecole organiche, gruppi funzionali; interazioni deboli: il legame a idrogeno; acqua e soluzioni: acidi, basi e sali; il pH. Le grandi molecole biologiche: glucidi, lipidi, protidi, acidi nucleici.

Biologia generale e umana

L'evoluzione e l'ambiente. Origine della vita ed evoluzione dei viventi; procarioti ed eucarioti: i cinque regni; virus e prioni. Evoluzione dell'uomo e sua variabilità biogeografica: adattamenti all'ambiente, polimorfismi genetici, popolazioni.

Biologia cellulare, riproduzione e genetica

Cellula tipo e sua variabilità. Citoplasma e organuli; citoscheletro e strutture del movimento. Membrana cellulare e passaggio delle sostanze. Energetica cellulare. Riproduzione cellulare: ciclo cellulare, mitosi e meiosi. Leggi di Mendel e principi di genetica classica; geni e cromosomi, determinazione del sesso, caratteri legati al sesso; mutazioni. DNA, codice genetico e sintesi delle proteine. Nozioni di genetica umana.

Proteine

Struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Esempi di rapporti struttura-funzione: emoproteine per trasporto e riserva di ossigeno; collageno; proteine contrattili; proteine recettore.

Enzimi e catalisi enzimatica

Gruppi prostetici, cofattori, coenzimi; concetto di sito attivo e di specificità; complesso enzima-substrato, regolazione e inibizione enzimatica.

Bioenergetica e fosforilazione ossidativa

Variazione di energia libera e reazioni accoppiate; la catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa; la teoria chemio-osmotica.

Biomolecole coinvolte nei processi di controllo e regolazione metabolica

Vitamine; ormoni.

Metabolismo di glucidi, lipidi e proteine

Glicolisi e fermentazione; ciclo dell’acido citrico; via del pentoso fosfato; gluconeogenesi; metabolismo degli acidi grassi; chetogenesi; il ciclo dell'azoto; metabolismo di amminoacidi: deaminazione, transaminazione; ciclo dell'urea.

Testi di riferimento

Solomon E.P., Berg L., Martin D., Elementi di Biologia, EdiSES 2021 VIII edizione + sbobine e slide date dai docenti.

Primo esonero biologia

Elementi e particelle subatomiche

Gli elementi sono sostanze che non possono essere scisse in sostanze più semplici mediante le ordinarie reazioni chimiche. Quattro elementi costituiscono più del 96% della massa della maggior parte degli organismi: ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto. Altri come fosforo, calcio, potassio e magnesio sono anch’essi presenti, ma in quantità minori.

L’atomo è la più piccola porzione di un elemento che mantiene tutte le proprietà chimiche di quell’elemento. I componenti degli atomi sono minuscole particelle di materia, note come particelle subatomiche:

• Elettrone, particella che possiede una carica elettrica negativa unitaria;
• Protone, particella che possiede una carica elettrica positiva unitaria;
• Neutrone, particella priva di carica.

Il nucleo atomico è l'insieme di protoni e neutroni. Gli elettroni invece non hanno una posizione fissa e si muovono nello spazio intorno al nucleo (orbitali).

Numero atomico e massa atomica

Ogni elemento ha un numero fisso di protoni, detto anche numero atomico Z, scritto in basso a sinistra del simbolo chimico. Nella tavola periodica gli elementi sono disposti secondo il numero atomico crescente. Il modello di Bohr, che mostra gli elettroni disposti in una serie di cerchi concentrici intorno al nucleo, viene spesso utilizzato ma non è del tutto accurato.

La massa di una particella subatomica, ossia il peso atomico, si misura in uma o dalton. Un uma è circa uguale alla massa di un protone o di un neutrone (1,7 x 10^-24 g). Protoni e neutroni costituiscono quasi tutta la massa dell’atomo.

Ricorda: il numero di elettroni è uguale al numero di protoni. Gli isotopi di uno stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni, mentre differiscono per il numero di neutroni.

Isotopi e radioisotopi

Tutti gli isotopi di un dato elemento hanno essenzialmente le stesse caratteristiche chimiche. I radioisotopi sono isotopi instabili che tendono a decomporsi o a decadere verso un isotopo più stabile, emettendo radiazioni. In medicina sono usati sia per la diagnostica che per la terapia, ad esempio per il trattamento dei tumori.

Orbitali e livelli energetici

Gli elettroni si muovono negli orbitali (nubi elettroniche), ciascuno di essi contiene due elettroni. L’energia dell’elettrone dipende dall’orbitale in cui si trova; gli elettroni posti sullo stesso orbitale hanno simile energia, cioè lo stesso livello energetico principale, costituendo quindi lo stesso guscio elettronico. Il guscio elettronico con maggiore energia è sempre quello più lontano ed esterno dal nucleo, gli elettroni che si trovano lì prendono il nome di elettroni di valenza (con il rispettivo guscio di valenza).

• Il 1° livello energetico ha un solo orbitale e contiene quindi due elettroni;
• Il 2° livello energetico ha invece 8 elettroni e 4 orbitali;
• Il 3° livello energetico è caratterizzato da 18 elettroni.

Il numero massimo di elettroni che ciascun livello energetico “n” può contenere, è dato dalla formula: 2xn². Quando il guscio di valenza non è completo, l’atomo tende ad acquisire o condividere elettroni per completare il guscio esterno.

Composti chimici e legami

Un composto chimico consiste di atomi di due o più elementi differenti combinati in un rapporto fisso e costante (ad esempio l’H₂O, rapporto 2:1). Quando due o più atomi si combinano chimicamente, si formano delle unità chiamate molecole (ad esempio il cloruro di sodio). La formula chimica può essere:

• Formula semplice o empirica;
• Formula molecolare;
• Formula di struttura.

La massa molecolare è la somma delle masse atomiche degli atomi che compongono una singola molecola. Quella dell’acqua è pari a 18 uma, mentre quella del glucosio è di 180 uma.

La mole (mol) è la quantità di elemento o di composto la cui massa in grammi è equivalente alla sua massa atomica o molecolare. Il numero di Avogadro è il numero di unità in una mole, pari a 6,02 x 10²³.

Equazioni chimiche e legami chimici

In un’equazione chimica abbiamo sempre dei reagenti (a sinistra) e dei prodotti (a destra). Si ha equilibrio dinamico quando la velocità di reazione nei due sensi è uguale. Le reazioni reversibili sono invece indicate da una doppia freccia (due frecce a senso opposto).

Ciascun legame contiene una certa quantità di energia, che è pari all’energia di legame, ossia alla quantità di energia necessaria per rompere il legame. Sono gli elettroni di valenza a definire quanti legami può formare un determinato atomo.

Tipi di legami chimici

• Legami covalenti: comportano la condivisione di elettroni tra gli atomi, in modo tale che ogni atomo abbia il guscio più esterno completo; sono considerati legami forti. Si suddividono in apolari, o omopolari, che avvengono tra atomi con uguale elettronegatività, e polari, o eteropolari, che avvengono tra atomi con elettronegatività diversa. Questi legami possono essere semplici, doppi o tripli.
• Legami ionici: si formano anioni, che si caricano negativamente acquisendo elettroni, e cationi, ioni carichi positivamente perché hanno ceduto elettroni. Considerati sempre legami forti.
• Legami a idrogeno: si formano tra un atomo con una parziale carica negativa e un atomo di idrogeno legato covalentemente all’ossigeno o all’azoto; sono considerati legami deboli, infatti, si formano e si rompono rapidamente.
• Interazioni di Van der Waals: sono sempre legami deboli che avvengono tra atomi di molecole apolari, elettricamente neutre.

Reazioni redox

La reazione redox (ossidoriduzione) si basa sul trasferimento di un elettrone, e dell’energia associata ad esso, da una sostanza all’altra. L’ossidazione è un processo chimico nel quale un atomo, ione o molecola perde elettroni. La riduzione è un processo chimico nel quale un atomo, ione o molecola acquista elettroni. Queste due reazioni avvengono sempre insieme.

In una reazione redox, l’agente ossidante accetta uno o più elettroni, riducendosi. L’agente riducente cede uno o più elettroni, ossidandosi.

L'acqua e le sue proprietà

Nei tessuti umani, l’acqua è presente in percentuali che vanno dal 20% delle ossa all’85% delle cellule cerebrali; circa il 70% del nostro peso corporeo è dovuto all’acqua. È considerata anche il solvente nel quale avviene la maggior parte delle reazioni biologiche e chimiche. Le molecole d’acqua sono polari, hanno un’estremità che ha carica positiva e l’altra estremità carica negativamente. Allo stato liquido e allo stato solido è in grado di formare legami a idrogeno, ciascuna molecola d’acqua può formare legami a idrogeno con un massimo di 4 molecole di acqua circostanti.

Proprietà dell’acqua:

• Coesive
• Adesive
• Azione capillare
• Tensione superficiale

L’acqua è un ottimo solvente, soprattutto per quanto riguarda i composti ionici e polari. Le sostanze che interagiscono facilmente con l’acqua sono dette idrofiliche (zucchero, sale), molte invece sono idrofobiche, cioè formano strutture insolubili in acqua (olio da cucina).

Energia cinetica e calore

L’energia cinetica è l'energia associata ad un corpo in movimento; pertanto, quando un corpo si muove nello spazio con velocità v, possiede un certo valore di energia cinetica. Il termine calore si riferisce alla quantità totale di energia cinetica in un campione di sostanza; la temperatura è una misura dell’energia cinetica media delle particelle.

Il calore di vaporizzazione è la quantità di energia termica necessaria per far passare 1 grammo di sostanza dallo stato liquido al vapore, è espresso in unità chiamate calorie. Una caloria è la quantità di energia termica necessaria per innalzare di un grado Celsius la temperatura di un grammo d’acqua. L’acqua possiede anche un elevato calore specifico, questo significa che è necessaria una quantità piuttosto grande di energia per innalzare la temperatura dell’acqua.

Acidi, basi e sali

L’acqua ha bassa tendenza a ionizzarsi, ovvero a dissociarsi in ioni idrogeno H⁺ e in ioni idrossido OH^-. Un acido è una sostanza che in soluzione si dissocia producendo ioni idrogeno e anioni; un acido è quindi un donatore di protoni. Una base è un accettore di protoni; le sostanze sciolte in acqua si dissociano cedendo uno ione OH^- e un catione.

pH: grado di acidità di una sostanza, è il logaritmo negativo della concentrazione degli ioni idrogeno.

• Soluzioni acide (0-6)
• Soluzioni neutre (7)
• Soluzioni basiche (8-14)

Le soluzioni tampone sono sostanze, o combinazioni di sostanze, che si oppongono alle variazioni di pH dovute all’aggiunta di un acido o una base. Gli organismi contengono molti acidi e basi deboli che costituiscono un’importante riserva di tamponi, i quali prevengono valori di pH estremi. Un sale è un composto nel quale l’atomo di idrogeno dell’acido è stato rimpiazzato da un altro catione; si formano dalla reazione tra un acido e una base. Quando questi vengono sciolti in acqua, le loro particelle cariche dissociate possono condurre corrente elettrica, queste particelle sono dette elettroliti.

• Elettroliti: un sale, un acido o una base in grado di dare origine a particelle cariche elettricamente una volta disciolti in acqua.
• Non elettroliti: sostanze che non formano ioni in soluzione (zuccheri e alcoli).

Composti organici

I composti organici sono quelli in cui lo scheletro della molecola è costituito da atomi di carbonio uniti tra loro. Nel 1828 gli scienziati capirono di poter sintetizzare le molecole, iniziando dalla sintesi dell’urea, un prodotto metabolico di scarto. L’atomo di carbonio ha 4 elettroni di valenza e per questo può completare il suo guscio di valenza formando quattro legami covalenti. Il carbonio è particolarmente adatto a realizzare lo scheletro delle molecole di grandi dimensioni, in quanto i legami carbonio-carbonio sono forti e non vengono rotti facilmente.

Gli idrocarburi sono composti organici costituiti esclusivamente da carbonio e idrogeno. I quattro legami del carbonio non sono complanari, la struttura è simmetrica, con un angolo di 109.5 gradi tra ogni legame. Di solito c’è rotazione attorno ai legami, tranne che per il doppio o triplo legame.

Isomeri

Gli isomeri sono composti che hanno la stessa formula molecolare ma strutture e proprietà differenti. Generalmente uno è biologicamente attivo e l’altro no.

• Gli isomeri strutturali differiscono per la disposizione covalente dei loro atomi.
• Gli isomeri geometrici hanno una disposizione spaziale dei gruppi diversa; si distinguono in cis e trans.
• Gli enantiomeri sono coppie di isomeri che sono l’uno l’immagine speculare dell’altro.

Gruppi funzionali

Le caratteristiche di una molecola organica possono essere modificate quando uno o più atomi di idrogeno legati allo scheletro carbonioso di un idrocarburo sono sostituiti da altri gruppi di atomi, detti gruppi funzionali.

• Gruppo ossidrilico: è polare a causa della presenza di un atomo di ossigeno fortemente elettronegativo (OH-R).
• Gruppo carbonilico: è polare a causa dell’elettronegatività dell’ossigeno, pertanto il gruppo risulta idrofilico (CO-R). Si distingue in aldeidi e chetoni.
• Gruppo carbossilico: è debolmente acido in quanto parte della molecola di ionizza (COOH-R). È costituente essenziale degli amminoacidi.
• Gruppo amminico: è debolmente basico, può accettare uno ione idrogeno (protone) acquistando così una carica positiva (NH₂-R). È costituente essenziale degli amminoacidi e degli acidi nucleici.
• Gruppo fosfato (PO₄H₂-R)
• Gruppo sulfidrilico (SH-R)

Macromolecole

Le macromolecole sono polimeri formati dall’unione di composti organici più piccoli detti monomeri (le proteine sono fatte da amminoacidi). I polimeri possono essere degradati in monomeri attraverso l’idrolisi. Il processo contrario viene chiamato condensazione.

Carboidrati

Sono zuccheri, amidi e cellulosa. Gli zuccheri e gli amidi fungono da riserva energetica per le cellule, la cellulosa è la componente principale delle pareti delle cellule vegetali. Tutti i carboidrati sono composti da C, H ed O con un rapporto (CH₂O)_n. I carboidrati si distinguono in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

• Monosaccaridi: contengono da 3 a 7 atomi di carbonio. Tra i più semplici abbiamo i triosi (gliceraldeide, diidrossiacetone); ribosio e desossiribosio sono pentosi (zuccheri del DNA e RNA). Il glucosio, fruttosio e galattosio sono esosi, contenendo quindi 6 atomi di carbonio. In base alla posizione nella catena del gruppo carbonilico, il monosaccaride può essere aldeide o chetone.
  Il glucosio è utilizzato come fonte di energia dalla maggior parte degli organismi. Durante la respirazione cellulare le cellule ossidano le molecole di glucosio, rilasciando l’energia immagazzinata, che può così essere utilizzata per il lavoro cellulare. Glucosio e fruttosio sono isomeri strutturali. Le molecole sono unite ad anelli, dando origine all’alfa/beta glucosio.
• Disaccaridi: costituiti da due anelli di monosaccaridi legati attraverso un legame glicosidico. I disaccaridi possono essere idrolizzati, cioè scissi in due unità monosaccaridiche, per l’aggiunta di una molecola d’acqua.
  Il saccarosio è l’unione di glucosio e fruttosio, il lattosio è composto da glucosio e galattosio, il maltosio è formato da due unità di glucosio legate da un legame alfa, il cellobiosio è caratterizzato da due molecole di glucosio legate da un legame beta. I primi due disaccaridi sono naturali, mentre gli ultimi due sono prodotti di demolizione di polisaccaridi.
• Polisaccaridi: sono i più abbondanti in natura, a cui appartengono gli amidi, il glicogeno e la cellulosa. Sono macromolecole costituite da unità ripetute di uno zucchero semplice, generalmente il glucosio. Il polisaccaride può essere costituito da una lunga catena lineare e ramificata.
  L’amido, carboidrato di riserva dei vegetali, è costituito da subunità di alfa glucosio. In natura è presente come amilosio (lineare) e amilopectina (ramificato). Il glicogeno è l’amido animale, è la fonte di energia dei tessuti animali; il glicogeno si accumula principalmente nel fegato e nelle cellule muscolari. La cellulosa è il carboidrato più abbondante in natura, è un polisaccaride insolubile fatto da unità di alfa e beta glucosio.

Gli amminozuccheri sono composti nei quali un gruppo ossidrilico OH è stato sostituito da un gruppo amminico NH₂. Degli esempi sono la glucosammina e la galattosammina, quest’ultima è presente nella cartilagine.

I carboidrati possono combinarsi con le proteine per formare le glicoproteine, presenti sulla superficie esterna di molte cellule non batteriche. I carboidrati possono combinarsi anche con i lipidi per formare i glicolipidi, presenti sulla superficie esterna delle cellule animali, che rivestono un ruolo importante nel riconoscimento e nell’interazione tra cellule.

Lipidi

Classe di molecole che formano sostanze untuose, insolubili in solventi acquosi, sono infatti solubili in solventi apolari. Sono costituiti da molecole di carbonio e idrogeno, con pochi gruppi funzionali contenenti ossigeno, proprio per la poca presenza di ossigeno tenderanno ad essere idrofobici.

I trigliceridi costituiscono una riserva di energia, sono formati dall’unione di tre acidi grassi e un glicerolo. Il glicerolo è un alcol a tre atomi di carbonio contenente tre gruppi ossidrilici. Un acido grasso è costituito da un...