Biologia generale

Biologia

Obiettivo è studiare l’organizzazione della cellula che è l’unità fondamentale del nostro organismo.

Molecole → singoli organelli → cellule → tessuti → organo → individui → popolazione.

Caratteristiche fondamentali degli organismi viventi

Gli organismi viventi hanno delle caratteristiche fondamentali che si possono classificare in:

• Organizzazione cellulare: Ogni essere vivente è costituito da cellule ed eventualmente da sostanze non appartenenti a cellule, extra-intracellulari, ma prodotte dalle stesse cellule che lo compongono. La cellula rappresenta il modulo organizzativo fondamentale degli esseri viventi, i quali possono essere composti da una singola cellula, organismi monocellulari, o da una collettività di cellule, organismi pluricellulari, integrate ed organizzate in tessuti, organi ed apparati in modo da costituire quella entità strutturale e funzionale coerente chiamata organismo.
• Finalismo delle parti: In qualunque essere vivente, ciascuna delle parti svolge una funzione necessaria o almeno utile, al mantenimento della vita da parte dell’intero organismo, il quale richiede la coesistenza coordinata e complementare di tutte le parti che lo compongono.
• Metabolismo: È la capacità degli esseri viventi di utilizzare fonti esterne di materie prime e di energia allo scopo di preservare la struttura complessa ed ordinata degli organismi e permetterne la crescita e la moltiplicazione.
• Eccitabilità: Gli organismi viventi sono in grado di ricevere stimoli dall’esterno e rispondervi producendo mutamenti del proprio stato e/o delle proprie attività; ciò permette di mantenere invariate nel tempo le caratteristiche strutturali e di svolgere in modo ottimale le corrispondenti funzioni.
• Informazione: Le cellule contengono: un Programma costituito da un complesso di istruzioni atte a dirigere l’utilizzazione delle materie prime e delle fonti energetiche verso il raggiungimento di un risultato univoco e ben preciso, ed un Organo di Memoria che lo contiene. Il Genotipo è la totalità dell’informazione genetica di un organismo e trasmessa ai discendenti, il Fenotipo è la frazione di informazione genetica effettivamente espressa.
• Adattamento: Si definisce adattamento la capacità di modificare la propria attività metabolica.
• Riproduzione ed eredità: Gli organismi viventi hanno la capacità di generare figli strutturati ad immagine e somiglianza dei genitori. La base molecolare di ogni processo riproduttivo consiste nella sintesi di copie di materiale genetico, destinate a ciascuno dei discendenti. Ereditarie sono tutte quelle caratteristiche che vengono trasmesse dai genitori alla prole.
• Evoluzione: Tutti gli organismi viventi condividono l’insieme di caratteristiche di base che abbiamo analizzato, e tale condivisione suggerisce l’esistenza di un’origine comune. La teoria dell’Evoluzione rappresenta una, la migliore, interpretazione della storia della vita sulla Terra. Il processo evolutivo è fondato su due fattori: variabilità genetica e selezione naturale.

La cellula

Le cellule possono essere di due tipi diversi.

Cellula procariotica e cellula eucariotica

Informazione genetica non racchiusa da alcun sistema membranoso.

Le cellule eucariotiche formano sia organismi monocellulari, lieviti, che pluricellulari.

Le cellule procariotiche formano esclusivamente organismi monocellulari, procarioti.

La cellula eucariotica è migliore poiché presenta l’organizzazione cellulare che permette il mantenimento di un ambiente interno costante e controllato, ottimizzando i processi.

Fa sì che una determinata funzione biologica possa avvenire in uno spazio estremamente ristretto, nel quale tutti gli elementi necessari sono concentrati in uno spazio ben definito, così che i prodotti di una reazione possano essere il substrato per reazione successiva fino ad arrivare alla realizzazione del prodotto finale.

Composizione chimica della cellula

Cosa c’è dal punto di vista chimico all’interno della cellula?

I ricercatori analizzando la composizione chimica della cellula e della crosta terrestre hanno individuato elementi comuni, ma nella cellula c’è una maggiore quantità di carbonio rispetto alla crosta terrestre.

I ricercatori analizzando l’elemento la composizione che ha delle chimica peculiarità che nessun altro elemento ha dà origine a una serie di composti che compongono la chimica organica della cellula.

All’interno della cellula eucariotica e procariotica esistono una grande quantità di molecole biologiche che derivano dall’aggregazione dei vari elementi interni, come idrogeno e ossigeno, quindi vari elementi formano dei legami chimici che a loro volta danno origine alle molecole, a loro volta le molecole possono legarsi tra loro per dare origine alle macromolecole.

L’elemento più presente all’interno della cellula è l’acqua e solo il 30% dai composti chimici.

• Ioni, piccole molecole.
• Fosfolipidi.
• DNA RNA.
• Proteine → maggiore quantità poiché non c’è attività biologica che non presenta una proteina.
• Polisaccaridi.

La differenza dal punto di vista chimico dalla crosta terrestre e la cellula, consiste che nella crosta terrestre non sono presenti quattro molecole biologiche della vita che sono invece presenti nella cellula e sono: proteine, lipidi, carboidrati e acidi nucleici. Ciò che caratterizza gli esseri viventi.

Il carbonio

Tutti i composti chimici che costituiscono la materia vivente sono costituiti da carbonio combinato con altri atomi.

Il carbonio può formare legami covalenti forti e possono essere: semplici, doppi o tripli, dando origine a lunghe catene carboniose lineari, ramificate o composti ad anello. Perché?

È possibile perché il legame C-C è il legame più stabile che esiste in natura, permettendo al C di formare catene lunghissime, anche con 17/18/20 atomi di carbonio. Anche molecole simili al C come il silicio, che ha una dimensione leggermente diversa, ma non è in grado di formare composti a catena ramificata o ciclici.

Il C quindi crea molteplici composti che formano la disciplina della chimica organica o chimica del carbonio.

Così importante che esiste anche il ciclo del carbonio → ciclo dell’energia nei sistemi viventi.

Come entra il C all’interno dei sistemi viventi e come può realizzare queste grandi molecole compresse e fornire anche l’energia necessaria per i processi vitali?

Inizia tutto dall’energia solare poiché attraverso essa il C entra sotto forma di l’anidride carbonica e legandosi con l’acqua dà origine a delle molecole organiche complesse che possono essere anche degli alimenti, questa è la reazione della fotosintesi clorofilliana. Questa reazione produce anche l’ossigeno molecolare, ovvero quella molecola che permette la vita su questa terra.

Attraverso il processo endocellulare inverso, la respirazione che avviene all’interno delle cellule eucariotiche, animali e vegetali, si è in grado di produrre nuovamente anidride carbonica e acqua e quindi produrre quell’energia necessaria per il lavoro cellulare.

Concludendo, il carbonio è al centro di una serie di composti, chiamati composti organici ed è soprattutto quell’elemento che ci permette di sintetizzare quelle quattro molecole biologiche, in quanto presenti solo negli organismi viventi, lucidi, protidi, acidi nucleici e proteine.

La materia si può organizzare in vari livelli.

Parte tutto dalle molecole precorritrici, come l’acqua, azoto e anidride carbonica, da queste si andranno a formare le molecole intermedie che daranno origine alle molecole fondamentali per comporre le macromolecole, che vengono classificate come acidi nucleici, proteine, lipidi e polisaccaridi. Questi ultimi danno origine a dei complessi sopra molecolari, fino a costituire organelli.

Quindi le molecole organiche si possono aggregare per dare origine a complessi sovra molecolari, ciò è importante per capire l’organizzazione molecolare → di fatto ci accorgeremo come queste molecole organiche non sono altro che l’aggregazione di molecole molto simili tra loro, che daranno origine a dei polimeri.

Formati da monomeri, che permettono la realizzazione di grandi complessi molecolari fino ad arrivare agli organelli.

I legami

La cellula contiene molte molecole di carbonio e dei suoi derivati → tanta quantità di C grazie alla molteplicità dei legami che esso può svolgere con gli elettroni esterni dell’elemento.

Legame chimico → è l’interazione fra due atomi che porta ad uno stato di minima energia ed è la forza risultante fra le forze attrattive, e - nucleo, e repulsive, e - e.

Elettroni perfettamente condivisi dai due elementi.

L’O attrae più verso sé gli e-.

Non equa distribuzione e.

Le macromolecole organiche

Le macromolecole vere e proprie sono i lipidi, glucidi, proteine e acidi nucleici poiché derivano dall’aggregazione di molti elementi più semplici.

Difficili da riconoscerli poiché sono molecole eterogenee, molto diverse le une dalle altre, a differenza delle proteine che sempre formate da amminoacidi.

Tre molecole con elementi in comune.

Queste macromolecole sono costituite da strutture complesse, polimeri, ottenute dall’assemblaggio di unità più piccole, monomeri, spesso legate insieme da legami covalenti, stabili = impossibile da rompere.

Vengono comunque classificati come lipidi poiché hanno la caratteristica di essere insolubili in acqua o solubili in altri lipidi o solventi organici.

Questo è il processo di condensazione, legare due amminoacidi tra loro per formare una proteina, togliendo una molecola di acqua.

Digestione è il processo inverso, immette la molecola precedentemente eliminata, se H₂O è l’idrolisi.

I lipidi

I lipidi sono un gruppo eterogeneo di sostanze. Essi sono caratterizzati dalla loro insolubilità in acqua e dalla affinità per i solventi apolari e per altri lipidi.

Esistono quattro tipi di lipidi:

• Trigliceridi → funzione di deposito.
• Steroidi → varie funzioni tra cui quella di messaggeri chimici, ormoni.
• Fosfolipidi → sono la base costituente delle membrane biologiche.
• Carotenoidi → foto pigmenti, antiossidanti, pigmenti presenti, per esempio, nella frutta o verdura che ci proteggono dai radicali liberi.

Se andiamo a studiare la struttura essi sono diversi, l’unica cosa in comune è l’insolubilità in acqua.

Trigliceridi

Funzione → la funzione primaria è quella di fornire energia nei processi metabolici.

Struttura → si possono trovare in due stati:

• Solido = grasso.
• Liquido = olii.

I trigliceridi si possono trovare sotto forma di olio nei semi delle piante, come l’olio di oliva, o sotto forma di grassi nel tessuto adiposo degli animali, stato di riserva energetica.

Quanta energia produce?

1 g di grasso → 9 kal = più del doppio di E di 1 g di zucchero o proteine e occupa meno spazio.

Struttura chimica dei trigliceridi

In ciascuna molecola di trigliceride, tre molecole di acidi grassi sono legate ad una molecola di glicerolo.

Glicerolo: è una piccola molecola a tre atomi di carbonio. Un alcool in grado di legare tre molecole di acido grasso.

Acido grasso: sono costituiti da lunghe molecole, fino a 20 o più atomi di carbonio. Gli acidi grassi sono i lipidi più semplici che esiste in natura.

Nel trigliceride il legame si forma tra il gruppo COOH dell’acido grasso e il gruppo OH del glicerolo e prende il nome di legame di estere. Gruppo carbossilico COOH + → catena idrocarboniosa.

Ciò che distingue l’acido grasso è la lunghezza della catena.

I trigliceridi si differenziano dalle catene di acidi grassi, poiché quest’ultime possono essere:

• Sature: Catene perfettamente lineari, le molecole si dispongono in modo ordinato e i lipidi sono solidi a temperatura ambiente, burro.
• Insature: Presenza di un doppio legame C-C che presenta una piegatura, molecole si dispongono in modo disordinato e i lipidi sono liquidi, olio.
• Polinsatura: Se presenta più di un doppio legame C-C.

Gli acidi grassi saturi tendono maggiormente a depositarsi nelle arterie, provocando malattie vascolari.

Fosfolipidi

I fosfolipidi si differenziano dai trigliceridi poiché invece il glicerolo invece di legarsi con tre catene idro-carboniose, si lega con due, formando il terzo legame con un gruppo fosforico.

Ciò fa sì che i fosfolipidi abbiano caratteristiche chimiche e fisiche totalmente differenti dai trigliceridi.

Formata da un gruppo fosforico che presenta la parte polare, ciò conferisce alla molecola la caratteristica di essere scibile in H₂O e inoltre può far sì che altre molecole si leghino ad essa, formando altri tipi di fosfolipidi.

Grazie a questa loro caratteristica di avere una porzione idrosolubile e una idrofoba, i fosfolipidi tendono naturalmente a disporsi con le teste idrofile rivolte verso l’acqua e le code idrofobe rivolte una contro l’altra.

Carotenoidi

I carotenoidi sono una famiglia di lipidi in grado di assorbire la luce.

Molti carotenoidi sono precursori di vitamine come il β-carotene, che è il precursore della vitamina A, dal quale deriva il retinale che svolge una importante funzione come foto pigmento nella retina.

I carotenoidi sono in molti casi responsabili del colore sia negli animali che nelle piante.

La maggior parte dei carotenoidi ha una forte funzione antiossidante, neutralizzazione dei radicali liberi.

Cosa sono i radicali liberi?

I processi metabolici della cellula generano continuamente composti dell’ossigeno, radicali liberi, caratterizzati dall’avere un numero spaiato di elettroni e dalla forte tendenza a cedere O e ad ossidare le molecole.

I radicali liberi sono utilizzati per alcune funzioni quali inattivare virus e batteri, detossificare, attivare certi enzimi.

• O₂ anione superossido.
• H₂O₂ acqua ossigenata.
• OH radicale idrossilico.

Tuttavia, hanno anche effetti dannosi sulla cellula:

• Reagiscono con il DNA provocando mutazioni, e tumori.
• Agiscono sugli acidi grassi dei fosfolipidi danneggiando le membrane.
• Possono agire su certi enzimi di membrana, pompe ioniche, interferendo con l’equilibrio idro-salino della cellula.

Steroidi

Si tratta di una famiglia di composti organici molto importanti che hanno una struttura comune basata su più anelli fusi tra loro.

Nucleo del ciclopentanoperidrofenantrene.

Strutture simili ma con funzioni estremamente diverse → la cellula può non riconoscere a vista le diverse tipologie di steroidi, ma può farlo attraverso dei recettori specifici, ma comunque può essere ingannata da delle molecole molto simili ciò può causare un grave disturbo nella regolazione dell’espressione genica.

La maggior parte degli steroidi sono in grado di attivare o reprimere l’espressione dei geni e devono essere scanditi bene, per cui l’ingresso di uno steroide all’interno della cellula può attivare o inibire l’espressione di un gene e se viene fisiologicamente è un bene per l’organismo, se invece la molecola è sbagliata ciò interferisce con la normale espressione genica, alterando il metabolismo cellulare e provocando all’interno dello stesso una serie di fenomeni che possono portare alla trasformazione cellulare da normale a tumorale, oppure, impedire che alcuni processi non avvengano più nei tempi e modi prestabiliti.

Queste cellule che possono creare danni sono definite endocrine disruptors, molecole che alternano la normale attività degli ormoni steroidei.

Di questa famiglia fanno parte una serie di molecole che hanno funzione di messaggeri chimici, gli ormoni steroidei. Sono O. steroidei, per esempio, gli ormoni sessuali come il testosterone o il progesterone.

Glucidi o carboidrati

Il nome carboidrati deriva dal fatto che sono composti oltre che da C, da H e O nelle proporzioni in cui si trovano nell’acqua, per tanto possono formare molecole sia lineari che circolari.

I glucidi o carboidrati sono un gruppo eterogeneo di sostanze → estremamente ordinate e caratteriz