Appunti per l'esame di Fondamenti di Biologia

Le molecole importanti della vita

Gli organismi viventi

Le molecole

• Cellule
• Tessuti
• Organi
• Apparati/sistemi

Acqua

La vita sulla Terra è comparsa nell'acqua e qui si è evoluta per 3 miliardi di anni prima di diffondersi sulla terraferma. La vita moderna, anche nelle forme terrestri, rimane legata all'acqua. Ognuno di noi sperimenta questa necessità ogni qualvolta cerca l'acqua per calmare la sete e ripristinare il contenuto idrico dell'organismo. All'interno del corpo, le nostre cellule sono circondate da un liquido composto per la maggior parte da acqua ed esse stesse sono costituite per il 70-95% da acqua.

Le peculiari caratteristiche che permettono all'acqua di supportare la vita sono riconducibili alla struttura e alle interazioni tra le molecole di questa sostanza.

• Coesione dell'acqua: Le molecole di acqua aderiscono le une alle altre per effetto dei legami idrogeno. Questa tendenza delle molecole di aderire è detta coesione e nelle molecole di acqua è molto più forte che in altri liquidi.
• Regolazione della temperatura: Grazie alla presenza di legami a idrogeno, l'acqua offre una maggiore resistenza ai cambiamenti di temperatura rispetto a molte altre sostanze. La temperatura e il calore sono correlati tra loro, ma sono due concetti distinti. Il calore è la quantità di energia associata con il movimento degli atomi e delle molecole in una certa quantità di materia. La temperatura misura l'intensità del calore, cioè la velocità media delle molecole, non la quantità totale di energia termica contenuta in una certa quantità di materia. Quando l'acqua viene riscaldata l'energia termica dapprima rompe i legami idrogeno, poi fa sì che le molecole di acqua si muovano più velocemente. La temperatura dell'acqua non sale fino al momento in cui le molecole non iniziano a muoversi più velocemente. Poiché il calore viene utilizzato prima per rompere i legami idrogeno piuttosto che per innalzare la temperatura, l'acqua assorbe e immagazzina grandi quantità di calore aumentando solo di pochi gradi la sua temperatura. Viceversa, quando l'acqua si raffredda si formano i legami idrogeno, un processo che rilascia calore. Quindi l'acqua può rilasciare grandi quantità di calore all'ambiente circostante mentre la sua temperatura si abbassa solo di poco.
• Un altro modo con cui l'acqua regola i cambiamenti di temperatura è attraverso il raffreddamento per evaporazione. Quando una sostanza evapora, la superficie rimanente del liquido si raffredda, perché tendono a evaporare prima le molecole con un contenuto energetico maggiore. Su scala individuale, il raffreddamento per evaporazione previene il surriscaldamento degli organismi terrestri. Ciò spiega come la sudorazione ci aiuta a mantenere costante la temperatura corporea anche quando facciamo esercizio fisico in una giornata calda.
• Importanza biologica del galleggiamento del ghiaccio sull'acqua: Quando le molecole dell'acqua si raffreddano si allontanano, formando il ghiaccio. Infatti, un pezzo di ghiaccio contiene meno molecole dello stesso volume di acqua liquida, pertanto il ghiaccio galleggia perché è meno denso dell'acqua in cui si trova. Il fatto che il ghiaccio galleggi è una conseguenza dei legami idrogeno. Al contrario dei legami idrogeno presenti nell'acqua liquida, i legami idrogeno tra le molecole di acqua allo stato solido hanno vita media molto più lunga, cosicché ogni molecola può formare legami idrogeno con quattro molecole vicine. Come risultato, il ghiaccio è un solido con molecole molto distanziate tra loro. Immaginate cosa succederebbe se il ghiaccio andasse fino in fondo. Tutti gli stagni, i laghi e persino gli oceani ghiaccerebbero. Quando una grande raccolta di acqua congela, lo strato superficiale di ghiaccio funge da isolante per l'acqua sottostante, permettendo così alla vita di continuare sotto la superficie ghiacciata.
• Acqua come solvente: È possibile sciogliere il sale o lo zucchero nell'acqua. Il risultato è una mistura che prende il nome di soluzione, cioè un liquido che consiste di una mescolanza omogenea di due o più sostanze. L'agente in cui avviene la dissoluzione prende il nome di solvente e la sostanza che vi viene sciolta è detta soluto. Quando il solvente è l'acqua la soluzione viene detta soluzione acquosa. L'acqua può sciogliere un'enorme quantità di soluti, infatti come solvente è il mezzo in cui avvengono molte reazioni chimiche. L'acqua può sciogliere i sali ionici e molte molecole polari, come gli zuccheri, grazie alla possibilità di orientare regioni cariche positivamente o negativamente verso le regioni cariche delle molecole polari.

Acidi, basi e pH

Nelle soluzioni acquose presenti negli organismi, la maggior parte delle molecole di acqua si mantiene integra. Tuttavia, alcune delle molecole di acqua si dissociano in ioni idrogeno (H⁺) e ioni idrossido (OH^-). Un composto chimico che rilascia ioni H⁺ in una soluzione viene chiamato acido. Viceversa, una base è una sostanza che accetta ioni H⁺ rimuovendoli dalla soluzione.

Per descrivere l'acidità di una soluzione si usa la scala del pH, una misura della concentrazione degli idrogenioni (H⁺) presenti in una soluzione. La scala è compresa tra 0 (il valore corrispondente alla massima acidità) e 14 (quello della massima basicità). Ogni unità di pH indica un cambiamento di dieci volte della concentrazione degli ioni H⁺.

• pH<7 tanto più acida è la soluzione e maggiore è la concentrazione di ioni H⁺ rispetto agli OH^-.
• pH>7 tanto più basica è la soluzione e maggiore è l'eccesso di ioni OH^- rispetto agli ioni H⁺.
• pH=7 la soluzione è detta neutra, le concentrazioni di ioni OH^- e H⁺ sono uguali.

Anche un piccolo cambiamento del pH può essere dannoso per un organismo, poiché le molecole nelle cellule sono estremamente sensibili alla concentrazione degli ioni H⁺ e OH^-. In natura i liquidi biologici contengono dei tamponi, sostanze che prevengono cambiamenti dannosi del pH accettando ioni H⁺ quando questo ione è in eccesso o donando ioni H⁺ quando è in difetto. Questi sistemi tampone però non sono infiniti; i danni biologici dei valori sfavorevoli di pH sono evidenti nella devastazione delle piogge acide.

Effetti piogge acide

A livello delle acque superficiali, gli animali acquatici vengono a ritrovarsi in un ambiente il cui pH risulta più basso e contemporaneamente vi è una maggiore concentrazione di alluminio nelle acque superficiali; ciò causa danni a pesci e altri animali acquatici. Il pesce, inoltre, entra nella catena alimentare danneggiando così gli altri animali che se ne nutrono, compreso l'uomo. Con un pH inferiore a 5 le uova della maggior parte dei pesci non si schiudono, e pH inferiori a 5 possono arrivare ad uccidere anche pesci adulti. Inoltre, sono state identificate diverse morie di animali acquatici imputate all'acidificazione di fiumi e laghi.

La misura in cui le piogge acide influiscono, direttamente o indirettamente, all'acidificazione di laghi e fiumi dipende dalle caratteristiche del bacino stesso. I bacini riforniti da sorgenti o fiumi sotterranei, a seguito dell'azione filtrante del terreno, risentono meno dei bacini aperti.

A livello del terreno, la biologia e la chimica dei suoli possono essere seriamente danneggiate dal fenomeno dell'acidificazione. Alcuni microbi non sono in grado di tollerare abbassamenti di pH e vengono uccisi. Tale sterilizzazione del terreno colpisce anche i microorganismi saprofiti o simbionti con le piante arrivando anche a danneggiare o ridurre i raccolti. Inoltre, il processo di acidificazione mobilita gli ioni idronio; ciò comporta la mobilitazione di sostanze tossiche come l'alluminio. Inoltre, la mobilitazione sottrae nutrienti essenziali e minerali come il magnesio al terreno.

Le molecole biologiche

Quattro classi di macromolecole: Carboidrati

Negli animali i carboidrati servono come fonte primaria di energia; nelle piante sono utilizzati come materiale di struttura.

• Monosaccaridi: gli zuccheri semplici o monosaccaridi includono il glucosio e il fruttosio. La formula molecolare del glucosio è C₆H₁₂O₆. Il fruttosio ha la stessa formula, ma i suoi atomi sono disposti in maniera differente. Il glucosio e il fruttosio sono detti isomeri, molecole che hanno la stessa formula molecolare, ma differente struttura. I monosaccaridi, in particolare il glucosio, sono i principali combustibili per il lavoro cellulare. Le nostre cellule "consumano" glucosio estraendo l'energia in esso immagazzinata ed eliminando biossido di carbonio.
• Disaccaridi: un disaccaride consiste in due monosaccaridi legati assieme tramite un legame glicosidico tra il carbonio anomerico di una unità di monosaccaride e un ossidrile dell'altra.
  • Saccarosio, costituito da una molecola di α-D-glucosio e una di β-D-fruttosio.
  • Maltosio, deriva dall'idrolisi enzimatica del malto. È costituito da due molecole di α-D-glucosio.
  • Cellobiosio, ottenuto per parziale idrolisi della cellulosa. È costituito da due molecole di β-D-glucosio.
  • Lattosio, è costituito da una molecola di β-D-glucosio e una di β-D-galattosio.
• Polisaccaridi: sono lunghe catene di unità monosaccaridiche, cioè polimeri di monosaccaridi.
  • L'amido è formato da molti monomeri di glucosio legati assieme. Le cellule vegetali immagazzinano l'amido sotto forma di granuli, che servono da depositi di zucchero e che possono essere degradati per fornire l'energia e il materiale di partenza per la sintesi di altre molecole. L'uomo e la maggior parte degli altri animali sono in grado di utilizzare l'amido come alimento contenuto nelle piante idrolizzando, nel sistema digerente, i legami tra i monomeri di glucosio.
  • Gli animali immagazzinano l'eccesso di zuccheri sotto forma di un polisaccaride detto glicogeno. Il glicogeno è simile all'amido nella sua struttura, in quanto anch'esso è un polimero costituito da monomeri di glucosio, ma molto più ramificato. Gran parte del nostro glicogeno è depositato sotto forma di granuli nel fegato e nelle cellule muscolari, che lo degradano per liberare glucosio quanto è necessaria energia.
  • Alcuni polisaccaridi servono come componenti strutturali. La cellulosa, il composto organico più abbondante sulla Terra, forma delle fibrille con struttura cava nelle pareti resistenti che circondano le cellule vegetali e rappresenta il principale componente del legno. La cellulosa è simile all'amido e glicogeno, in quanto è un polimero del glucosio, ma i suoi monomeri di glucosio sono legati con un differente orientamento.
  • La chitina è il componente strutturale principale dell'esoscheletro degli invertebrati come i crostacei, insetti e ragni. Essa è un omopolimero di residui di N-acetilglicosammina legati con i legami β (1 → 4) e differisce dalla cellulosa per avere il gruppo OH in ogni C2 sostituito da una funzione acetamidica.

Lipidi

I lipidi sono molecole idrofobe, insolubili nell'acqua a causa dei numerosi legami apolari.

• Grassi: consistono essenzialmente di trigliceridi. Ogni trigliceride è costituito da una molecola di glicerolo (un alcol) legata a tre molecole di acidi grassi attraverso una reazione di disidratazione. Questa risorsa energetica a lungo termine viene depositata un particolari strutture, dette cellule adipose, che sono in grado di restringersi e allargarsi a seconda dei depositi di grasso in esse contenuti. Se sono presenti doppi legami, l'acido grasso è detto insaturo altrimenti se non sono presenti doppi legami l'acido grasso è detto saturo. Quando è presente un grasso con più doppi legami si ha un grasso poliinsaturo. La forma curva degli acidi grassi insaturi li rende meno facilmente solidificabili. Essi vengono indicati come oli perché a temperatura ambiente tendono a essere liquidi. A volte, nella produzione di margarine o burro di arachidi, il produttore desidera utilizzare un olio vegetale, ma è necessario che il prodotto finale sia solido. Per ottenere questo risultato si possono convertire gli acidi grassi insaturi in grassi saturi per mezzo dell'aggiunta di atomi di idrogeno, un processo che prende il nome di idrogenazione. Purtroppo l'idrogenazione porta alla formazione di grassi "trans", un tipo di grasso insaturo più dannoso dei grassi saturi. Alcuni grassi però svolgono un ruolo fondamentale per l'organismo e sono essenziali per una dieta corretta. Un esempio sono gli acidi grassi omega-3 che si trovano in alimenti come frutta secca e pesci grassi (salmone).
• Fosfolipidi: sono lipidi contenenti fosfato. Le molecole presentano una testa polare idrosolubile a base di fosfato e una coda apolare non idrosolubile. Per questo sono dette molecole anfipatiche. I fosfolipidi partecipano alla struttura delle membrane cellulari e in particolare alla modificazione della permeabilità selettiva di queste ultime.
• Steroidi: classificati come lipidi perché sono idrofobi, gli steroidi sono molto diversi dai grassi sia nella struttura che nelle funzioni. Lo scheletro carbonioso di uno steroide è piegato a formare quattro anelli condensati assieme. Il colesterolo, coinvolto in malattie cardiovascolari, è anche una molecola essenziale per il nostro organismo, infatti assieme ai fosfolipidi sono le componenti chiave delle membrane che circondano le nostre cellule. Il colesterolo è lo steroide base dal quale l'organismo sintetizza altri steroidi, inclusi l'estrogeno e il testosterone, gli steroidi che funzionano come ormoni sessuali.
• Terpeni: sono biomolecole costituite da multipli dell'unità isoprenica, ottenuti nei sistemi biologici dalla reazione di più unità di IPP e di DMAPP. Vengono prodotti in molte piante soprattutto conifere e da alcuni insetti, sono i componenti principali delle resine e degli oli essenziali delle piante, miscele di sostanze che conferiscono a ogni fiore o pianta un caratteristico odore o aroma.
• Squalene: è un idrocarburo e un triterpene presente nell'olio di fegato degli squali ma anche nei vegetali come i semi di amaranto e crusca di riso. Grazie alla sua natura chimica lo squalene è meno denso dell'acqua e contribuisce pertanto a sostenere la notevole massa degli squali, contribuendo all'ottima spinta idrostatica di questa specie.
• Carotenoidi: pigmenti capaci di assorbire la luce.
  • Piante: pigmenti accessori alla clorofilla, che assorbono lunghezze d'onda luminose diverse e proteggono le clorofille dalla fotossidazione.
  • Animali: funzioni di antiossidanti, eliminano i radicali liberi.
• Vitamine: molecole che l'animale non sintetizza o sintetizza in quantità insufficiente. Svolgono un ruolo di supporto agli enzimi (coenzimi) in diverse reazioni metaboliche. In enzimologia con il termine cofattore si intende una piccola molecola di natura non proteica o uno ione metallico che si associa all'enzima e ne rende possibile l'attività catalitica tipica dell'enzima stesso. La maggior parte degli enzimi che richiedono il legame a cofattori, infatti, perde ogni funzionalità in caso di assenza del cofattore stesso. I coenzimi sono molecole organiche molto importanti per la funzione degli enzimi che contengono, in genere, vitamine idrosolubili o ioni metallici.

Proteine

Una proteina è un polimero costituito da monomeri, gli amminoacidi. Ogni proteina ha una forma tridimensionale propria che corrisponde a una specifica funzione. Tra i diversi tipi di proteine ricordiamo:

• Proteine strutturali, che forniscono supporto e che troviamo nei capelli, corna, piume, ragnatele.
• Proteine di deposito, che si trovano nei semi e nelle uova, forniscono una fonte di amminoacidi per le piante e gli animali in via di sviluppo.
• Proteine contrattili, che si trovano soprattutto nei muscoli.
• Proteine di trasporto, che includono l'emoglobina che trasporta l'ossigeno.
• Proteine di difesa, come gli anticorpi prodotti dal sistema immunitario.
• Proteine di segnale, che inviano messaggi da una cellula all'altra.
• Gli enzimi che accelerano le reazioni chimiche.

Tutte le proteine sono costituite da un gruppo di 20 differenti amminoacidi. Ogni amminoacido è costituito da un atomo di carbonio in posizione centrale, legato covalentemente a quattro gruppi chimici. Tre di questi gruppi sono comuni a tutti e 20 gli amminoacidi: un gruppo carbossilico (-COOH), un gruppo amminico (-NH₂) e un atomo di idrogeno. Il gruppo variabile degli amminoacidi, chiamato catena laterale è legato al quarto legame del carbonio centrale.

Il legame risultante tra due amminoacidi contigui è detto legame peptidico. Le proteine normalmente sono costituite da 100 o più amminoacidi che formano una catena polipeptidica. Ogni proteina ha una specifica sequenza lineare amminoacidica. Questa specifica sequenza di amminoacidi è chiamata struttura primaria di una proteina.

Struttura secondaria: alcuni segmenti della catena polipeptidica formano delle strutture regolari dette secondarie. I due tipi di struttura secondaria sono detti: alfa elica e foglietto ripiegato. La struttura secondaria è rinforzata da legami idrogeno che si instaurano lungo la catena polipetidica.

Struttura terziaria: viene così chiamata la forma tridimensionale della proteina. Essa è stabilizzata da legami chimici tra le catene laterali degli amminoacidi che si trovano in zone diverse della catena polipetidica.

Struttura quaternaria: alcune proteine consistono di più catene polipeptidiche.