Biochimica ed elementi di nutrizione

24/09/20:

La teoria cellulare risale ai primi dell’800 dove Shleiden e Schawan per primi affermano che piante animali o

o composti da cellule. Vitrchow aggiungerà che le cellule sono prodotte da cellule preesistenti.

La storia dell’800 che si stacca dalle idee creazionistiche, ma fino a che non si arriva a Paster sarà un mondo

confuso. Nel 1828 c’è un chimico che prende un sale inorganico (un cianato) e nel tentativo di cristallizzare

questo sale lo riscalda e questo si trasforma nell’urea, una delle grandi molecole della chimica organica,

molecola tramite la quale i mammiferi espellono l’azoto.

Anche le molecole organiche non potevano essere sintetizzate in laboratorio ex novo.

Per la prima volta un chimico organico sintetizza a partire da un composto inorganico una molecola

organica e questo diventa uno dei grandi passi dell’abbattimento delle teorie creazionistiche. Il chimico dice

che senza l’intervento di un rene di un cane e intervento divino lui ottiene una molecola organica.

Gli organismi viventi si possono dividere in due classi, organismi unicellulari e pluricellulari, come i protozoi

che si trovano in una pozza d’acqua (parameci), e organismi pluricellulari, organismi dove queste cellule

hanno coordinamenti tra loro e andranno organizzazioni via via superiori, daranno vita a tessuti, i tessuti

agli organi e gli organi agli apparati, tutti gli apparati danno vita all’organismo vivente in questione.

Già nella secondà metà del 600 Robert Hooke guardando il sughero al microscopio si accorge che questo

materiale è tutto perforato e questa perforazione rappresenta l’alloggiamento delle cellule di quando il

tessuto era in vita e che alla morte della cellula resta il sughero organizzato lasciando gli spazi vuote.

Quando si parla di cellule ci ritroviamo in un mondo che ad occhio nudo non si vede, ma nel nostro

immaginario si concepiscono oggetti estremamente piccoli. Esistono cellule molto grandi che si vedono ad

occhio nudo, esempio uovo di rana. La risoluzione è la capacità di poter distinguere due punti come distinti,

la risoluzione dell’occhio umano è quando i due punti appaiono distinti alla nostra visione.

L’occhio umano ha una risoluzione intorno a 0,1 mm, sotto al decimo di millimetro perdo la risoluzione.

Nella scala di misura abbiamo il metro, il millimetro (millesima parte del metro), il micrometro (millesima

parte del millimetro), nanometro (millesima parte del micrometro). Nel mondo dei micrometri serve un

microscopio ottico, quando scendiamo sotto al micrometro abbiamo bisogno di un microscopio elettronico.

Esistono cellule come un uovo di gallina che si può vedere ad occhio nudo, poi cellule molto più piccole.

Il microscopio ottico riproduce un protozoo un paramecio, il microscopio elettronico a trasmissione (il

fascio di elettroni vede attraversare il preparato) riproduce un particolare risoluto della figura generale

della cellula intera, il microscopio elettronico a scansione (si guarda il preparato sulla superficie) ripropone

un’immagine non in trasparenza che attraversa il preparato, ma è un’immagine fatta sulla scansione della

superficie.

Il millesimo del millimetro ci permette di vedere ampiamente una cellula. Sono oggetti sulle decine dei

micrometri. La visione con un microscopio prevede che il preparato sia colorato, altrimenti non vediamo

niente, ma un qualcosa di trasparente, sono le colorazioni selettive che ci permettono di mettere in risalto

la cellula nella sua interezza e le sue strutture cellulari. Parlare del mondo della citologia e istologia significa

parlare del mondo di preparati colorati in modo selettivo per mettere in risalto le sue particolari strutture.

Il vacuolo di una cellula vegetale permette alla cellula e all’organismo generale di avere quella struttura

stando sempre in un ambiente acquoso. Una pianta vive il problema degli shock osmotici, l’acqua

entrerebbe sempre portando le cellule a scoppiare e la pianta risolve il problema attraverso la parete

cellulare. La pressione della parete cellulare compensa la pressione osmotica.

Il mondo del nanometro non è più rappresentativo di una cellula intera, ci sono le macromolecole,

molecole formate da tanti monomeri che si aggregano tra loro dando i grandi polimeri del DNA delle

proteine e che sono queste strutture formate da molecole più semplici come le membrane cellulare. Un

microtubulo per esempio è formato da palline ovvero proteine che hanno un ordine di 25 nm. Una

molecola di DNA ha dimensione di 2 nm, un microfilamento di 7 nm. Le molecole di DNA quando si

aggregheranno saranno visibili al microscopio ottico.

La via evolutiva ha premiato organismi pluricellulari dove le cellule sono andate a ridurre le proprie

dimensioni. Il vantaggio è che avere un organismo pluricellulare permette di avere un organismo dove le

cellule attraverso processi di differenziazione si possono specializzare. Le parti possono colloquiare tra di

loro. Se io prendo una cellula questa avrà un suo volume e una certa superficie, se questa cellula la vado a

dividere in 4, ottenendo da una cellula 8 cellule più piccole il volume in totale è rimasto uguale, ma se si

calcola la superficie come somma delle superfici di ogni cubetto ci accorgiamo che la superficie totale è

aumentata enormemente. Più queste cellule hanno dimensioni ridotte e maggiore è il rapporto superficie

volume spostato verso la superficie, comporta avere un grande rapporto superficie volume spostato a

favore della superficie che questi oggetti hanno una grande superficie per potersi confrontare e colloquiare

con il mondo esterno.

Questo rapporto non può essere spinto più di tanto verso la superficie perché la cellula al suo interno deve

avere una certa organizzazione e sotto certe dimensioni non può andare.

Caratteristiche della materia vivente:

Gli organismi si sviluppano e crescono, regolano i propri processi metabolici (omeostasi, un organismo

come un essere umano ha dei processi metabolici dove l’omeostasi controlla molecole molto importanti

come il glucosio nel sangue che ha valori ben precisi). Sono capaci di muoversi, possiedono organi di

movimento come ciglia e flagelli. Rispondono a stimoli, hanno quindi sensibilità verso il mondo esterno,

colloquia con il mezzo esterno ricevendo da esso input che lo portano a compiere delle azioni. Si producono

tramite riproduzione asessuata o sessuata, la mineralogia insegna che i cristalli si possono riprodurre,

possono accrescersi. Un organismo inorganico ha una riproduzione asessuata. Si adattano all’ambiente.

Dogma centrale della biologia:

È quello che c’è un flusso dell’informazione che va dalla molecola del DNA, molecola detentrice

dell’informazione dell’organismo vivente, che passa attraverso un intermedio ovvero l’RNA e sis traduce nel

mondo delle proteine. Il dogma dice che quindi il flusso dell’informazione ha questa direzione.

Ciò ci mette di fronte a una questione importante dove possiamo dire che un organismo vivente è fatto di

due battenti: il suo aspetto genotipico e fenotipico. Quello genotipico è l’aspetto che riguarda il mondo del

suo genoma, riguarda il mondo dell’informazione genetica, della potenzialità dell’organismo. I geni

rappresentano l’informazione genetica e la potenzialità della nostra cellula, perché questi geni possono

esprimersi oppure no, esprimersi vuol dire compiere quel percorso di cui parla il dogma centrale della

biologia, il mio gene costituito da DNA viene trascritto in un altro tipo di ac nucleico ovvero RNA e questo

viene tradotto in quella che è una proteina. Succede che si ha un passaggio durante questo flusso di

informazione da quello che è un linguaggio del mondo degli acidi nucleici rappresentato dal linguaggio dei 4

nucleotidi che costituiscono la molecola del DNA e questo linguaggio viene ricopiato e trascritto in un’altra

molecole e alla fine questo linguaggio dei nucleotidi viene tradotto in un linguaggio diverso, quello degli AA

che porta al mondo delle proteine.

Succede che questo flusso dell’informazione da idea dell’aspetto genomico che risiede nella molecola del

DNA rappresentata dai suoi geni. L’aspetto fenotipico è determinato da quel mondo di proteine che deriva

da quell’informazione fornita dal mondo degli acidi nucleici. Quando parlo di genoma è la potenzialità della

cellula, quando parlo di fenotipo parlo del mondo delle proteine che genera una morfologia della cellula,

perché la cellula è composta da proteine che portano a una morfologia di quel gene.

L’aspetto fenotipico a differenza dell’aspetto genomico non viene trasmesso alle cellule figlie.

Un organismo adattandosi all’ambiente può produrre cambiamenti fenotipici esprimibili a livello di

fenotipo.

Il dogma centrale della biologia va quindi dal DNA trascritto a RNA messaggero e questo viene tradotto in

proteine. C’è bisogno del passo della trascrizione perché una cellula è estremamente gelosa del proprio

patrimonio genomico e quindi non se lo gioca ad andare a metterlo nel mezzo in processi come quello della

tradizione. Allora preferisce asserbare questo patrimonio così importante in una struttura confinata e far si

che incontro al processo della traduzione non ci vada una molecola così pregiata, ma ci vadano molecole

che derivano da un processo di trascrizione.

Oggi si conoscono organismi come i retrovirus che come loro informazione genomica è portata da una

molecola di RNA che quando la inetta nella cellula ospite attraverso un processo di retrotrascrizione questo

viene retrotrascritto in DNA che darà vita all’RNA messaggero e alle proteine. Quindi non è detto che

l’informazione primaria sia portata dal DNA. Oggi si conoscono i prioni, strutture formate da proteine, che

replicano la propria conformazione, portando a un trasferimento di informazione non diretto, ma laterale

da proteina a proteina.

Quando parliamo del mondo di organismi viventi si divide in 3 domini: il dominio dell’archea dei bacteria e

eukarya.

Quello dell’eukarya viene suddiviso in ulteriori sottodomini dando via ai regni ecc.

I regni sono questi tre e si pensa che da un punto di vista evoluzionistico ci sia stato un antenato comune

che a un certo punto si è diviso su due strade, una ha portato al regno degli eubatteri e il regno degli

archeobatteri, degli animali dei funghi delle piante.

Quando in un organismo vivente ci si immagina come questo è inserito nel concetto di un flusso energetico

si capisce che alla base di ogni organismo vivente c’è un processo di nutrizione. L’organismo assume

alimenti e questi vengono usati allo scopo di essere assunto per la sintesi di materiale necessario per la

funzione del nostro organismo, ma gran parte degli alimenti servono anche a garantire il fenomeno della

respirazione cellulare che permette la formazione di energia indispensabile per poter espletare le sue

caratteristiche, i processi di omeostasi di accrescimento di sviluppo e di sintesi.

Gran parte dei composti minerali ha il carbonio al suo interno, l’idrogeno è rappresentato negli organismi

viventi, l’ossigeno nei composti minerali.

Il mondo dell’acqua caratterizza la vita. Nonostante la semplicità di questa molecola, ancora porta i chimici

a studiarla ed è una molecola dove ci sono ancora tanti misteri.

I suoi due legami covalenti sono due legami covalenti fortemente polarizzati perché l’ossigeno è molto

elettronegativo. Ha l’aspetto di un dipolo dove dalla parte dell’O abbiamo una parziale carica negativa, da

quella dei due H una parziale carica positiva. Ciò comporta che le molecole di acqua si possano legare tra

loro mediante interazioni elettrostatiche ovvero legami a idrogeni, sono molto più deboli del legame ionico,

ma nonostante abbiamo un valore minore rispetto a quello ionico nella loro totalità danno forze di

coesione molto forti. Una molecola di acqua ha un peso molecolare di 18, se io prendo 18g di acqua sto

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prendendo 6x10 moli di acqua (numero di avogadro) che parla di milioni di miliardi di molecole di acqua.

Anche se sono legami debole succede che sono talmente tanti che nella loro totalità danno vita a strutture

estremamente organizzate e con legami di tutto rispetto. Inoltre l’acqua ha la caratteristica di avere un’alta

costante dielettrica nel mezzo. Quando prendo un sale come NaCl, questo è un composto ionico fatto dai

due ioni che si aggregano tra loro dando vita al cristallo del sale, la forza di questa interazione è data dalla

legge di Coulomb che quando abbiamo due cariche q1 e q2 a una certa distanza r la forza di tensione

elettrostatica è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al

quadrato della distanza delle due cariche. È inversamente proporzionale alla costante del mezzo, se si butta

il sale nell’acqua il mezzo sono le molecole di acqua, siccome ha un’alta costante dielettrica , tanto più

grande è il valore di ε tanto minore è la forza che tiene insieme i due ioni. Per questo l’acqua è un ottimo

solvente per le sostanze polari. Lo ione Na+ che si separa da Cl- è una particella carica che si ritrova in un

ambiente formato da molecole di acqua che hanno la caratteristica di un dipolo elettrico, quindi questi

dipoli andranno ad orientarsi secondo le leggi dell’elettrostatica intorno allo ione Na+ che rivolgeranno

verso di lui la parte dell’ossigeno. Sfera di solvatazione fa si che il sistema acqua è come se lo ione Na+ non

lo vedesse più perché si muove nel sistema attraverso questa sfera che lo nasconde dalle molecole

dell’acqua e lo stesso vale per lo ione Cl-. Questo processo di solvatazione fa si che l’energia dello ione Na+

diminuisca e così che lo ione solvatato può stare bene in un sistema acquoso.

L’acqua è in grado di formare legami idrogeno con altre molecole che lo possono fare, come la molecola

dell’ammoniaca NH3, all’azoto rimane un doppietto libero che rappresenta una carica negativa che andrà a

instaurare un legame a idrogeno con la parte positiva dell’acqua. Affinchè si formi un legame a idrogeno

occorre che ci sia un atomo di H legato con un atomo molto più elettronegativo di lui, ma che questo

elemento non abbia raggio atomico troppo grande quindi elementi del secondo periodo.

Una molecola di acqua può legare a se altre 4 molecole di acqua.

Un’altra caratteristica dell’acqua è l’azione capillare. Se in un contenitore di acqua infilo dentro un capillare

(tubo di vetro con interno molto stretto) l’acqua sale su, più il tubo è stretto più l’acqua sale in alto. Ci sono

delle forze coesive tra acqua e superficie del capillare, l’acqua attratta dalla superficie si attacca e la forza di

coesione fa si che tiri a se le altre molecole di acqua.

Un’altra caratteristica è la sua tensione superficiale, legata al fatto di poter fare legami a idrogeno.

L’acqua si presenta nei suoi 3 stati fisici di aggregazione, nello stato gassoso le molecole non hanno

interazione tra loro, nello stato liquido i legami continuamente rompono e riformano legami a idrogeno,

nell’aspetto solido l’acqua assume aspetto cristallino con ogni molecola che lega a se altre molecole di

acqua con una struttura tetraedrica e questa rigidità nella struttura fa si che la densità sia minore e quindi

quando si trova in questo stato aumenta il suo volume.

Un’altra caratteristica è legata al suo prodotto ionico, caratteristica per cui la concentrazione di ioni H+ e

OH- all’interno di una soluzione acquosa sono due concentrazioni strettamente dipendenti l’una dall’altra e

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il prodotto ionico dell’acqua deve valere 10 . Nasce cosi una scala di acidità che a diminuire gli ioni H+

diminuiscono ioni OH- e si definiscono così l’acidità o la basicità delle sostante.

Quando parliamo di una cellula si parla di un sistema fisico ben definito con un suo volume proprio e

affinchè lo sia deve essere un sistema confinato dove ci sia un elemento confinatorio che determini il

volume interno all’interno di questo organismo che è la cellula, l’elemento confinatorio è la membrana

cellulare.

Quando parliamo del mondo della chimica biologica facciamo riferimento a 4 famiglie di molecole, ovvero

carboidrati lipidi proteine e ac nucleici. Sono macromolecole, polimeri.

I carboidrati hanno unità monomeriche i monosaccaridi (glucosio) e all’interno dei carboidrati la sequenza

non è importante. È un mondo ancora poco conosciuto per la sua complessità.

Il mondo dei lipidi è complesso, possono essere semplici o complessi, entrano in gioco tante molecole

importanti ma tra queste le più importanti sono le unità degli ac grassi che con legame esterico da vita ai

trigliceridi e fosfolipidi. Non è importante la sequenza

Le proteine hanno come unità monomerica gli AA legati con legame peptidico e sono di 20 tipi diversi. Gli

AA non giocano solo un ruolo come costituenti dei polimeri, ma hanno molte altre funzioni, sono precursori

di molecole importanti. È importante la sequenza.

Gli acidi nucleici sono costituiti da nucleotidi tenuti insieme da legami fosfodiesterico e sono di 4 tipi

diversi, hanno 4 basi azotate. Sono importanti le sequenze.

Gli acidi grassi:

Sono ac carbossilici caratterizzati dalla presenza del gruppo carbossilico, ma a lunga catena. Dai 6 atomi di C

gli ac carbossilici vengono riconosciuti come ac grassi.

Già un ac carbossilico a 2 atomi di carbonio prendendo parte alla formazione degli ac grassi può essere già

visto come ac grasso.

Si dividono nella classe dei saturi e insaturi.

La presenza del doppio legame fa si che la coda dell’ac grasso subisca una sorta di piegatura. Dal punto di

vista fisico i sautri a temperatura ambiente sono solidi di natura animale, mentre quelli insaturi sono del

mondo vegetali e vengono detti oli perché sono liquidi.

Sono