Biologia

Introduzione alla biologia e le molecole della vita

La biologia (deriva dal greco: bios = vita e logos = parola) è la scienza che studia gli organismi viventi e l'interazione che questi organismi hanno con l'ambiente esterno. Tutte queste interazioni sono regolate da leggi chimico-fisiche e da istruzioni contenute nel patrimonio genetico DNA. Solo con lo sviluppo delle tecnologie moderne e con la formulazione della teoria cellulare si sono poste le premesse per lo sviluppo della biologia moderna.

Caratteristiche fondamentali della materia vivente

• Complessità specificamente definita (legata al fatto che c'è biodiversità). La biodiversità è caratteristica di tutti gli organismi: unicellulari (anche batteri, protisti, protozoi) e pluricellulari (semplici o complessi). Quello che contraddistingue la materia vivente da quella inorganica è che questa è specificata in modo preciso e si ripete. Perché è importante? Se non ci fossero individui diversi, una volta che ci sono cambiamenti climatici ecc., può essere che tutti gli individui identici scomparirebbero. La biodiversità sta nel genoma e nelle piccole differenze fra individui: contiene informazioni per far si che l'individuo si sviluppi nel modo corretto, anche molto complesso. Queste informazioni sono necessarie e sono contenute in ciascun organismo. Nessuno di noi è identico ad un altro.
• Capacità di accrescimento gli organismi crescono e si sviluppano (che è la vera differenza tra l'accrescimento di un cristallo di ghiaccio e di un individuo). Anche se a un certo punto non è più considerato utile: se, ad esempio, la membrana cresce al quadrato la cellula cresce al cubo e quindi non si ha abbastanza superficie per poter scambiare. Gli organismi complessi pluricellulari derivano dalle cellule uovo, crescono e poi si differenziano. Per differenziarsi e crescere devono nutrirsi: grazie alle reazioni biochimiche all'interno della cellula (organismi viventi: accrescono e si sviluppano grazie al fatto che introducono alimenti che portano energia utile per le reazioni Ma non grazie al calore, grazie a degli enzimi che abbassano la temperatura di reazione).
• Capacità di riprodursi:
  • Riproduzione asessuata (scissione binaria, mitosi) la madre duplica il proprio DNA che poi grazie ad alcuni meccanismi che permettono la divisione del DNA, si dividono anche i due poli della cellula per andare a generare due cellule figlie identiche (a meno che avvenga qualche reazione).
  • Riproduzione sessuata/meiosi il patrimonio genetico della progenie deve essere generato dalla fusione del patrimonio genetico dei due genitori. Saranno completamente diversi dai loro genitori (unici individui identici sono i gemelli omozigoti). È molto importante per aumentare la biodiversità (visto con il COVID-19): l'ambiente seleziona i più adatti per sopravvivere (persone infettate/asintomatiche, con sintomi lievi, sintomi gravi guariti, sintomi gravi e morte nonostante i dispositivi medici = grazie alla biodiversità ci sono sopravvissuti). Quando questo tipo di riproduzione si è espanso è stato un passaggio molto importante, perché crea molta biodiversità. Grazie a dei meccanismi il genoma comunque non aumenta, noi diamo una cellula uovo aploide che poi si unisce e torna diploide nei figli.
• Adattamento all'ambiente c'era la necessità di un meccanismo di adattamento compatibile con la conservazione e la trasmissione dell'informazione genetica. Si sono studiati meccanismi evolutivi. Dal 1800 si sono create due teorie:
  • Lamark: l'ambiente induce modifiche che vengono trasmesse alla progenie (esempio giraffa che per prender le foglie si allungava e quindi ha mantenuto questo aspetto). Teoria non probabile perché queste non vengono ereditate (esempio se un genitore è muscoloso, il figlio non sarà muscoloso).
  • Darwin: accadono modifiche casuali nel DNA (mutazioni) vantaggiose che vengono selezionate e trasmesse.

Organizzazione biologica

L'organizzazione biologica è gerarchica: atomo → molecola → macromolecola → cellula → tessuto → organi → sistema/apparecchi → organismo → popolazione → comunità → ecosistema → ecosfera.

La cellula

L'unità fondamentale della materia vivente è la cellula, che è la più piccola unità capace di vita indipendente. Robert Hooke nel 1665 conia il termine cellula guardando delle fettine di sughero. Schleiden (botanico) e Schwann (zoologo), enunciano per la prima volta la teoria cellulare alla fine del 1800: tutti gli organismi viventi, unicellulari e pluricellulari, sono costituiti da cellule. Cinquanta anni dopo si dimostra che le cellule possono derivare soltanto da altre cellule grazie a Virchov nel 1858 (patologo).

Composizione della cellula

Il batterio è un procariote (il DNA è sparso nel citoplasma, non ha un nucleo definito) ed è composta dal 70% di acqua e dal 30% di macromolecole (polisaccaridi, proteine, RNA, DNA), da fosfolipidi, ioni e piccole molecole. Gli ioni sono pochi ma molto importanti: quando ci disidratiamo perdiamo dei sali che sono costituiti da ioni; fanno anche funzionare gli enzimi.

• Na⁺, K⁺ (per l'impulso elettrico, il primo organo a risentirne è il cuore e anche i muscoli), Ca⁺⁺, Mg⁺⁺

Il 20-30% è costituito da composti organici con Carbonio: piccoli o grandi.

La cellula eucariote invece è costituita da un nucleo e da una doppia membrana:

• Interno: citoplasma/citosol = gel che è formato da acqua (noi siamo formati al 70% di acqua). Nel citoplasma troviamo gli organuli: mitocondri, lisosomi, perossisomi ecc.

Caratteristiche dell'acqua

L'acqua è il solo composto che esiste allo stato liquido in quantità elevatissime nel nostro pianeta:

• La vita ha avuto origine nell'acqua e l'acqua è essenziale per la vita. La terra è il pianeta dell'acqua.
• La materia vivente ha evoluto numerosi meccanismi che sfruttano a proprio vantaggio le caratteristiche dell'acqua (esempio: la sudorazione si porta fuori il calore, ma anche sali minerali, che vanno reintrodotti con l'acqua).
• L'acqua è indispensabile a tutti gli organismi viventi che si devono rifornire sempre.
• L'acqua forma il 70-90% di un peso corporeo: la materia vivente deve essere considerata come una soluzione acquosa.

È formata da due molecole di idrogeno e una di ossigeno ed ha caratteristiche ben precise:

• Polarità: Atomo di ossigeno è più elettronegativo rispetto a quello dell'idrogeno e tende ad attrarre gli elettroni verso di sé, spostando la nuvola elettronica verso di se e rendendolo parzialmente negativo gli atomi di idrogeno avranno una valenza positiva (è questo che determina la forma della molecola di acqua).
• Coesione: Molto forte attraverso i legami ad idrogeno: vuole dire che ad esempio alcuni insetti si appoggiano sull'acqua e galleggiano sulla superficie.
• Adesione: È dovuta a legami a idrogeno tra l'acqua e altre sostanze polari.
• Capillarità: Coesione e adesione dell'acqua spiegano la capillarità: è capace di salire in capillari molto stretti contro la forza di gravità, come nel caso delle piante.
• Alto calore specifico (sudorazione): Quantità di calore che un grammo di una sostanza deve assorbire per aumentare la sua temperatura di un grado (H₂O a 15°C ha un calore specifico di 1 cal/(g x °C) mentre l'alcol è 0.581 cal/(g x °C) = quando evapora è efficiente nel portare via calore.
• Alto calore di evaporazione
• Tendenza a dissociarsi (quando evapora): Questo da luogo a ioni idrogeno (protoni, H⁺) e ioni idrossido (OH^-). Se mettiamo del sale il sale rimarrà a fondo mentre l'acqua evaporerà.

Le tre forme dell’acqua

Differiscono per il grado di formazione dei legami ad idrogeno:

• Vapore acqueo
• Acqua liquida
• Ghiaccio (che è più leggero dell'acqua liquida perché ha una densità minore del 10%; questo perché le molecole si devono disporre in modo ordinato per formare i cristalli di ghiaccio la distanza molecolare è più ampia rispetto a quando l'acqua è allo stato liquido)

Comportamento delle sostanze a contatto con l’H₂O

• Idrofile/polari (attorno agli ioni le molecole di H₂O si orientano in modo che gli ossigeni negativi vadano a contatto con il sodio positivo esempio del sale) (quando non si scioglie più sale la soluzione si definisce satura perché non ci sono più molecole di acqua per circondare i composti idrofili)
  • Composti ionici (sali, viene idrolizzato)
  • Composti polari (carboidrati, zuccheri, aminoacidi, proteine, nucleotidi)
• Idrofobiche (non si verifica uno sbilanciamento nella distribuzione degli elettroni)
  • Composti apolari (non hanno delle cariche parziali: olio)
• Composti anfipatici si comportano sia da idrofili che da idrofobici (esempio: acidi grassi)

La composizione della materia vivente e la sua organizzazione biologico-strutturale

Il principale costituente della materia è l'acqua, 70-80% in peso; gli ioni sono solo l'1%, comunque molto importanti per il funzionamento di alcuni enzimi del corpo umano. Un esempio di ione molto importante è il:

• Potassio, importante per i muscoli e soprattutto il cuore. Sudando ed evaporando espelliamo acqua e sali che dobbiamo reintegrare con gli integratori.

Il 20-30% della materia è costituito da composti organici, formati dal carbonio. Il carbonio è alla base delle macromolecole e delle micromolecole:

• Di piccole dimensioni:
  • Carboidrati
  • Lipidi
  • Aminoacidi (unità di base delle proteine)
  • Nucleotidi
• Di grosse dimensioni:
  • Acidi nucleici (DNA, RNA)
  • Proteine (costituite da aminoacidi)

Le 4 classi principali di molecole organiche

I lipidi

Caratteristiche chimiche

I lipidi sono una classe estremamente eterogenea di composti organici, tutti caratterizzati dall'essere insolubili in acqua e solubili solo in solventi apolari. Costituiscono i grassi presenti nel nostro organismo.

Funzioni dei lipidi

• Riserva energetica: lipidi di deposito.
• Componenti principali delle membrane: lipidi strutturali. Funzione fondamentale: ha permesso la vita e la sua evoluzione delimitando quello che poi si sono definite "cellule" (separando l'esterno dall'interno).
• Messaggeri chimici:
  • Sia all'interno della cellula: secondi messaggeri.
  • Tra cellule diverse: ormoni.
• Steroidei: colesterolo (molto importante) ed ormoni sessuali.
• Isolano dal freddo: il grasso aiuta a mantenere la temperatura del corpo.
• Vitamine A D E K: Se si assumono quantità eccessive di queste vitamine queste possono anche avere effetti avversi si va ad affaticare il fegato (organo deputato alla detossicazione dell'organismo).

Caratteristiche generali

• Le loro molecole presentano tutti gruppi apolari.
• Tendono ad associarsi tra di loro e a formare barriere, come nelle membrane cellulari.
• Costituiscono insieme ai carboidrati la principale fonte di energia. Facilmente idrolizzabili alla prima richiesta di energia si utilizzano carboidrati, una volta esauriti il nostro corpo andrà a pescare i grassi.
• Chimicamente sono composti formati da acidi grassi, legati sotto forma di esteri o di ammidi al resto della molecola.

Acidi grassi

Sono acidi monocarbossilici a catena lunga, non ramificata (tendono a creare numerosi legami = solidità) e a numeri pari di atomi di carbonio (satura, senza doppi legami, o insatura, con doppi legami). Se sono presenti legami insaturi tenderanno ad avere una forma ripiegata per la loro struttura cis per questo non riusciranno a disporsi parallelamente e creeranno molti meno legami = la maggior parte di quelli insaturi sono liquidi. Più hanno una catena lunga e più sono insolubili: sono in grado di trasmettere questa caratteristica ai composti di cui fanno parte.

Classificazione dei lipidi

• Lipidi semplici (lipidi neutri) trigliceridi: Completamente apolari. Combinazione di due molecole: acidi grassi + glicerolo.
• Lipidi complessi (lipidi polari) fosfogliceridi: Sono molecole anfipatiche. Sono i principali lipidi delle membrane biologiche.
• Steroidi: colesterolo
  • Componenti della membrana plasmatica per mantenerla fluida.
  • Ormoni negli animali:
    • Sessuali: maschili e femminili.
    • Della corteccia surrenale: regolano la crescita e l'attività cellulare.

I lipidi semplici (lipidi neutri)

Sono composti apolari, i gliceridi, costituiti da glicerolo (3C), ciascuno dei quali presenta un gruppo alcolico, combinato ad una o più molecole di acidi grassi.

• Monogliceridi: se il gruppo alcolico (glicerolo) è esterificato da un acido grasso.
• Digliceridi: quando due gruppi alcolici (glicerolo) sono esterificati.
• Trigliceridi: quando tutti e tre i gruppi alcolici (glicerolo) sono esterificati da altrettanti acidi grassi.

Sono i lipidi più abbondanti negli esseri viventi: hanno funzione di riserva energetica (lipidi di deposito) per tutte le cellule e sono quelli che comunemente vengono chiamati grassi (costituiscono gli adipociti, le cellule del tessuto adiposo).

I lipidi semplici si formano grazie alla reazione di condensazione: Un atomo di H del glicerolo si lega al gruppo OH dell'acido grasso, liberando una molecola di acqua.

I trigliceridi

Possono essere composti da:

• Acidi grassi saturi: tutte le molecole di C sono sature e non possono più formare ulteriori legami con altre molecole; hanno una struttura lineare. Sono tipici dei grassi animali:
  • Fattore di rischio per le malattie cardiovascolari.
  • Difficili da metabolizzare.
  • Non più del 10% nella dieta.
• Acidi grassi insaturi: hanno una forma ripiegata e sul ripiegamento sono unite due molecole di C a doppio legame che potrebbero formare nuovi legami con altre molecole (necessaria per far sì che la membrana sia fluida). Tipici dei grassi vegetali
  • Hanno un effetto protettivo quelli monoinsaturi e polinsaturi (acido oleico dell'olio di oliva e omega 3/6 in base a dove è il doppio legame del carbonio).

I lipidi complessi (lipidi polari)

I fosfolipidi sono molecole anfipatiche, molto importanti per andare a disporsi parallelamente per formare la membrana cellulare. Presentano due parti:

• Una testa idrofila costituita dal gruppo fosfato, dal gruppo polare e dal glicerolo.
• Due code idrofobiche costituite da acidi grassi.

Questo sistema è molto efficace, grazie alla presenza di una parte idrofobica e di una parte idrofilica che va ad isolare tutte le cellule = queste possono comunque comunicare con l'esterno e scambiare sostanze nutritive. Se li prendiamo e li mettiamo in acqua le molecole si orientano mettendo a contatto le parti più affini. Possono anche formare le micelle o i liposomi. Sono costituiti da un gruppo polare, una molecola di glicerolo e due acidi grassi. Il gruppo polare può variare:

• Colina: fosfatidil - colina
• Etanolamina: fosfatidil - etanolamina
• Serina: fosfatidil – serina
• Inositolo: fosfatidil – inositolo

Gli steroidi

Sono composti caratterizzati dalla presenza di uno scheletro carbonioso ciclico ad anelli condensati, al quale sono legate varie catene laterali e diversi gruppi funzionali. Quelli più importanti sono:

• Colesterolo: costituente delle membrane cellulari, prodotto di partenza per la sintesi degli ormoni steroidei. Ha una piccola fascia idrofilica polarizzata, il resto è idrofobico. Molecola anfipatica. Importante costituente delle membrane (si inserisce nella porzione apolare del doppio strato interferendo nell'impaccamento delle code dei liquidi aumenta la fluidità). Si trova anche nel plasma complessato con proteine di trasporto (altrimenti sarebbe insolubile). Precursore degli ormoni steroidei (che comprendono gli ormoni sessuali maschili e femminili).
• Acidi biliari
• Ormoni sessuali:
  • Cortisolo: ormone secreto dalle ghiandole surrenali.
  • Testosterone: ormone sessuale maschile.
• Vitamine:
  • D₂ prodotta nella cute per azioni dei raggi UV su un derivato del colesterolo.

I carboidrati

I carboidrati sono fortemente polari e solubili in composti polari come l'acqua.

Funzioni dei carboidrati

• Fonte di energia per la cellula: carburante cellulare.