Biologia e Genetica- Esame completo

Biologia 5 ottobre

Introduzione alla biologia

La biologia o biòs­logos è la scienza della vita che studia gli organismi non isolati ma nel loro ambiente fisico e sociale. Ad esempio:

• Popolazione (organismi della stessa specie nello stesso ambiente)
• Comunità (organismi di diversa specie nello stesso ambiente)
• Ecosistema (organismi di diverse specie in un ambiente più ampio, è un sistema autonomo)
• Biosfera

Organizzazione gerarchica

• Atomo
• Molecole: piccole (es. H₂O, O₂) e macromolecole essenziali per la vita (es. proteine, DNA, zuccheri, grassi)
• Cellule (unità fondamentale dell'organismo)
• Tessuto (es. nervoso, epatico)
• Organizzazione
• Sistemi d'organo
• Organismo

Teoria della cellula

La cellula è l'unità fondamentale della materia vivente. Tutti gli organismi sono formati da cellule. Tutte le cellule derivano da altre cellule.

Dimensioni: variabili da micrometri (10⁻⁶, un millesimo di metro) a nanometri (10⁻⁹, un milionesimo di metro).

Forma: dà un'idea della funzione della cellula, che se assume una forma errata non è in grado di funzionare. Ad esempio:

• L'adipocito, cellula di riserva (90% grasso), se avesse un nucleo troppo grosso non sarebbe ottimale.
• Globulo rosso: priva di nucleo (non si divide) è piccola e tondeggiante per passare nei vasi senza nucleo per avere più spazio per O₂.
• Cellula nervosa: riceve segnali e li trasmette (assone e dendriti).

Materia vivente, cos'è?

• Complessità specificamente determinata (informazione genetica per svilupparsi all'interno di quella specie)
• Accrescimento (organismo che cresce e si sviluppa, es. da bambino ad adulto, non solo in dimensioni ma anche in mutamento. Ad esempio, il ghiaccio cresce di dimensione ma non si sviluppa)
• Gli organismi viventi devono essere in grado di trasformare i composti inorganici in composti organici specifici di ciascun organismo.
• Gli organismi viventi devono essere in grado di produrre energia dalla materia.
• Esistenza di catalizzatori estremamente specifici ed efficienti, gli enzimi, ciascuno dei quali è responsabile di una data reazione. In ogni organismo, si svolgono solo le reazioni per le quali esso è in grado di produrre il corrispondente enzima; una buona parte dell’informazione genetica riguarda il modo in cui sintetizzare i diversi enzimi.
• Riproduzione sessuata e asessuata (gli organismi infertili sono comunque viventi).
• Necessità di un meccanismo di replicazione e di trasmissione dell’informazione genetica specifica di ciascun organismo.
• Necessità che la moltiplicazione delle cellule degli organismi avvenga solo quando il materiale genetico è stato duplicato e la crescita è stata sufficiente.
• Esistenza di un meccanismo di replicazione del DNA che assicura la conservazione dell’informazione.
• Esistenza di meccanismi che assicurano la precisa ripartizione del materiale replicato tra cellule figlie (mitosi e meiosi).
• Esistenza di meccanismi che controllano la divisione cellulare in funzione della crescita della cellula e della replicazione del materiale genetico.
• Capacità di rispondere a stimoli (fondamentale per la sopravvivenza)
• Movimento (più o meno complesso: dai flagelli agli animali)
• Adattamento all'ambiente (per evoluzione, es. Biston betularia, una farfalla durante la rivoluzione industriale in Inghilterra, quando gli alberi si annerirono e le farfalle bianche erano più predabili, quindi quelle nere ebbero la meglio perché si mimetizzavano)

Cellule

Procariote: cellule che formano i batteri (unicellulari), non devono interagire, sono autonome e molto piccole, hanno parete cellulare, membrana cellulare, citoplasma (DNA, RNA, ribosomi, proteine liberi) e non possiedono un nucleo. Hanno un solo cromosoma circolare e non possiedono citoscheletro.

Eucariote: più evolute e parte degli organismi pluricellulari, spesso hanno solo la membrana, hanno il citoplasma ma alcune componenti sono strutturate in organelli. Possiedono un nucleo con DNA.

Domini (classificazione organismi viventi)

• Dominio eubacteria (batteri)
• Dominio archaea (batteri)
• Dominio eucarioti

Batteri

(Unicellulari e composti da una unica cellula contenente tutta l'informazione genetica)

Eubatteri: La membrana si trova sotto la parete e circonda un singolo compartimento che contiene molecole di DNA, RNA e proteine. La parete è formata da un complesso di macromolecole chiamate peptidoglicano.

Archeobatteri: Forma, struttura e caratteristiche uguali ai batteri comuni ma vivono in condizioni estreme (es. solfatare, sott'acqua, ad alta pressione, vulcani) e hanno un metabolismo proprio adatto ad ambienti ostili. Alcuni producono metano, ricavano energia dallo zolfo e hanno affinità per il sale. Per caratteristiche come trascrizione e traduzione sono molto più simili agli eucarioti. Entrambi sono classificabili in base alla forma: cocchi (sferici), bacilli (bastoncini), spirilli (spirale).

Sono costituiti da una parete, una membrana, il citoplasma, flagelli esterni fatti della proteina flagellina (responsabili per il movimento), DNA arrotolato per protezione e con forma circolare. Si dividono con la scissione binaria: duplicazione DNA, divisione citoplasma, creazione di due cellule identiche.

Organismi pluricellulari

Composti da più cellule, ognuna delle quali ha forma e funzione tipiche con divisione dei compiti. Ogni cellula è specializzata nel suo, il che è un vantaggio evolutivo rispetto ai monocellulari. Inoltre, il genoma di ogni cellula di un organismo pluricellulare è uguale. Ciò che varia è l'espressione genica, ovvero i geni che ogni cellula esprime e utilizza.

Biologia 8 ottobre

I componenti chimici della cellula

Possono essere distinti in organici e inorganici: gli inorganici sono, per esempio, l'acqua e gli ioni minerali (cationi: Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, e anioni: Cl^­).

Atomo

• Più piccola unità della materia vivente
• Nucleo centrale contenente i neutroni (non carichi) e i protoni (carichi positivamente)
• Nube di elettroni (carichi negativamente) in movimento attorno al nucleo
• Si combinano tra loro mediante reazioni dette legami chimici:

Tipi di legami chimici

• Ionico: legame molto forte, creazione di molecole tra atomi con elettronegatività diversa (uno + e uno ­). Il donatore diventa carico + e il sequestratore carico ­. Un composto ionico è una sostanza costituita da cationi e anioni legati mediante le loro cariche di segno opposto.
• Covalente: non c'è donatore e accettore ma condividono gli elettroni. Non è uno più forte dell'altro, gli elettroni sono addensati tra i due atomi:
• Polari: atomi diversi che formano il legame, uno è più forte ma lievemente (non tanto per formare un legame ionico). Esempio: H₂O la nube si concentra sull'ossigeno formando molecole con parziali cariche.
• Apolari: esempio O₂ (atomi identici tra loro) la nube è distribuita equamente.

Ione

Particella con una o più unità di carica elettrica. Quando un atomo perde o accetta uno o più elettroni diventa uno ione carico o positivamente (catione) o negativamente (anione).

Acqua

Essenziale per la vita, le molecole di acqua sono polari quindi quando sono in contatto formano interazioni tra loro: H⁺ attrae O­ formando legame idrogeno (quando l'idrogeno si lega covalentemente con un atomo di carica parziale negativa che può essere l'ossigeno o l'azoto o un altro idrogeno) che è molto debole ma molto importante.

Il numero di legami massimo è 4.

Caratteristiche dell'acqua

• Coesione: le molecole messe in un recipiente si legano tutte insieme con legame idrogeno.
• Adesione: legame a idrogeno con altre sostanze polari (si spiega così perché può bagnare le superfici).
• Alto calore specifico: quantità di energia da fornire a un grammo di acqua per alzare la temperatura di un grado. È alto a seguito del numero di legami a idrogeno che sono difficili da rompere. Consente agli organismi di mantenere relativamente costante la temperatura interna e fa sì che gli oceani e le altre masse d'acqua mantengano una temperatura costante.
• Alto calore di evaporazione
• Bassa ionizzazione: ovvero non tende a formare ioni, poche molecole si dissociano. Gli ioni risultanti sono chiamati ione idronico (H⁺) e ione idrossile (OH­).
• A ebollizione molti legami idrogeno si spezzano, con formazione di vapore. Allo stato liquido si ha una continua formazione e rottura di legami idrogeno, mentre alla temperatura di congelamento ogni molecola di acqua forma 4 legami idrogeno con molecole adiacenti, formando il ghiaccio.

Il legame ionico è solitamente molto forte, ma l'acqua è un eccellente solvente, in grado di sciogliere molte sostanze, in particolare sostanze polari o ioniche.

pH

Indice di acidità per le sostanze da 0 a 14: 0­7 acido, 7­14 basico. Deriva dalla concentrazione di ioni nelle soluzioni. L'acqua distillata ha concentrazione di H⁺ pari a 10⁻⁷ moli/litro. Più ioni sono contenuti (10⁻⁶, 10⁻⁵ ..), più è acido. Il pH corrisponde al logaritmo in base 10 della concentrazione di ioni H⁺ in una sostanza. È importante perché il nostro corpo funziona solo a determinati pH.

Acido e base

• Acido: sostanza che in soluzione si dissocia producendo ioni H⁺ ed anioni.
• Base: accettore di protoni, sostanza che sciolta in acqua si dissocia cedendo uno ione OH­ ed un catione.

Sostanze idrofobiche e idrofiliche

• Sostanze idrofobiche: sono sostanze apolari che non sanno interagire con l'acqua perché non hanno carica sulle molecole. (Esempio: olio).
• Sostanze idrofiliche: sono polari e interagiscono bene con l'acqua (esempio: sale da cucina che si scioglie subito).

L'acqua è un solvente di composti ionici (es. sali) e di composti polari (carboidrati, aminoacidi). Le molecole che si sciolgono in acqua sono dette idrofiliche.

Cellula batterica

Composizione: 70% H₂O, 30% sostanze chimiche (le proteine sono le macromolecole più abbondanti nella cellula).

Macromolecole

• Proteine (amminoacidi)
• Acidi nucleici (DNA, RNA)
• Grassi (acidi grassi)
• Carboidrati (o zuccheri, polisaccaridi)

Sono tutti polimeri formati da monomeri legati insieme tramite legami covalenti attraverso reazioni di condensazione e idrolisi: durante la condensazione i monomeri si legano liberando una molecola di acqua, al contrario, quando l'acqua interagisce con il legame, stacca i monomeri con l'idrolisi.

Gruppi funzionali

Quando uno o più atomi di idrogeno legati allo scheletro carbonioso di un idrocarburo sono sostituiti da altri gruppi di atomi detti gruppi funzionali.

Gruppi chimici importanti

• Gruppo carbonilico: (CHO finale, CO interno, in quanto C ha solo 4 legami) costituito da un atomo di carbonio che lega con un doppio legame covalente un atomo di ossigeno. Questo legame è polare a causa dell'elettronegatività dell'ossigeno, pertanto il gruppo è idrofilico. La posizione del gruppo all'interno della molecola determina la classe di appartenenza di essa: un'aldeide ha un gruppo carbonilico posizionato alla fine dello scheletro carbonioso, un chetone ha un gruppo carbonilico interno.
• Gruppo carbossilico: (COOH) è costituito da un atomo di carbonio legato mediante doppio legame covalente ad un atomo di ossigeno a sua volta legato ad un atomo di idrogeno.
• Gruppo ossidrilico: (OH) ma non è ione idrossido. È polare quindi idrofilico.

Idrocarburi

Composti organici costituiti esclusivamente da carbonio e idrogeno. Non hanno regioni cariche in quanto sono apolari.

Carboidrati (zuccheri)

Sono idrocarburi, formula bruta: (CH₂O)_n. Esempio: Glucosio: C₆H₁₂O₆.

Il gruppo carbonilico è tipico degli zuccheri, o all'estremità (aldeide) o in mezzo alla molecola (chetone) e su tutti gli altri atomi di carbonio ha un gruppo alcolico (OH).

Funzioni dei carboidrati

• Fonte di energia per la cellula (carburante)
• Riserva di energia
• Respirazione cellulare
• Molecole di partenza per la sintesi di altri costituenti cellulari
• Sostegno
• Segnali di identificazione delle cellule

Classificazione dei carboidrati

• Monosaccaridi: 1 zucchero (da 3 a 7 atomi di carbonio legati a gruppi ossidrilici tranne uno che è doppiamente legato all'ossigeno formando un legame carbonilico), classificazione in base al numero di atomi di carbonio: pentosi (es. ribosio, desossiribosio), esosi (es. glucosio, fruttosio, galattosio). Fruttosio e glucosio sono isomeri: stessa formula chimica, diversa struttura e quindi diversa funzione e proprietà.
• Disaccaridi: 2 zuccheri (es. lattosio, maltosio) legati insieme in un legame glicosidico (carbonio 1 di una molecola e carbonio 4 della seconda).
• Oligosaccaridi: 2­10 zuccheri.
• Polisaccaridi: >10 zuccheri (es. amido: riso e pasta, riserva energetica nelle piante e glicogeno: fonte di energia in cellule animali, sono entrambi catene di glucosio). Hanno proprietà diverse: quelli facilmente scindibili servono per immagazzinare energia, quelli più stabili per formare strutture. La cellulosa è un polisaccaride formato da glucosio che però non è digeribile dall'uomo in quanto esso non possiede gli enzimi necessari a rompere i legami tra le molecole di glucosio. La chitina è un polisaccaride che forma l'esoscheletro di insetti e altri invertebrati.

Lipidi (grassi)

Idrofobi, esistono due classi: lipidi semplici e lipidi complessi.

Funzioni dei lipidi

• Riserva energetica (ma solo dopo gli zuccheri)
• Struttura (componenti principali delle membrane biologiche)
• Alcuni sono messaggeri chimici (ex. secondi messaggeri, o ormoni)
• Alcune vitamine sono grassi (A, D, E, K)

Monomero: acido grasso

Sono catene non ramificate di idrocarburi con gruppo carbossilico COOH (testa polare), per il resto formato da catene di CH₂ e CH₃ e hanno la coda non polare. Sono ripiegati (se nella struttura c'è un doppio legame C=C e quindi non sono completamente saturati con l'idrogeno) o dritti (vuol dire che contengono il maggior numero possibile di H).

Lipidi semplici

Più abbondanti negli esseri viventi, hanno funzione di riserva energetica per tutte le cellule. L'acido grasso per formare un lipide si lega a una molecola di glicerolo.

Trigliceridi

Glicerolo (alcol a tre atomi di carbonio contenente tre gruppi OH) legato a 3 acidi grassi (es. burro, olio). Durante la digestione il trigliceride è idrolizzato per produrre acidi grassi e glicerolo. Rappresentano i principali lipidi di deposito negli organismi animali e vegetali. Siccome sono insolubili in acqua, nelle cellule si presentano come goccioline.

Fosfolipidi

Amfipatici (ovvero con testa polare e coda apolare) due acidi grassi legati ad un glicerolo e un gruppo fosfato che è a sua volta legato ad un'altra molecola.

Glicolipidi

Amfipatici, un acido grasso legato alla sfingosina invece del glicerolo: Cerebosidi (testa polare glucosio), Gangliosidi (testa polare un oligosaccaride).

Steroidi

Molecole amfipatiche che hanno dei benzeni (molecole ad anello). Sono molecole rosse a strutture cicliche. Ce ne sono tante, ciò che cambia è la testa polare. Il più semplice è il colesterolo che come testa ha OH (es. colesterolo).

Biologia 9 ottobre

Proteine

Coinvolte in tutti gli aspetti del metabolismo, sono le macromolecole più abbondanti nella cellula. Vari tipi raggruppati a seconda delle funzioni:

• Enzimi (sostanze che facilitano le reazioni chimiche)
• Proteine strutturali (rafforzano e proteggono le cellule e i tessuti)
• Proteine di deposito (non energia ma di amminoacidi, vengono degradate quando servono amminoacidi)
• Proteine di trasporto (una delle funzioni principali, il trasporto cellulare con cui la cellula interagisce con l'ambiente esterno)
• Proteine regolatorie (regolano altre proteine attivandole o inibendole)
• Proteine contrattili (partecipano ai movimenti cellulari)
• Proteine di protezione (difendono l'organismo da agenti invasori)

Monomero: amminoacido

Ne esistono 20 in natura, tutti fatti allo stesso modo: un carbonio C che lega con un gruppo carbossilico COOH, un idrogeno H, un gruppo aminico (H₂N), catena laterale (residuo, parte variabile da cui dipende il tipo di amminoacido).

Classificazione degli amminoacidi

• Gruppo A: amminoacidi apolari (il residuo non ha nessuna carica né parziale né totale), sono idrofobe. Esempio: glicina.
• Gruppo B: amminoacidi polari ma non hanno carica (parziale carica negativa perché il gruppo OH del gruppo carbossilico tende a dissociarsi). Esempio: serina.
• Gruppo C: amminoacidi polari con carica (si possono dividere in acidi e basi perché sono ionici), Basici con carica +, acidi con carica ­. Esempio: visina.

Monomero amminoacido si lega in un polimero proteina tramite un legame peptidico (un legame covalente) tra gruppo carbossilico del primo e gruppo amminico del secondo originando l'acqua. Questo legame consente di capire quale estremità si è formata prima e quale dopo (il primo ha libero il gruppo aminico e l'ultimo avrà libero il gruppo carbossilico. Si chiamano estremità N termale e C terminale, polarità della proteina). Una proteina è formata da una o più catene polipeptidiche.