Biologia generale

● BIOLOGIA GENERALE

LEZIONE 1

I COMPONENTI CHIMICI DELLA MATERIA VIVENTE

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Una molecola è costituita da atomi uniti mediante legami covalenti​ . Gli atomi si uniscono

​

per formare gli elementi​ , sostanze che non possono essere scisse in sostanze più semplici

mediante reazioni chimiche ordinarie. I principali elementi negli esseri viventi sono:

​ ​ ​

ossigeno​ , carbonio​ , idrogeno e azoto​

. Gli atomi a loro volta sono costituiti da particelle

​ ​ ​

subatomiche: elettroni​ , protoni e neutroni​ . Protoni e neutroni formano insieme il nucleo

atomico. Gli elettroni non hanno una collocazione fissa e si muovono nello spazio attorno al

nucleo atomico. Gli elettroni ad energia più alta sono detti elettroni di valenza e definiscono

quanti legami un atomo può formare.

Funzioni del:

● Ossigeno: necessario per la respirazione cellulare, componente dell’acqua

● Carbonio: forma lo scheletro delle molecole organiche

● Idrogeno: presenti in tutti i composti organici, componente dell’acqua

● Azoto: componente di proteine e acidi nucleici

● Calcio: componente di ossa e denti, serve per contrazione muscolare e

coagulazione sanguigna

● Fosforo: componente di acidi nucleici e fosfolipidi, presenti nelle ossa

● Potassio: ione positivo importante per funzione nervosa e contrazione

● Sodio: ione positivo importante per funzione nervosa e contrazione

● Cloro: principale ione negativo

● Zolfo: presente nella maggior parte delle proteine

● Magnesio: necessario per la funzione di molti enzimi

● Ferro: componente dell’emoglobina, attiva vari enzimi (citocromo P450, enzima

detossificante che contiene un gruppo eme)

CONCETTI BASE​ (approfonditi in altri corsi)

LE BIOMOLECOLE

Tutte le macromolecole risultano dall’unione di molecole più semplici che interagiscono

​ ​

attraverso legami covalenti​ . Altri legami chimici importanti includono i legami ionici (che si

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formano tra anioni e cationi). Vi sono poi i legami deboli, quali i legami a idrogeno e le

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interazioni Van Der Waals​ . Infine, citiamo le interazioni idrofobiche​ , indispensabili per la

corretta organizzazione strutturale e funzionale di proteine, acidi nucleici e membrane

biologiche.

L’ACQUA

La maggior parte degli organismi è costituita soprattutto da acqua (70% nell’uomo).

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Dall'acqua, per fotosintesi si genera l’ossigeno che respiriamo. L'acqua è anche il solvente

più diffuso​ , nel quale la maggior parte delle reazioni biologiche avvengono. Le proprietà

dell’acqua, essenziali per la vita, dipendono dalla polarità della sua molecola e dalla capacità

di formare legami a idrogeno​ . Questi legami sono molto deboli e permettono alle molecole

​

di acqua di associarsi fra loro. Le molecole di acqua sono coesive​ , cioè si attaccano le une

​

alle altre. L'acqua è una molecola polare​ , in cui è presente una estremità con carica

positiva ed una con carica negativa. Le molecole di acqua formano inoltre legami a idrogeno

​

con altre molecole idrofile. IL LEGAME IDROGENO​ : il legame a idrogeno si forma fra due

molecole che presentano regioni con cariche opposte. Un atomo di idrogeno con carica

positiva viene attratto da un atomo con carica parziale negativa, ossigeno o azoto. I legami a

idrogeno si formano e si rompono facilmente. Hanno lunghezze ed orientamento specifici;

questa proprietà è importante nel determinare la struttura tridimensionale di macromolecole

​

complesse quali il DNA e le proteine. ACQUA COME SOLVENTE-IONI​ : quando il cristallo di

sodio (NaCl) viene messo in acqua, gli ioni sodio (Na+) e cloruro (Cl-) si separano. Ciascuno

ione sarà circondato da molecole di acqua elettricamente attratte da esso e l’NaCl si sarà

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sciolto. ACQUA COME SOLVENTE-ACIDI E BASI​ : l’acqua è sia un acido che una base,

dipende dalle circostanze; in presenza di un acido (acido cloridrico), l’acqua si comporta

​

come base, mentre si comporta da acido in presenza di una base (ammoniaca). ACQUA

COME SOLVENTE-LEGAMI CON GLUCOSIO​

: le molecole di acqua formano legami

idrogeno con molecole organiche idrofile, quali zuccheri ed amminoacidi che possiedono

gruppi polari. Queste molecole polari tendono a tenersi separate le une dalle altre,

migliorando la loro solubilità.

MOLECOLE BIOLOGICHE

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Esse si distinguono in molecole idrofile (che amano l’acqua e formano legami a idrogeno

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con essa) e molecole idrofobiche (che temono l’acqua e sono apolari) che formano

strutture non solubili in acqua e che tendono a raggrupparsi tra loro in strutture insolubili

nell’acqua. Questo non è dovuto alla formazione di legami fra le molecole idrofobiche, ma al

fatto che le molecole d’acqua, unite mediante i legami a idrogeno, tendono ad escluderle e a

farle raggruppare tra loro. Le interazioni idrofobiche spiegano perché l’olio formi agglomerati

quando aggiunto all’acqua. Esempi di sostanze idrofobiche sono gli acidi grassi e il

​

colesterolo. Le molecole anfipatiche sono composti organici che presentano una testa

polare idrosolubile a base di fosfato e una coda non idrosolubile. Le molecole anfipatiche,

immerse in un liquido acquoso, tendono a formare spontaneamente un doppio strato, nel

quale le teste idrofile sono rivolte verso l’esterno e le code idrofobe verso l’interno. La

formazione del doppio strato lipidico ha permesso la creazione di compartimenti come

vescicole e cellule. La funzione di ogni molecola dipende dalla sua forma geometrica,

dettata dagli elementi che la compongono. La probabilità che l’interazione tra due molecole

dia luogo ad una reazione chimica, può dipendere fortemente dalla forma tridimensionale

delle molecole. La forma geometrica di una molecola fa sì che all’interno di essa la distanza

fra gli atomi sia ottimale per controbilanciare la repulsione dei doppietti elettronici.

MOLECOLE ORGANICHE ​ ​

Sono molecole composti da atomi di carbonio che lega con altri atomi. Ciascun carbonio

forma 4 legami covalenti producendo un’ampia varietà di molecole di grandi dimensioni,

essenziali per la vita. Vi sono vari​ gruppi funzionali​ :

● Gruppo ossidrilico (OH): è polare perché l’ossigeno elettronegativo attrae gli

elettroni del legame covalente

● Gruppo carbonilico: può essere aldeidico (CHO) o chetonico (CO). Negli aldeidi il

carbonio del gruppo è legato con almeno un atomo di H, è polare perché

l’ossigeno elettronegativo attrae gli elettroni del legame covalente. Nei chetoni il

carbonio è legato ad altri due atomi di carbonio, è polare perché l’ossigeno

elettronegativo attrae gli elettroni del legame covalente.

● Gruppo carbossilico (COOH): debolmente acido; può rilasciare ioni H+

● Gruppo amminico (NH2): debolmente basico; può accettare uno ione H+

● Gruppo fosfato (PO4): debolmente acido; possono essere rilasciati uno o due ioni

H+

● Gruppo sulfidrilico (SH): aiuta a stabilizzare la struttura interna delle proteine

MACROMOLECOLE BIOLOGICHE

Molte molecole biologiche, come proteine ed acidi nucleici sono polimeri. I polimeri sono

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costituiti da unità più piccole, i monomeri. I polimeri sono catene lunghe di monomeri. I

monomeri si assemblano grazie a reazioni di condensazione e si separano con reazioni di

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idrolisi. La forma dei polimeri è correlata alla loro funzione. I quattro tipi di macromolecole

biologiche sono zuccheri, lipidi, proteine e acidi nucleici.

ZUCCHERI O CARBOIDRATI

Gli zuccheri​ , l’​ amido e la cellulosa sono carboidrati. Gli amidi e zuccheri fungono da

riserva di energia per le cellule. La cellulosa è il componente principale delle pareti delle

cellule vegetali con funzioni di sostegno. I carboidrati, o idrati del carbonio, sono costituiti da

​ ​

C, H e O, presenti in un rapporto di (CH2O)n con n maggiore o uguale a 3. In base al

numero di unità di zucchero che contengono i carboidrati sono classificati in:

​

● Monosaccaridi​ : 1 unità di zucchero (​ gliceraldeide​ , glucosio​ ). Sono gli zuccheri

più semplici, contengono da 3 a 7 atomi di carbonio. Sono noti anche come

zuccheri triosi (3 atomi di C), pentosi (5 C), esosi (6 C) ed eptosi (7 C). Le

molecole esistono in una struttura tridimensionale ed i monosaccaridi, in

soluzione esistono come anelli. Il glucosio può formare due anelli che differiscono

per l’orientamento del gruppo ossidrilico –OH e che vengono chiamati isomeri.

● Disaccaridi​ : 2 unità di zucchero (​ saccarosio, lattosio​ ). Le unità ad anello sono

legate l’uno all’altro mediante un legame glicosidico, che consiste di un ossigeno

centrale legato covalentemente a due atomi di carbonio, uno per anello. Esempi

di disaccaridi sono il maltosio (zucchero del malto: glucosio+glucosio), il lattosio

(glucosio+galattosio) e il saccarosio (glucosio+fruttosio).

● Polisaccaridi​ : molte unità di zucchero (​ amido, glicogeno, cellulosa​ ; tutti e tre

sono composti solo da glucosio e sono perciò definiti omopolisaccaridi; alcuni

esempi di eteropolisaccaridi sono l’eparina e l’acido ialuronico, che contengono

derivati degli zuccheri come gli amminozuccheri). Il glicogeno è presente in alta

concentrazione nel fegato e nel muscolo scheletrico. Il glicogeno epatico viene

utilizzato come fonte di energia a breve termine per l'organismo fornendo un

mezzo per immagazzinare e rilasciare glucosio in risposta ai livelli di glucosio nel

sangue. Il glicogeno muscolare fornisce una fonte prontamente disponibile di

glucosio durante l'esercizio per supportare i percorsi di conversione dell'energia

anaerobica e aerobica all'interno delle cellule muscolari; le cellule muscolari

mancano dell'enzima glucosio-6-fosfatasi e quindi non possono rilasciare

glucosio nel sangue. I polisaccaridi costituiscono la classe dei

glicosamminoglicani (o GAG o mucopolisaccaridi), che sono la principale

costituente dei proteoglicani (alta porzione glucidica: 95%), che appartengono

alla matrice extracellulare. Anomalie a carico di enzimi lisosomiali che degradano

i GAG causano mucopolisaccarosidosi.

LIPIDI ​

I lipidi sono molecole insolubili in acqua, composte da carbonio e idrogeno; sono i

costituenti delle membrane cellulari e hanno varie funzioni:

● Funzione di riserva

● Funzione strutturale

● Trasmissione dello stimolo nervoso

● Precursori di vitamine

● Precursori di ormoni e molecole segnale

● Funzione di isolante termico

Sono lipidi:

● Trigliceridi​ , o triacilgliceroli: costituenti del tessuto adiposo

● Fosfolipidi e glicolipidi​ : costituenti della membrana cellulare

● Colesterolo​ : costituente della membrana cellulare

● Ormoni e vitamine liposolubili

Sono classificati in:

● Lipidi​ neutri​ : trigliceridi e colesterolo

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● Lipidi polari​ : fosfolipidi e glicolipidi

​ ​

Gli acidi grassi sono acidi carbossilici a lunga catena. Possono essere saturi​ , se privi di

legami doppi nella catena carboniosa, o insaturi​ , se presentano uno o più doppi legami tra i

carboni. Esempi di acidi grassi: acido palmitico, acido stearico, acido oleico, acido linoleico,

acido linolenico (essenziale che non è sintetizzato dalle cellule e pertanto deve essere

introdotto con la dieta).

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Il trigliceride (grasso animale e vegetale) è costituito da una molecola di glicerolo unito a tre

acidi grassi mediante legame esterico. A temperatura ambiente, si chiamano grassi se sono

solidi e oli se sono liquidi. Gli oli sono allo stato liquido perché ricchi di acidi grassi insaturi. I

trigliceridi del tessuto adiposo assolvono funzioni di riserva energetica, di isolamento termico

e di protezione degli organi.

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I fosfolipidi sono costituiti da una molecola di glicerolo attaccata, da un lato a due acidi

grassi, e dall’altro ad un gruppo fosfato legato ad un composto organico come la colina. I

fosfolipidi possiedono un’​ estremità idrofila (le teste si orientano verso il solvente acquoso)

​

e due lunghe catene idrofobiche (che si giustappongono l’una all’altra e formano la

porzione interna del doppio strato); formano un doppio strato che costituisce le membrane

cellulari.

​ ​ ​

I carotenoidi​ , gli steroidi​ , le vitamine e le cere sono lipidi aromatici a molecola singola che

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svolgono compiti di conversione di energia, regolazione e protezione. Il colesterolo è un

costituente delle membrane e da esso derivano gli ormoni steroidei; è una componente

essenziale della membrana cellulare di tutte le cellule animali; si inserisce fra i due strati dei

​

fosfolipidi di membrana diminuendo la fluidità della membrana. La vitamina D si può

produrre nella pelle grazie alla luce su un derivato del colesterolo. Il cortisolo è un ormone

​

secreto dalle ghiandole surrenali. Il testosterone è un ormone sessuale maschile. Le

vitamine sono sostanze organiche necessarie all’organismo in piccole quantità, che devono

essere assunte attraverso la dieta perché non possono essere sintetizzate dall’organismo

stesso. ​

Alcuni lipidi sono mediatori chimici​ , cioè sostanze contenute in vescicole che vengono

rilasciate dalle cellule in seguito a specifici stimoli. I mediatori chimici permettono alle cellule

di comunicare o di regolare le proprie funzioni. I mediatori chimici comprendono i

​ ​

neurotrasmettitori​ , gli ormoni​ , i mediatori dell’infiammazione​ , ecc. Non tutti i mediatori sono

però di origine lipidica. Alcuni mediatori chimici sono prodotti che derivano dalla

modificazione degli acidi grassi dei fosfolipidi di membrana. Sono un esempio le

prostaglandine, con funzioni proinfiammatorie e di contrazione della muscolatura liscia.

PROTEINE O CATENE POLIPEPTIDICHE

Nei sistemi viventi le proteine sono le biomolecole più abbondanti ed eterogenee dal punto

di vista strutturale. Una cellula contiene migliaia di proteine diverse, ciascuna con specifiche

proprietà strutturali e funzionali. Le proteine sono polimeri lineari formati dall’unione di 20

diversi amminoacidi​ . Gli amminoacidi si associano in numero, rapporto e sequenze diversi,

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generando migliaia di diverse proteine. Ad un carbonio alfa centrale si legano un

​ ​

idrogeno, un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e una catena laterale​ . Le

proteine hanno quattro strutture:

● Struttura primaria​ : è la sequenza con cui gli amminoacidi sono legati nella

catena polipeptidica.

● Struttura secondaria​ : deriva dai legami a idrogeno tra gli amminoacidi della

catena polipeptidica. Esistono due tipi di strutture secondarie: alfa-elica (gli

elementi si avvolgono attorno ad un asse formando un’elica destrorsa; l’elica

conferisce elasticità alle proteine) e foglietto beta-ripiegato (la catena

polipeptidica si ripiega su se stessa con andamento a zig zag; due o più catene si

affiancano; conferisce flessibilità alle proteine)

● Struttura terziaria​ : è la sua conformazione nello spazio tridimensionale. È

dovuta al ripiegamento su se stessa della sequenza amminoacidica. Le

interazioni possibili sono: legami a idrogeno, legami ionici o ponti salini (con

catena laterale), interazioni idrofobiche tra amminoacidi apolari, ponti disolfuro fra

residui di cisteina. Le interazioni degli amminoacidi idrofili con l’acqua sono

importanti per la stabilizzazione della struttura delle proteine.

● Struttura quaternaria​ : molte proteine sono monomeriche, cioè formate da una

sola catena polipeptidica. Altre invece sono formate da due o più catene.

L'aggregazione delle catene polipeptidiche dà origine alla struttura quaternaria,

che ne determina anche le caratteristiche funzionale. La stabilità delle strutture

quaternarie dipende da legami a idrogeno e ionici. Sono assenti legami covalenti.

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Le proteine possono essere semplici​ , se formate solo da polipeptidi, o coniugate​ , se

formate da polipeptidi, ioni e/o molecole organiche non amminoacidiche. Svolgono diverse

funzioni, le principali sono: funzione di segnalazione (controllano i processi cellulari),

funzione catalitica, funzione di difesa (riconoscono ed eliminano le sostanze estranee

all’organismo), funzione di trasporto (legano e trasportano sostanze all’interno

dell‘organismo), funzione strutturale (conferiscono stabilità e partecipano al movimento) e

funzione contrattile (partecipano al movimento). Vi sono proteine come gli enzimi che hanno

il compito di accelerare le reazioni cellulari. ​

Legate ad un’alterata conformazione proteica vi sono varie malattie neurodegenerative​ :

malattia da prioni o malattia di Creutzfeld Jacob (encefalopatia spongiforme bovina) in cui i

prioni sono ricchi di foglietti beta (mentre nella forma normale la proteina prionica è ricca di

alfa eliche), malattia di Alzheimer, Corea di Huntington, Malattia di Parkinson, SLA (Sclerosi

Laterale Amiotrofica).

ACIDI NUCLEICI E NUCLEOTIDI

Gli acidi nucleici trasmettono l’informazione ereditaria e determinano quali proteine debbano

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essere sintetizzate dalle cellule. Nelle cellule ci sono due tipi di acidi nucleici: il DNA e

l’​ RNA​ . Il DNA costituisce i geni e contiene l’informazione per sintetizzare tutte le proteine.

L'RNA interviene nel processo in cui gli amminoacidi sono legati fra loro per formare le

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proteine (traduzione). Gli acidi nucleici sono polimeri formati da nucleotidi​ , costituiti da uno

zucchero pentoso, uno o più gruppi fosfato, una base azotata. I nucleotidi si legano

mediante legami fosfodiesterei a formare le catene polinucleotidiche (gruppo fosfato

covalentemente allo zucchero adiacente).

Nel DNA i due filamenti polinucleotidici si appaiano attraverso le basi e son