Basi di Biologia

BIOLOGIA

1 Origine della vita

Sulla terra ci sono forse , e continuano ad

più di 100 milioni di specie viventi

esserne scoperti di nuovi. La degli organismi è

maggior parte costituita da singole

, come noi sono in cui gruppi di cellule svolgono funzioni

cellule altri multicellulari

specifiche e sono collegati da sistemi di comunicazione. LA CELLULA E’ L’ENTITA’

FONDAMENTALE DELLA VITA.

Com’è nata la vita sulla terra? 4 miliardi di anni fa la terra era un ambiente

come gli altri pianeti odierni. La formazione della Terra è avvenuta circa

inospitale

4,6 miliardi di anni fa mentre si pensa che la vita abbia avuto origine fra 3,8 e 3,5

miliardi di anni fa. La Terra nei primi miliardi della sua esistenza era un posto

con eruzioni vulcaniche, lampi e piogge torrenziali. L’atmosfera conteneva

poco/niente O e consisteva principalmente di CO e di N oltre a piccole quantità

2 2 2

di gas quali H2, H2S e CO.

Alcuni scienziati hanno parlato dell’arrivo di alcuni meteoriti in quanto essi

contengono delle macromolecole da cui tutto potrebbe aver avuto inizio. Con

l’esperimento di Stanley Miller (anni ’50) è stato possibile dimostrare la

in un sistema isolato lo scienziato ha

formazione spontanea di amminoacidi:

messo tutte le molecole che costruiscono l’atmosfera della terra agli albori (acqua,

metano, ammoniaca, idrogeno) e ha fatto partire delle scariche elettriche: notò che

dall’atmosfera presente sotto i lampi si venivano a formare delle molecole come la

lanina, l’acido aspartico, che sono i mattoni che costituiscono le proteine. (DNA -

Il passaggio successivo nell’evoluzione è stato la formazione macromolecole

RNA- PROTEINE).

Negli anni ’80 si è scoperto che l’RNA è in grado di catalizzare alcune reazioni

chimiche, compresa la polimerizzazione di nucleotidi, aminoacidi e aminoacidi-

RNA. Quindi si ritiene che la prima macromolecola apparsa sulla terra sia stato

Si presume che la prima cellula abbia avuto origine quando l’RNA in grado

l’RNA.

di autoreplicazione è venuto ad essere circondato da una membrana composta da

fosfolipidi. .

Evoluzione da sistemi autoreplicanti di molecole di RNA alle cellule odierne

Sistemi basati su RNA = RNA + polipeptidi rudimentali

EVOLUZIONE DI RNA ADATTORI

Sistemi basati su RNA e proteine = RNA -> proteina

EVOLUZIONE DI NUOVI ENZIMI CHE CREANO IL DNA E NE FANNO COPIE DI RNA

Cellule odierne DNA -> RNA -> proteina

=

Evoluzione del metabolismo

La generazione e l’utilizzo controllato di energia metabolica è per

fondamentale

le attività cellulari

tutte e le vie principali del metabolismo energetico sono

altamente conservate nelle cellule odierne.

Tutte le cellule usano adenosina 5’-trifosfato (ATP) come fonte di energia

metabolica per spingere la sintesi dei costituenti cellulari e per svolgere le attività

che richiedono energia, come il movimento (ad esempio la contrazione muscolare).

Si pensa che i meccanismi usati dalle cellule per generare ATP si siano evoluti in tre

stadi, corrispondenti all’evoluzione della , della e del

glicolisi fotosintesi

**.

metabolismo ossidativo

Lo sviluppo di queste vie metaboliche ha cambiato l’atmosfera della Terra,

alterando così il corso della successiva evoluzione.

** Glicolisi (demolizione anaerobia del glucosio ad acido lattico)

Fotosintesi (la cellula imbriglia energia dalla luce solare e si svincola dall’uso di molecole

organiche)

Metabolismo ossidativo (In presenza di ossigeno dal piruvato e NADH si possono

sintetizzare molecole di ATP). Le prove geologiche

La vita sulla terra è esplosa dopo la comparsa dell’ossigeno.

suggeriscono che ci sia stato un ritardo di più di un miliardo di anni fra la

comparsa dei primi cianobatteri (ritenuti i primi organismi a rilasciare ossigeno) e

Si

il momento in cui l’ossigeno ha cominciato ad accumularsi nell’atmosfera.

pensa che questo ritardo sia dovuto in gran parte alla grande quantità di ferro

disciolto negli oceani, che reagiva con l’ossigeno rilasciato per formare enormi

depositi di ossido di ferro.

ALBERO DELLA VITA

L’albero filogenetico della vita rappresenta e stabilisce le relazioni fra tutti gli

esseri viventi. La loro storia evolutiva è rappresentata da una serie di progenitori

ancestrali che sono condivisi gerarchicamente da differenti organismi viventi del

periodo contemporaneo.

La classificazione degli esseri viventi:

Inquadramento sistematico degli esseri umani:

Carl von Linnè doppio nome

ha Inventato la tuttora in uso:

nomenclatura binomia

in lingua latina Homo sapiens (genere, specie).

La teoria dell’evoluzione …attraverso secoli le

Fatta da Charles Darwin, pubblicata nel 1859, dice che:

risulta nuove specie si formano

specie accumulano delle : ne che e le

differenze

specie discendenti sono diverse da quelle ancestrali..

selezione naturale.

Meccanismo di evoluzione è la Gli organismi competono per

sopravvivere e così gli organismi che hanno un vantaggio sopravvivono si

riproducono trasmettendo le loro caratteristiche alla prole.

Le mutazioni del DNA sono alla base delle differenze di cui parlava Darwin.

ATTCGGTTTAAAGCGGGG DNA

ATTCGGTTTAAAGCGAGG MUTAZIONE

! DIFFERENZA TRA LA TEORIA DELL’EVOLUZINE DI DARWIN TRA QUELLA DI

LAMARCK:

Secondo Darwin sopravvive solo la specie più forte, mentre quella debole è

destinata a scoparire. Secondo Lamarck la specie si evolve in base alle esigenze.

2 Chimica della cellula macromolecole

Macromolecole: polimeri formati da unità ripetute di sostanze semplici che

prendono il nome di monomeri.

Proteine: polimeri di aminoacidi - Legame peptidico

 Polisaccaridi: polimeri di monosaccaridi - Legame glicosidico

 Acidi nucleici: polimeri di nucleotidi - Legame fosfodiesterico

 I lipidi non sono macromolecole perché non sono divisibili in maniera

 simmetrica

CARBOIDRATI

I carboidrati sono . L’unità

atomi composti da carbonio, idrogeno ed ossigeno

strutturale più semplice viene definita . Ci sono poi i

MONOSACCARIDE

due molecole di monosaccaride,

, che possono essere scissi in ed

DISACCARIDI numerose molecole di

infine i , che fornisce sempre per idrolisi

POLISACCARIDI

monosaccaride.

In genere i carboidrati rappresentano la componente principale dei nostri cibi e

rientrano nella struttura di molecole fondamentali di interesse biologico.

Monosaccaridi

-

Sono i carboidrati più semplici, facilmente solubili in acqua. Sono generalmente

di sapore dolce (infatti sono anche detti zuccheri o glucidi), e possono essere

classificati in base a:

1. (CHO) (C=O), per cui vengono

Presenza di un gruppo aldeidico o chetonico

definiti come aldosi o chetosi

2. . Per

Numero di atomi di carbonio che costituiscono lo scheletro carbonioso

cui abbiamo i triosi, tetrosi, etc., e a seconda se è presente un gruppo

aldeidico o chetonico abbiamo, ad esempio, gli aldotriosi, gli aldotetrosi, i

cheto triosi, etc. ! LO SCHELETRO DELLA MOLECOLA PUO’ CONTENERE FINO AD

UN MAX. DI 9 ATOMI DI CARBONIO.

La numerazione viene effettuata in modo da assegnare al gruppo aldeidico o al

gruppo chetonico il numero più basso possibile. C’è poi la presenta di gruppi

alcolici primari (CH OH) e secondari (CHOH).

2

In caso di un atomo di carbonio asimmetrico, esso dà la possibilità di formare

una coppia di isomeri ottici (enantiomeri) in grado, cioè, di ruotare il piano della

luce polarizzata verso destra (+) o verso sinistra (-). Da un punto di vista spaziale,

la coppia di enantiomeri si differenzia in base alla posizione dell’ossidrile (OH) del

gruppo alcolico che, se è a destra, individua la D-(glucosio/fruttosio,..), se è a

sinistra individua la L-(glucosio/fruttosio,…)

Il legame glicosidico e i derivati dei monosaccaridi

I monosaccaridi possono formare i disaccaridi se si verifica l’unione di 2 unità di

monosaccaridi. Il legame che caratterizza i disaccaridi vede impegnato il carbonio

glicosidico che utilizza l’OH semiacetalico per formare un acetale (o glicoside), con

. È il caso ad

eliminazione di una molecola d’acqua, reagendo con un OH alcolico

esempio del maltosio e del lattosio che sono due disaccaridi.

Nel maltosio due molecole di D-glucosio formano un legame alpha-1 -> 4-

glicosidico; nel lattosio una molecola di D-galattosio lega con legame beta-1 -> 4-

glicosidico una molecola di glucosio.

diglicosidici,

Sono possibili anche legami nei quali sono impegnati entrambi gli

atomi di carbonio glicosidico, come ad esempio nel saccarosio.

** Se l’OH semiacetalico reagisce con un gruppo NH, si avrà il legame N-glicosidico,

che potrà essere alpha o beta a seconda della forma anomerica impegnata. È

questo il caso che vede coinvolto il beta-D-ribosio o il beta-2’D-desossiribosio nella

formazione del nucleotide, il monomero degli acidi nucleici (RNA e DNA). L’unione

dello zucchero e della base azotata formerà il nucleoside.

Il legame glicosidico caratterizza anche l’unione di un numero variabile di unità

.

zuccherine per la formazione di oligo- e polisaccaridi

Gli oligosaccaridi possono essere legati a proteine o lipidi formando glicoproteine

che, con varie funzioni, rivestono la superficie delle cellule.

o glicolipidi

Nei polisaccaridi (il numero di monosaccaridi che si legano deve essere superiore

a 100) il numero di residui zuccherini, e di conseguenza il peso molecolare, è

elevato. Tra i più importanti polisaccaridi troviamo amilosio e cellulosa. Essi sono

entrambi costituiti da monomeri rappresentativa D-glucosio, differiscono solo per

la conformazione alpha o beta del legame glicosidico.

Il polisaccaride di riserva, di origine animale, è il glicogeno caratterizzato da

molecole di glucosio unite da legami alpha-1 -> 4-glicosidico, che determinano

una struttura lineare dalla quale partono ramificazioni grazie alla possibilità di

formare legami alpha-1 -> 6-glicosidici.

LIPIDI

I lipidi sono solubili in solventi apolari e contengono una quantità di energia

. Hanno diverse funzioni:

chimica notevole

Lipidi di deposito, (Gli acidi grassi vengono conservati

funzione di riserva

 sotto forma di triacilgliceroli, o grassi (insolubili in H2O; accumulo nel

citoplasma sotto forma di goccioline di grasso). Quando necessario, sono

I grassi

demoliti ed utilizzati nelle reazioni per produzione di energia.

rappresentano una forma di accumulo di energia più efficiente rispetto ai

carboidrati, dando luogo a più del doppio di energia per unità di peso di

materiale demolito.)

Lipidi strutturali, che fanno parte per lo più delle .

membrane

 Attività di bioregolatori endocrini e/o attività locale all’interno di un

 determinato tessuto. convogliano segnali dai

Segnalazione cellulare come molecole messaggere

 recettori della superficie cellulare ai bersagli endocellulari regolando così una

vasta gamma di processi cellulari tra cui la proliferazione cellulare, il

movimento, la sopravvivenza ed il differenziamento.

acidi grassi

Gli sono i lipidi più semplici e concorrono alla formazione di gran

parte dei lipidi e sono costituiti da uno scheletro carbonioso relativamente lungo

che termina con un gruppo carbossilico (COOH). La lunghezza della catena

insolubili in acqua.

carboniosa rende tali composti praticamente L’esclusiva

presenza di legami semplici rende la catena carboniosa satura; quando un acido

grasso contiene almeno un doppio legame viene definito insaturo. Un acido grasso

.

caratterizzato da numerosi doppi legami viene detto poli-insaturo

classificazione dei lipidi

La prevedere la presenza di lipidi semplici e lipidi

complessi, questi ultimi risultano essere anfipatici (quando una molecola

contiene sia un gruppo idrofilico che idrofobico). glicerolo legato ad acidi grassi.

I gliceridi sono e sono costituiti da Il

lipidi semplici

glicerolo possiede 3 gruppi alcolici disponibili per formare un legame estere con

altrettanti acidi grassi. Se tutti e tre i gruppi alcolici del glicerolo sono esterificati,

avremo un e, se le catene idrocarburiche degli acidi grassi sono

trigliceride

sature, esso sarà solido a temperatura ambiente e viene classificato come grasso.

Se invece le catene sono poli-insature, esso sarà fluido e viene indicato come olio.

I possono essere sia fosfogliceridi che sfingolipidi.

lipidi complessi

fosfogliceridi, due gruppi alcolici del glicerolo sono esterificato con acidi grassi

Nei

mentre il terzo è esterificato con l’acido fosforico. Generalmente dei due acidi grassi

uno è saturo e l’altro è insaturo.

La natura antipatica dei lipidi complessi può essere rappresentata da una “testa”

polare e da una “coda” apolare, formata dalle catene idrocarburiche.

fosfolipidi

I sono i principali costituenti delle membrane cellulari e consistono di

due acidi grassi legati ad una testa polare. Questa proprietà dei fosfolipidi sta alla

base delle formazione delle membrane biologiche.

Gli hanno tutti una struttura comune. Il precursore degli steroidi, è il

steroidi costituenti delle membrane cellulari.

colesterolo, uno dei Dal colesterolo derivano

numerose sostanze che agiscono sia da bioregolatori endocrini che da

non

da 4 anelli idrocarburici e da

bioregolatori locali). Il colesterolo è costituito

catene idrocarburiche. Gli anelli idrocarburici sono fortemente idrofobici ma il

gruppo ossidrilico (OH) legato ad una estremità del colesterolo è debolmente

idrofilico cosicché anche il colesterolo è anfipatico.

PROTEINE

Le sono macromolecole che hanno come monomeri gli amminoacidi. Gli

proteine atomo di carbonio

amminoacidi sono 20 e ciascun amminoacido consiste di un

legato ad un gruppo carbossilico ad un gruppo amminico

(detto carbonio ) (COO-),

α

ad un atomo di H e ad una variabile catena laterale

(NH3+), (R).

Le proteine sono le molecole più presenti nelle cellule animali ed hanno

un’importanza biologica fondamentale, costituendo, nel loro insieme, la maggior

parte del materiale strutturale della cellula ed agiscono anche come macchine

operanti a livello molecolare (enzimi). Ci sono vari tipi di proteine quindi:

1. : catalizzatori .

Enzimi che accelerano la velocità delle reazioni chimiche

2. :

Proteine strutturali proteine del citoscheletro, collagene, elastina, cheratina.

3. :

Proteine canale inserite nella membrana citoplasmatica che consentono il

passaggio di molecole e ioni.

4. :

Proteine contrattili assicurano la motilità delle cellule e degli organismi.

5. :

Ormoni proteici e fattori di crescita insulina, VEGF (vascular endothelial

growth factor).

6. Proteine di trasporto: emoglobina del sangue.

7. :

Anticorpi principale sistema di difesa degli organismi.

8. :

Proteine di deposito di materia o di energia (es., albumina, caseina del latte) o

di particolari sostanze (la ferritina, deposito di ferro).

9. .

Tossine Sostanza presente in organismi viventi, o prodotta dalla loro attività

metabolica, che ha la proprietà di essere tossica per altri organismi

Gli amminoacidi sono fra loro da un , proprio per questo le

uniti legame peptidico

proteine sono anche dette poli-peptidi. Gli amminoacidi si combinano in milioni

di sequenze differenti. A seconda della sequenza con cui vengono combinati gli

a.a., le diverse proteine che ne risultano adempiono a specifiche funzioni. Una

proteina inoltre può essere formata da una sola o da diverse catene polipeptidi

che ed in questo caso le diverse sub unità sono legate fra loro. Gli amminoacidi si

dividono in essenziali e non essenziali

Essenziali Non essenziali

Istinia, Isoleucina, Leucina, Lisina, Alanina, Arginina *, Asparagina, Aspartato,

Metionina, Fenilalanina, Treonina, Cisteina, Glutammato, Glutammina,

Triptofano, Valina Glicina, Prolina, Serina, Tirosina

Gli a.a. essenziali devono essere introdotti con la dieta, gli a.a. non essenziali possono

essere sintetizzati dalle cellule umane.

* Sebbene l’arginina sia classificata come a.a. non essenziale, i bambini in crescita

devono assumere ulteriore arginina con la dieta.

Struttura chimica delle proteine

semplici, costituite esclusivamente da amminoacidi,

Le proteine possono essere

coniugate, contengono nella loro struttura molecole non proteiche (gruppi

oppure

prostetici), indispensabili per lo svolgimento dell’attività biologica.

Le proteine coniugate sono classificate in base alla natura chimica del gruppo

prostetico: Classe Natura chimica del gruppo prostetico

Glicoproteine Carboidrati

Liboproteine Lipidi

Nucleoproteine Acidi nucleici

Emoproteine Gruppo eme

Metalloproteine Ioni metallici

Fosfoproteine Acido fosforico

Flavoproteine Nucleotidi flavinici

Spesso è possibile separare il gruppo prostetico dalla porzione amminoacidica, le

proteine così ottenute vengono dette apoproteine. Il legame fra apoproteina e

gruppo prostetico si realizza dopo che la catena polipeptidica è stata sintetizzata;

la formazione della proteina coniugata avviene attraverso la formazione di

specifici legami di tipo covalente e questo fenomeno fa parte delle modificazioni

post-traduzionali delle proteine.

Amminoacidi e legame peptidico gruppo

Gli amminoacidi presentano una porzione invariante caratterizzata da un

carbossilico acido un gruppo amminico basico

(-COOH) ed (-NH ); I 2 gruppi

2

sono legati allo stesso atomo di carbonio in posizione alfa (detto carbonio alfa)

adiacente al gruppo carbossilico. Un atomo di idrogeno legato al carbonio alfa

completa la porzione invariante della molecola.

tra di loro

Gli amminoacidi differi