Biologia Applicata - 1° Anno Scienze Motorie

1° anno scienze motorie - Biologia applicata

Testo: Elementi di biologia (quinta edizione)

Capitolo 1: Atomi e molecole: la base chimica della vita

Gli elementi sono le sostanze che non possono essere scisse in sostanze più semplici e hanno un proprio simbolo chimico (ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto i principali). L’atomo è la parte più piccola di un elemento. Ogni atomo contiene protoni (positivi), elettroni (negativi, sono sull’orbita) e neutroni (senza carica, stesso numero di elettroni e protoni).

Protoni e neutroni costituiscono il nucleo atomico. Nel nucleo atomico c’è un numero fisso di protoni detto numero atomico (in basso a sinistra) che identifica l’atomo e definisce l’elemento. Il numero di massa o massa atomica (in alto a sinistra) invece è dato dalla somma di neutroni e protoni (gli elettroni hanno massa nulla), si esprime in dalton. La somma delle masse atomiche degli atomi che compongono una molecola forma la massa molecolare.

Gli elementi che variano i loro neutroni sono detti isotopi. Isotopi dello stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni, differiscono solo nei neutroni. Alcuni isotopi sono instabili e decadono emettendo radiazioni, questi sono detti radioisotopi (questi isotopi sono usati in medicina per gli esami a contrasto).

Gli elettroni si muovono sugli orbitali. Ogni orbitale contiene al massimo due elettroni. L’energia di un elettrone dipende dall’orbitale che occupa (più vicini al nucleo = meno energia). Elettroni su orbitali con energie simili formano il livello energetico principale formando il guscio elettronico. Gli elettroni con maggior energia si trovano sull’orbita più esterna (guscio di valenza) e sono detti elettroni di valenza. Un elettrone assorbendo energia si sposta su un orbitale più esterno, perdendola si avvicina al nucleo. Quando il guscio di valenza non è completo l’atomo può acquisire o rilasciare elettroni per completarlo. Questa proprietà rende i materiali molto o poco reattivi. I gas nobili non sono reattivi in quanto il loro guscio è completo.

La densità di carica è la concentrazione di elettroni o protoni in una determinata zona. Gli elettroni non si staccano. Tra le varie zone di densità di carica si instaurano legami di van der Waals o legami a idrogeno. È una cosa temporanea.

Un composto chimico consiste in due o più elementi differenti combinati in un rapporto fisso (es: acqua = idrogeno + ossigeno). Quando si combinano chimicamente si formano le molecole. Per definire la composizione chimica di una sostanza si usa la formula chimica (semplice, molecolare o di struttura).

La mole è la quantità di composto la cui massa in grammi è equivalente alla sua massa atomica o molecolare (es: 1 mole di acqua = 18 grammi). Una mole di ciascuna sostanza contiene sempre esattamente lo stesso numero di unità, questo numero è detto numero di Avogadro.

In una reazione chimica ci sono reagenti e prodotti della reazione. Le reazioni possono essere anche bilaterali fino al raggiungimento dell’equilibrio dinamico che ferma la reazione, o possono essere reazioni reversibili.

Gli atomi di una molecola sono tenuti insieme da dei legami chimici. La rottura di un legame chimico libera energia. Un legame si rompe con l’energia di legame. I principali legami chimici forti sono il legame covalente e il legame ionico.

Il legame covalente (bassa differenza di elettronegatività) prevede la condivisione degli elettroni tra gli atomi in modo che entrambi abbiano il guscio di valenza completo (legame per completare l’orbita). Se con questo legame sono uniti due atomi di sostanze diverse si parla di composto covalente. Se il legame prevede la condivisione di due elettroni tra due atomi si ha un legame covalente semplice (si rappresenta con una linea tra i due simboli, es: H ---- H). Se si condividono due coppie di elettroni si ha un doppio legame covalente (si rappresenta con due linee continue, es: O == O). Se si condividono tre coppie di elettroni si ha un triplo legame covalente (tre linee). Questo legame può essere simmetrico (elettroni condivisi al centro), o asimmetrico (polare, elettroni non al centro ma verso uno dei due atomi).

L’elettronegatività è la misura dell’attrazione di un atomo per gli elettroni all’interno dei legami chimici. Se gli atomi di una molecola hanno elettronegatività uguale, il legame covalente sarà apolare. Se è diversa sarà polare e tale legame presenterà due poli, uno negativo e uno positivo. Una molecola con uno o più legami polari è definita molecola polare con due poli di carica opposta, anche se nel complesso è elettricamente neutra.

Quando un atomo accetta o perde un elettrone diventa uno ione. Se perde un elettrone diventa positivo ed è detto catione, se lo acquista diventa negativo ed è detto anione.

Un legame ionico (alta differenza di elettronegatività) si viene a formare come conseguenza dell’attrazione tra carica positiva di un catione e quella negativa di un anione. Un composto ionico è una sostanza costituita da cationi e anioni legati mediante le loro cariche con segno opposto. In acqua questi composti tendono a dissociarsi in quanto l’acqua è un solvente, la sostanza sciolta diventa un soluto, questo processo è detto idratazione. Si verifica lo strappo dall’elettrone dall’orbitale che crea ioni. Si crea un reticolo causa la reciproca attrazione. Esempio: il sale da cucina.

Il legame a idrogeno è un legame debole. Si forma tra un atomo di idrogeno con carica parziale positiva e un altro atomo con carica parziale negativa. Si rompono rapidamente. Si formano tra zone di densità di carica. Molecole diverse si attraggono mediante le zone con poli opposti.

Le forze di van der Waals sono generate da molecole apolari. Si trovano anche nel citoplasma. Sono molto deboli se singole.

Il trasferimento di un elettrone e la sua energia da una sostanza all’altra fa parte del processo di ossido-riduzione (reazione redox). Se la sostanza perde un elettrone si parla di ossidazione, se lo acquista si parla di riduzione. L’ossidante (ridotto) accetta elettroni, l’ossidato (riducente) li perde.

La maggior parte degli organismi è costituita da acqua. L’acqua è un solvente e tra le sue molecole c’è un legame covalente polare. In essa ci sono legami a idrogeno. Le molecole d’acqua sono molto coesive (molto vicine tra loro) e adesive (si attaccano facilmente ad altre sostanze). Ha un’azione capillare, cioè la tendenza a risalire in spazi stretti contro la gravità. Ha una grande capacità termica, trattiene il calore immagazzinato e lo rilascia piano piano (spiegazione del clima mite nelle zone di mare), abbassa la temperatura di un corpo (sudore per esempio), grazie alla coesività delle sue molecole, quando ghiaccia diventa un ottimo isolante per la parte sottostante. Interagisce con le sostanze idrofile che si sciolgono in essa e sono polari (es: gli ioni che sono ovviamente polari perché carichi o negativamente o positivamente, o le molecole con densità di carica), non quelle idrofobe che sono apolari. L’acqua possiede un grande calore specifico. Le molecole d’acqua hanno bassa tendenza a ionizzarsi cioè dissociarsi in ioni.

L’aumento di temperatura di una sostanza comporta un aumento di energia termica che aumenta l’energia cinetica. Il calore è la quantità totale di energia cinetica in una quantità campione di sostanza, la temperatura è una misura dell’energia cinetica media delle particelle. Il calore di evaporazione è la quantità di energia termica necessaria per far passare da liquido a gassoso 1 grammo di sostanza, la caloria è la quantità di energia termica per innalzare di 1°C 1 grammo d’acqua.

Capitolo 2: I composti organici

I composti organici sono quei gruppi composti da atomi di carbonio uniti da legami covalenti. Ne esistono più di 5 milioni. Sono formati da macromolecole a loro volta formate da sub-unità più semplici.

Un atomo di carbonio ha 4 elettroni di valenza e può formare quindi 4 legami covalenti. Gli idrocarburi sono formati esclusivamente da carbonio e idrogeno e sono i composti più semplici del carbonio, i loro legami covalenti sono apolari quindi non hanno regioni cariche. Gli idrocarburi sono insolubili in acqua e si raggruppano mediante interazioni idrofobiche. Il carbonio forma scheletri carboniosi con altri atomi di carbonio, può presentare doppi legami. I composti che hanno stessa formula molecolare ma struttura differente (di conseguenza anche proprietà in quanto la forma è strettamente collegata alla funzione di una molecola) sono detti isomeri (strutturali [differenziano per disposizione covalente dei loro atomi], geometrici [differiscono per quanto riguarda il modo in cui sono disposti spazialmente i loro gruppi, hanno doppio legame C-C] ed enantiomeri [sono due molecole speculari tra loro]).

Le caratteristiche di una molecola variano quando uno o più atomi di idrogeno legati allo scheletro carbonioso di un idrocarburo sono sostituiti da gruppi di atomi detti gruppi funzionali. Questi determinano a quali reazioni chimiche possono partecipare i composti. I gruppi funzionali sono:

• Ossidrile – OH (nel DNA, alcoli)
• Carbonile – COH (chetoni e aldeidi)
• Carbossile – COOH (nelle proteine [amminoacidi])
• Amminico – NH2 (nelle proteine [amminoacidi])
• Fosfato – PO4 (nel DNA e RNA)
• Sulfidrico – SH

Le macromolecole organiche sono:

• Lipidi
• Glucidi (zuccheri o carboidrati)
• Proteine
• Acidi nucleici (DNA e RNA)

Queste macromolecole sono tutte costituite da polimeri (insieme di monomeri che sarebbe l’unità base, es: nel DNA il monomero è il nucleotide, nelle proteine è l’amminoacido). I polimeri si degradano a monomeri mediate reazioni di idrolisi (es: nella digestione). I monomeri si legano covalentemente con il processo di condensazione.

I carboidrati (o glucidi o zuccheri che dir si voglia), possono essere monosaccaridi, disaccaridi, o polisaccaridi a seconda che contengano 1-2-3+ unità di zuccheri al loro interno.

I monosaccaridi contengono da 3 a 7 (quasi sempre 5 o 6) (struttura ad anello) atomi di carbonio contenenti ciascuno un gruppo ossidrilico tranne uno che forma con un doppio legame un gruppo carbonilico che in base alla sua posizione definisce un’aldeide o un chetone. Ne fanno parte il ribosio e il desossiribosio che sono zuccheri con 5 atomi di carbonio (pentosi). Il glucosio (zucchero esoso = 6 atomi di carbonio) è il monosaccaride più abbondante è più utilizzato come fonte di energia.

La differenza tra ribosio (in figura a destra) e desossiribosio (a sinistra) è che al C2 manca una molecola di ossigeno (desossiribosio), nel ribosio c’è il gruppo ossidrile OH al C2. Gli atomi di carbonio si contano in senso orario e in questi due il C5 è sopra il piano.

Un disaccaride è formato da due monosaccaridi ad anello legati da un legame glicosidico che si forma tra C1 e C4 delle rispettive molecole.

I carboidrati più abbondanti sono i polisaccaridi (es: amido, glicogeno, cellulosa…). Sono formati da ripetute unità di uno zucchero semplice (quasi sempre glucosio). Hanno funzione di riserva energetica o strutturale. Poco o molto ramificati.

I carboidrati possono unirsi con le proteine e creare le glicoproteine, o combinarsi con i lipidi e creare glicolipidi.

I lipidi sono insolubili in acqua (quindi apolari) e affini con solventi apolari organici. Sono essenzialmente costituiti da idrogeno e carbonio. Si dividono in:

• Trigliceridi (deposito, grassi)
• Steroidi (ormoni, messaggeri chimici) [Più importante il colesterolo – steroli cioè quando uno steroide è legato a un gruppo funzionale ossidrile]
• Fosfolipidi (base membrana biologica) [Più importanti]
• Carotenoidi (fotopigmenti e antiossidanti) [Non importanti]

I trigliceridi sono formati principalmente da grassi e oli che costituiscono una riserva di energia per il corpo, si accumulano in tessuti specifici e sono isolanti. Sono una grande fonte di energia, infatti un grammo fornisce il doppio di un grammo di zucchero o proteine. Formati da glicerolo (ha tre atomi di carbonio) + 3 molecole di acidi grassi. Gli acidi grassi (gruppo COOH) possono essere saturi o insaturi (senza o con doppio legame). A temperatura ambiente quelli saturi sono ordinati e solidi, gli insaturi sono disordinati molecolarmente e sono liquidi. I saturi presentano deboli forze di van der Waals. Gli insaturi presentano uno o più doppi legami (mono o poli insaturi).

I fosfolipidi sono simili ai trigliceridi solo che una catena degli acidi grassi è sostituita da un gruppo fosforico negativo. Presentano un’estremità idrofila e un’altra idrofoba, per questo sono lipidi anfipatici. Le teste idrofile vanno verso l’acqua, le code idrofobe verso l’interno una contro l’altra. (Teste all’estremità, code all’interno opposte l’una all’altra). Sono l’unità costituente base delle membrane biologiche (doppio strato di fosfolipidi) con legati sopra gli enzimi. La coda contiene l’acido grasso, la testa è polare ed è costituita da glicerolo, fosfato e base organica. In genere un fosfolipide è formato da una molecola di glicerolo attaccata da un lato a due acidi grassi e dall’altro un gruppo fosfato.

Gli steroidi sono prodotti da ghiandole endocrine, hanno una struttura ad anelli fusi tra loro. Sono vari tipi di ormoni tra i quali ricordiamo il colesterolo che diluisce o irrigidisce le membrane cellulari a seconda della temperatura corporea. Il colesterolo infatti compatta gli acidi grassi connettendo tra loro le code dei fosfolipidi.

Le proteine sono polimeri composti da 20 tipi di amminoacidi legati da un legame peptidico, sono i componenti più versatili, fanno funzioni fondamentali: catalizzano le reazioni chimiche pur non prendendone parte attivamente (enzimi), trasportano molecole nel sangue (emoglobina), regolano l’ingresso e l’uscita nella cellula, attaccano virus e batteri (anticorpi), regolando lo sviluppo traducendo stimoli, possono essere ormoni e neurotrasmettitori, hanno una funzione strutturale (citoscheletro), creano flagelli facendo muovere le cellule, hanno anche una funzione di riserva di energia. Sono contenute nelle cellule muscolari come miosina e actina.

Gli amminoacidi sono l’unità base delle proteine, hanno un gruppo amminico –NH2 e un gruppo carbossilico –COOH legati ad un atomo di carbonio detto alfa. Questi due gruppi funzionali insieme alla molecola di idrogeno compongono la parte costante di tutti e 20 i tipi di amminoacidi. Questi sono differenziati infatti solo dalla variabile R detta parte specifica che detta anche le varie caratteristiche (polarità, idrofila o idrofoba, negativi o positivi) e la forma (questa infatti viene influenzata per esempio se la variabile è idrofoba e la proteina si trova a contatto con acqua). Possiamo quindi dire che gli amminoacidi di una proteina si muovono e cambiando la struttura tridimensionale in base a dove si trovano. Gli amminoacidi vengono quasi sempre assunti dal cibo in quanto l’uomo non è in grado di sintetizzarli da solo, questi assunti dall’esterno sono detti amminoacidi essenziali.

Gli amminoacidi sono legati tra loro dai legami peptidici, si parla infatti di polipeptidi. Una proteina è costituita da una o più catene polipeptidiche che hanno uno schema preciso che si ripete lungo tutta la catena. Il legame si stabilisce tra il gruppo amminico NH2 e il gruppo COOH.

La struttura della proteina è data dalla sequenza degli amminoacidi. Una proteina ha 4 livelli di struttura che formano una struttura tridimensionale (piegandosi e ripiegandosi su se stesse) che è fondamentale per far svolgere la funzione alla proteina. Solo con la sola struttura primaria, cioè la semplice catena di amminoacidi, la proteina non funziona. I vari livelli di struttura derivano dalla specifica sequenza amminoacida. La struttura detta la funzione biologica della proteina. In alcune regioni di un polipeptide si trovano le strutture secondarie, i due tipi più comuni di questa struttura sono alfa-elica (base strutturale delle proteine fibrose, grande elasticità) e beta-foglietto (grande flessibilità) che si formano con i legami a idrogeno. Possono essere presenti entrambi i tipi di struttura secondaria contemporaneamente. La struttura terziaria è la forma complessiva assunta da ciascuna catena polipeptidica. È una struttura 3D determinata da: formazione di altri legami a idrogeno e ionici, dalla tendenza di alcuni amminoacidi ad andare verso l’esterno o l’interno (polare o apolare), formazione di legami covalenti e interazioni idrofobiche. Può presentare il ponte disolfuro che è un legame. È influenzata anche dall’ambiente. La struttura quaternaria deriva dalla disposizione tridimensionale delle catene polipeptidiche. Ha origine dagli stessi fattori della terziaria. Un esempio è l’emoglobina che è formata da 4 catene che contiene un atomo di ferro (eme) che si ossida o riduce dettando la funzione legandosi all’ossigeno (l’eme è la struttura quaternaria).

Come detto la struttura detta la funzione della proteina (alterazioni della struttura portano a mutazioni dell’attività biologica della proteina). Una proteina può avere due o più zone con una propria funzione. Queste zone sono dette domini. Eventuali mutamenti di struttura sono detti denaturazione della proteina che generalmente non è reversibile.