Biologia applicata, riassunto

Atomi, molecole e legami chimici

L'atomo è la più piccola quantità di materia di un elemento ed è scomposto in particelle, neutroni, protoni ed elettroni. Neutroni e protoni formano il nucleo atomico, mentre gli elettroni vi girano attorno quasi alla velocità della luce. Elettroni e protoni sono carichi elettricamente, il primo in forma negativa, il secondo in forma positiva. I neutroni, invece, sono neutri. Il numero atomico identifica il numero di protoni contenuti nel nucleo. Il numero di massa è la somma di protoni e neutroni e indica il peso atomico.

Numero di massa: ¹²C₆ Numero atomico

Lo strato di valenza è la capacità di un atomo di possedere elettroni. Se esso è incompleto, l'atomo è instabile. Per essere riempito, un atomo cede o mette in compartecipazione i propri elettroni di valenza con altri atomi. Una molecola è la struttura formata da due o più atomi.

Legami chimici

Il legame chimico è ciò che tiene unito un atomo ad un altro e si forma tra almeno due atomi. Per indicare che due atomi sono legati si interpone un trattino fra i loro simboli. Attraverso i legami chimici, gli atomi raggiungono maggiore stabilità. Quando si forma un legame chimico si libera una certa quantità di energia, mentre se si vuole rompere un legame chimico è necessario spendere energia.

I legami chimici che legano gli atomi sono il legame ionico e il legame covalente. Il primo è la forza attrattiva con cui si attraggono atomi con cariche positive, detti anioni, e atomi con cariche negative, detti cationi. Il secondo è la compartecipazione di una coppia di elettroni di valenza tra due atomi. Esso è il legame chimico più forte e può essere puro o polare. Il primo si forma tra atomi con lo stesso valore di elettronegatività: in questo caso gli elettroni in comune fra i due atomi sono attratti con la stessa forza da entrambi i nuclei e sono condivisi in maniera uguale fra i due atomi. Il secondo si forma tra atomi con elettronegatività diversa, ma non tanto da rendere possibile la formazione di un legame ionico: la coppia di elettroni non è equamente condivisa tra i due atomi, ma passano più tempo attorno all’atomo più elettronegativo. Gli atomi possono condividere anche due o tre coppie di elettroni, attraverso legami covalenti doppi e tripli.

Il legame a idrogeno o ponte è un legame che si forma fra molecole contenenti un atomo di idrogeno (H) legato a un altro atomo più elettronegativo di piccole dimensioni. Questo legame è covalente polare, con l’atomo di H parzialmente positivo e l’altro atomo parzialmente negativo.

L'acqua

L'acqua è una molecola polare, costituita da due atomi di idrogeno legati all'unico atomo di ossigeno grazie a un legame covalente polare, poiché la carica positiva dell’idrogeno è attratta da quella negativa dell’ossigeno. La molecola d’acqua è tenuta insieme da legami a idrogeno, che determina una serie di caratteristiche: la coesione, che è la formazione di nuovi legami a H in seguito alla loro rottura nello stato liquido; l’adesione, che è la stretta associazione tra due sostanze; la tensione superficiale, che è la difficoltà di distensione e interruzione della superficie dell’acqua, il calore specifico, che è il calore perso o assorbito da un grammo d’acqua che fa aumentare o diminuire la temperatura di un grado. Ciò contribuisce alla stabilità della temperatura dell’aria: l’acqua, infatti, assorbe una grande quantità di calore solare durante il giorno, per poi liberarlo nella notte e in inverno.

L’evaporazione è il passaggio dell’acqua dallo stato liquido a quello gassoso, per la velocità delle molecole d’acqua che si muovono vincendo le forze attrattive. Quando un liquido evapora la superficie sottostante si raffredda, visto che le molecole più calde hanno lasciato lo stato liquido. Ciò permette agli esseri viventi di non surriscaldarsi. Una soluzione è una miscela tra due o più sostanze. Un solvente è l’agente che dissolve la soluzione. Un soluto è la sostanza disciolta. Una sostanza è idrofila quando è affine all’acqua, è idrofoba quando non lo è.

Carboidrati

I carboidrati sono le principali molecole di riserva energetica della maggior parte degli esseri viventi, sono composti da atomi di C, H e O, si formano a partire dagli zuccheri e si distinguono in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

I monosaccaridi contengono una sola molecola di zucchero e sono costituiti da un atomo di C ogni due di H e uno di O tenuti insieme da legame covalente. Sono i più diffusi e contengono 5 (pentosi) o 6 (esosi) atomi di C. Tra i pentosi ricordiamo il ribosio e il desossiribosio, tra gli esosi ricordiamo il glucosio. I monosaccaridi sono molto solubili in acqua e perciò circolano nel sangue e, una volta finiti nella cellula, vengono demoliti dagli enzimi. L’energia rilasciata produce molti ATP. Se il monosaccaride termina con un C=O è un aldeidico (aldosi, ad es. il glucosio), se C=O si trova in mezzo, è un chetoso (chetosi).

I disaccaridi sono costituiti da due zuccheri e tra i più diffusi c’è il saccarosio (zucchero da tavola): se sono composti da due monosaccaridi è stata eliminata una molecola d’acqua per disidratazione: il legame che si crea è detto legame glicosidico; se, invece, il disaccaride si divide in due monosaccaridi è stata aggiunta una molecola d’acqua per idrolisi.

I polisaccaridi si formano a partire da molte molecole di zucchero. Essi hanno funzioni strutturali, come la cellulosa, e di riserva energetica, come amido e glicogeno. Prima di essere utilizzati come fonti energetiche devono essere idrolizzati in monosaccaridi. Se vi sono massimo 10 zuccheri si parla di oligosaccaridi.

Se l’energia cinetica degli atomi è forte, il legame covalente si spezzerà liberando gli atomi che formeranno nuovi legami covalenti per ripristinare il numero di elettroni. Se il nuovo legame è debole libererà energia attraverso una reazione esoergonica; se è forte ha assorbito energia attraverso reazione endoergonica.

Lipidi

I lipidi sono composti organici insolubili o poco solubili in acqua e solubili in solventi apolari. Sono costituiti da uno o più acidi grassi, monocarbossilici con numero pari di atomi di carbonio. Possono essere di deposito di scheletri carboniosi ed energia per le cellule, e strutturali di membrane biologiche. Si distingue tra lipidi semplici e complessi: i primi sono costituiti da acidi grassi combinati con alcol sotto forma di esteri e sono detti gliceridi, che si distinguono in monogliceridi, digliceridi e trigliceridi a seconda che è esterificato uno, due o tre gruppi alcolici.

I secondi comprendono i fosfogliceridi e gli sfingolipidi: i primi derivano dal glicerolo, in cui due gruppi alcolici sono esterificati da acidi grassi e uno da acido fosforico; i secondi derivano dalla reazione di un acido grasso con la sfingosina, costituita da una catena alifatica con due gruppi alcolici e uno amminico. I fosfolipidi sono molecole costituite da una molecola di glicerolo legata a due acidi grassi e ad un gruppo fosfato. Quest’ultimo è quasi sempre legato ad una molecola organica contenente azoto. Questa struttura chimica conferisce ai fosfolipidi la proprietà anifpatica, cioè di essere dotate di un’estremità idrofila, rappresentata da glicerolo, gruppo fosfato e molecola organica, e un’estremità idrofobica, rappresentata dagli acidi grassi. I fosfolipidi sono i costituenti fondamentali delle membrane biologiche, le quali risulteranno costituite da doppio strato fosfolipidico in cui le code idrofobe sono rivolte nella parte centrale della membrana e le teste idrofile verso l’esterno.

Proteine

Le proteine sono polimeri di molecole lineari contenenti azoto e amminoacidi, presenti per il 50% nei sistemi viventi. Le singole catene sono dette subunità della proteina, che può essere semplice, se formata solo da amminoacidi, e coniugata, se presenta gruppi prostetici. Queste ultime possono essere glicoproteine, se il gruppo prostetico è costituito da carboidrati, e apoproteine, se il gruppo prostetico si stacca dalla porzione polipeptidica. Esse si distinguono in fibrose e globulari. Gli amminoacidi sono molecole lineari costituenti le proteine, formati da idrogeno, azoto, carbonio e ossigeno. La loro struttura base è formata da un atomo di carbonio centrale legato a un gruppo amminico –NH₂, a uno carbossilico –COOH e a un atomo di idrogeno. Essi possono essere apolari, insolubili in acqua, e polari e ionizzabili, solubili in acqua. Esistono 20 tipi di amminoacidi che differiscono tra loro per il gruppo R del quarto legame del carbonio. Possono distinguersi in base alla carica e alla polarità delle loro catene laterali.

Se esse sono neutre apolari abbiamo:

• Alanina
• Fenilalanina
• Glicina
• Isoleucina
• Leucina
• Metionina
• Triptofano
• Prolina
• Valina

Se esse sono neutre polari abbiamo:

• Asparagina
• Glutammina
• Serina
• Tirosina
• Treonina
• Cisteina

Se esse sono cariche acide abbiamo:

• Aspartato
• Glutammato

Se esse sono cariche basiche abbiamo:

• Arginina
• Istidina
• Lisina

Un peptide è la struttura formata da due amminoacidi in seguito ad una reazione di condensazione tra la testa amminica o N-terminale di un amminoacido e la coda carbossilica o C-terminale di un altro, grazie ad un legame peptidico. L’unione di decine di amminoacidi prende il nome di polipeptide. La polimerizzazione è l’unione tra amminoacidi e peptidi. Le proteine presentano una struttura tridimensionale costituita da una struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria.

Nella struttura primaria gli amminoacidi interagiscono tra loro lungo la catena polipeptidica, ripiegandola su se stessa a formare la struttura secondaria, che può essere:

• Ad alfa-elica, con lo scheletro polipeptidico avvolto su se stesso a spirale, con formazione di legami a idrogeno e le catene laterali degli amminoacidi sporte all’esterno.
• Beta, in cui si formano foglietti beta per la distensione parallela di segmenti della catena polipeptidica e la sporgenza delle catene laterali degli amminoacidi sopra e sotto.

Nella struttura terziaria la catena si raggomitola dando origine alla proteina nativa. Il ripiegamento della proteina è stabilizzato dal ponte disolfuro, che è la struttura formata da un legame covalente e i legami tra le catene laterali degli amminoacidi. La struttura quaternaria si osserva solo in proteine con più catene polipeptidiche che formano la struttura completa.

Le proteine si distinguono in base alle loro funzioni:

• Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche.
• I fattori di trascrizione regolano l’espressione genica.
• Le proteine strutturali costituiscono citoscheletro e strutture extracellulari.
• Le proteine contrattili sono responsabili del movimento delle cellule.
• Pompe e canali trasportano ioni e molecole nelle membrane biologiche.
• Ormoni e fattori di crescita regolano funzionamento e proliferazione di altre cellule.
• I recettori riconoscono ormoni e fattori di crescita e stimolano le cellule.
• Le proteine deposito accumulano materia ed energia.
• Gli anticorpi riconoscono e inattivano sostanze estranee.
• Le tossine sono sostanze tossiche.

Metabolismo, enzimi e vie metaboliche

Il metabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche della cellula, per la collisione delle molecole con un’energia, detta di attivazione, che forma il complesso di attivazione per la rottura e la riformazione dei legami. Queste reazioni sono catalizzate dagli enzimi, che sono specifici per un solo tipo di reazione a carico di substrati. La catalisi enzimatica avviene per la combinazione enzima-substrato sulla superficie dell’enzima detta sito attivo o catalitico. Avvenuta la reazione, il complesso enzima-substrato diventa enzima-prodotti. Porzioni della catena polipeptidica e radicali degli amminoacidi del sito attivo riconoscono e legano il substrato per la reazione. I coenzimi sono ioni metallici e composti organici che contribuiscono alla specificità di reazione delle proteine; essi sono sintetizzati dalle vitamine. Le vie metaboliche sono le vie per la sintesi e demolizione dei composti organici. Esse si distinguono in anaboliche da anabolismo, che sintetizzano i composti, e cataboliche da catabolismo, che demoliscono i composti ed estraggono l’energia.

Alcune di esse sono cicliche, tra cui:

• Il ciclo di Krebs, che è l’ultima fase dell’ossidazione di scheletri carboniosi
• Il ciclo dell’urea, che elimina l’azoto in eccesso

Gli acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono lunghi polimeri lineari di nucleotidi, deputati agli scambi di energia nella cellula, a funzioni regolatorie, all’ossidoriduzione biologica ad opera di enzimi. Sono costituiti da tre porzioni, legate da legami covalenti: una base azotata, un monosaccaride a 5 atomi di carbonio e un acido fosforico. Le basi azotate possono essere puriniche, come guanina (G) ed adenina (A), e pirimidiniche, come citosina (C) e timina (T) o uracile (U) nell’RNA. Esse sono raggruppate in triplette con cui si possono avere 64 combinazioni diverse per coprire i venti amminoacidi. Alcune triplette codificano per codoni di stop che indicano il punto in cui un gene termina la codifica per quella proteina.

Il legame fosfodiesterico è un legame covalente che, reagendo col gruppo fosfato adiacente, lega tra loro i nucleotidi. Esistono due tipi di acidi nucleici: l’acido ribonucleico o RNA, che ha come zucchero il ribosio e come basi U – C – G – A, e l’acido desossiribonucleico o DNA, che ha come zucchero il desossiribosio e come basi T – C – A – G.

Il DNA è la sostanza in cui è depositata l’informazione genetica delle cellule. Esso è presente in tutte le cellule in grado di riprodursi e può essere duplicato e introdotto nella cellula, modificandone le caratteristiche genetiche. Esso contiene unità funzionali, chiamate geni, che rappresentano un tratto di DNA che codifica per proteine capaci di svolgere le funzioni cellulari. Il DNA è responsabile della trasmissione dei caratteri alla progenie ed è quindi alla base dell’ereditarietà. È costituito da due catene antiparallele avvolte in una doppia elica destrorsa, una senso, in cui è contenuta l’informazione, una non senso, che è complementare. Ciò consente la replicazione dell’informazione e la conversazione nel caso fosse danneggiata. All’interno dell’elica ci sono le basi A-T e G-C tenute insieme da legami a H, mentre all’esterno di essa c’è lo scheletro covalente idrofilo, composto da zucchero e fosfato. Tra A e T si formano due legami a H, mentre tra C e G tre.

La doppia elica è stabilizzata da due interazioni:

• Legami a idrogeno tra coppie di basi se un’A si trova di fronte ad una T e una G di fronte ad una C.
• Interazioni di Van der Waals tra basi sovrapposte, con le due eliche in direzioni opposte e andamento antiparallelo.

Vi sono diverse forme di struttura del DNA:

• La forma B, che è quella classica proposta da Watson e Crick ed è quella più stabile
• La forma A, in cui il DNA ha una doppia elica destrorsa più larga e le coppie di basi per ogni giro di elica sono 11 invece di 10.5 della forma B
• La forma Z, in cui l’elica è sinistrorsa e ci sono 12 coppie di basi per ogni giro.

L’RNA è una copia o trascritto del messaggio genetico che traccia la sintesi proteica. È formato da una sola catena di nucleotidi che si ripiega su se stessa formando tratti di doppia elica intramolecolare, in cui le basi si accoppiano per complementarietà. Ogni RNA ha una propria sequenza nucleotidica, specificata da quella del segmento di DNA.

Gli RNA si distinguono in:

• RNA ribosomali o rRNA, che sintetizzano le proteine
• RNA-transfer o tRNA, che trasportano amminoacidi per la sintesi proteica
• RNA messaggero o mRNA, che trasferisce l’informazione delle proteine sintetizzate dal DNA al macchinario per la sintesi proteica, che la traduce dal linguaggio del messaggero a quello degli amminoacidi.

La retro-trascrizione è il passaggio di informazione dall’RNA al DNA.

Quando ai nucleotidi si aggiungono due gruppi fosfato prendono il nome di adenosina trifosfato o ATP, che trasporta energia per le reazioni chimiche. I legami sono deboli e, spezzandosi per idrolisi, liberano energia e l’ATP diventa adenosina difosfato o ADP, poiché perde un gruppo fosfato. Questo viene poi ricaricato in ATP per ossidazione del glucosio in anidride carbonica e acqua.

Teoria cellulare: cellula procariote ed eucariote

Secondo la teoria cellulare di Schleiden e Schwann tutti gli organismi sono costituiti da cellule, che ne sono le unità fondamentali e originano per divisione cellulare. Essa discende dagli Archeobatteri e può essere procariote ed eucariote. La cellula procariote è sprovvista di nucleo, può avere forma sferica, allungata o a spirale e in alcuni casi è dotata di appendici, dette flagelli, con cui si sposta. Ha una membrana plasmatica, formata da lipidi complessi, proteine ed enzimi, che racchiude il citoplasma unico, al cui interno c’è il DNA cromosomico e l’RNA. Nel citoplasma dei procarioti più complessi ci sono vacuoli che legano molecole per la fotosintesi, che utilizza atomi di C e azoto grazie all’energia solare che, interagendo con la clorofilla, eccita gli elettroni. La membrana trasporta ioni e molecole dall’esterno all’interno della cellula e viceversa per controllare la composizione dei liquidi intracellulari. È presente anche una parete cellulare che è rigida e funge da sostegno.