Biologia generale e ambientale

Biologia generale e ambientale

Uno sguardo sulla vita

Le caratteristiche della vita

Gli organismi viventi condividono una serie di caratteristiche: comprendono un preciso tipo di organizzazione, crescita e sviluppo, un metabolismo capace di autoregolarsi, la capacità di rispondere agli stimoli, la riproduzione e l’adattamento ai cambiamenti climatici.

Gli organismi sono composti da cellule

Tutti gli organismi sono composti da cellule, generate dalle divisioni di cellule preesistenti. Ogni cellula è circondata da una membrana plasmatica che regola il passaggio di materiale. Le cellule posseggono molecole specializzate che contengono l’informazione genetica: il DNA. Le cellule sono inoltre provviste di organelli.

Esistono due tipi di cellule:

• Cellule procariotiche: sono esclusive dei batteri e degli archeobatteri.
• Cellule eucariotiche: contengono una varietà di organelli circondati da membrana, incluso un nucleo.

Gli organismi crescono e si sviluppano

La crescita biologica consiste in un aumento della dimensione delle singole cellule o nell’aumento del numero delle cellule, o entrambi. Alcuni organismi continuano a crescere durante tutta la loro vita. Lo sviluppo comprende tutti i cambiamenti che avvengono durante la vita di un organismo.

Gli organismi regolano i processi metabolici

In tutti gli organismi viventi avvengono reazioni chimiche e trasformazioni energetiche essenziali. L’insieme delle attività chimiche dell’organismo è chiamato metabolismo. Le reazioni metaboliche devono essere regolate per mantenere l’omeostasi, uno stato di equilibrio interno. I meccanismi omeostatici si autoregolano.

Gli organismi rispondono agli stimoli

Tutte le forme di vita rispondono agli stimoli. La risposta agli stimoli determina il movimento. In alcuni animali il movimento è dato dallo scivolamento della cellula (movimento ameboide), altri organismi posseggono flagelli o ciglia.

Gli organismi si riproducono

Negli organismi semplici la riproduzione è asessuata. Prima di dividersi formano una copia del loro materiale genetico. Il verificarsi di mutazioni genetiche fa sì che vi siano variazioni fra gli organismi che si riproducono asessualmente. Nella maggior parte dei vegetali e degli animali la riproduzione è sessuata e avviene con la produzione di cellule specializzate che si uniscono per formare un uovo fecondato.

Le popolazioni si evolvono e si adattano all'ambiente

Gli adattamenti sono caratteri ereditari che migliorano la capacità di un organismo di sopravvivere in un particolare ambiente.

Il procedimento scientifico

Il metodo scientifico comporta che gli scienziati facciano osservazioni accurate e sviluppino ipotesi. Basandosi sulle proprie ipotesi, fanno delle predizioni che possono essere verificate attraverso ulteriori osservazioni, oppure realizzando degli esperimenti. Successivamente raccolgono dati spesso con l’ausilio di un computer e metodi statistici sofisticati. Infine interpretano i risultati dei loro esperimenti e ne traggono delle conclusioni.

La chimica della vita: i composti organici

I carboidrati

I carboidrati hanno formula (CH₂O)_n.

I monosaccaridi

I monosaccaridi contengono da tre a sette atomi di carbonio. A ciascun carbonio è legato un gruppo ossidrilico, tranne a uno, il quale è legato mediante doppio legame a un atomo di ossigeno per formare un gruppo carbonilico. Se il gruppo carbonilico è in posizione terminale è un’aldeide, se è in un’altra posizione è un chetone.

Il glucosio (C₆H₁₂O₆) è il monosaccaride più abbondante, ed è utilizzato come fonte di energia dalla maggior parte degli organismi. Durante la respirazione cellulare le cellule ossidano le molecole di glucosio rilasciando l’energia immagazzinata. La concentrazione di glucosio viene mantenuta costante nel sangue. Il glucosio e il fruttosio sono isomeri strutturali e hanno proprietà differenti. Quando il glucosio forma un anello, esistono due possibili isomeri. Se il gruppo ossidrilico è dalla stessa parte del piano dell’anello rispetto al gruppo laterale -CH₂OH, il glucosio viene chiamato β-glucosio. Quando invece si trovano sui lati opposti del piano dell’anello è detto α-glucosio.

I disaccaridi

Un disaccaride è costituito da due anelli monosaccaridici legati mediante legame glicosidico. Il legame glicosidico si forma tra il carbonio 1 di una molecola e il carbonio 4 della molecola adiacente.

I polisaccaridi

Un polisaccaride è una macromolecola costituita da unità ripetute di uno zucchero semplice. Può essere lineare o ramificato. Hanno proprietà molto diverse tra di loro. L’amido è costituito da subunità di α-glucosio. I monomeri sono uniti da legami α 1-4. L’amido si può presentare sotto due forme:

• Amilosio: non è ramificato.
• Amilopectina: è ramificata.

Il glicogeno è la forma in cui le subunità di glucosio, unite da legami α 1-4 glicosidici, sono immagazzinate come fonte di energia nei tessuti animali. È simile all’amido vegetale ma è più ramificato e più idrosolubile. Si accumula nel fegato e nelle cellule muscolari. La cellulosa è un polisaccaride insolubile costituito da molte molecole di glucosio legate tra loro. I legami presenti sono diversi da quelli dell’amido poiché sono β 1-4 glicosidici.

Alcuni carboidrati complessi modificati svolgono ruoli particolari

Gli amminozuccheri sono composti nei quali un gruppo ossidrilico è stato sostituito con un gruppo amminico. La galattosammina è un costituente del sistema scheletrico dei vertebrati. I carboidrati possono combinarsi con le proteine per formare le glicoproteine.

I lipidi

I lipidi costituiscono un gruppo eterogeneo di composti insolubili in acqua. Sono costituiti da carbonio e idrogeno.

Il triacilglicerolo è costituito da glicerolo e da tre acidi grassi

I triacilgliceroli costituiscono una riserva di energia. Forniscono il doppio di energia rispetto ai carboidrati. Un triacilglicerolo è costituito da glicerolo unito a tre acidi grassi. Il glicerolo è un alcol a tre atomi di carbonio contenente tre gruppi -OH. Un acido grasso è costituito da una lunga catena idrocarburica non ramificata alla cui estremità si trova un gruppo carbossilico. Una molecola di triacilglicerolo è formata mediante una serie di tre reazioni di condensazione.

Gli acidi grassi saturi e insaturi differiscono nelle proprietà fisiche

Gli acidi grassi saturi contengono il maggior numero possibile di atomi di idrogeno. Gli acidi grassi insaturi possiedono una o più coppie di atomi di carbonio adiacenti legati tra loro da un doppio legame. Gli acidi grassi con un solo doppio legame sono detti monoinsaturi, mentre quelli con più di un doppio legame sono detti polinsaturi.

I fosfolipidi sono componenti delle membrane cellulari

I fosfolipidi appartengono alla classe dei lipidi anfipatici. Un fosfolipide consiste di una molecola di glicerolo attaccata da un lato a due acidi grassi e dall’altro a un gruppo fosfato legato a un composto organico, il quale generalmente contiene azoto. La parte della molecola che contiene gli acidi grassi è idrofobica. La parte costituita da glicerolo, fosfato e base organica è molto idrosolubile. Queste caratteristiche anfipatiche permettono la formazione in acqua di doppi strati lipidici.

I carotenoidi e molti altri pigmenti derivano da unità di isoprene

I carotenoidi sono insolubili in acqua e sono costituiti da monomeri idrocarburici a 5 atomi di carbonio. Molti animali convertono i carotenoidi in vitamina A, la quale può essere convertita nel pigmento visivo retinale.

Gli steroidi contengono quattro anelli carboniosi

Uno steroide è formato da tre atomi di carbonio disposti in quattro anelli uniti tra loro. Tre anelli sono a sei atomi di carbonio e il quarto è a cinque atomi di carbonio. La lunghezza e la struttura delle catene laterali fanno sì che gli steroidi possano essere distinti tra loro. Tra gli steroidi più importanti ci sono il colesterolo, i sali biliari, gli ormoni sessuali e il cortisolo. Il colesterolo è un componente importante delle membrane cellulari degli animali.

Le proteine

Le proteine sono costituite da amminoacidi. La maggior parte degli enzimi sono proteine.

Gli amminoacidi sono le subunità delle proteine

Gli amminoacidi hanno un gruppo amminico e un gruppo carbossilico legati al carbonio α. In soluzione a pH neutro, gli amminoacidi sono ioni bipolari. Il gruppo carbossilico dona un protone si dissocia, mentre il gruppo amminico accetta un protone. Gli amminoacidi in soluzione si oppongono ai cambiamenti di pH e possono essere considerati tamponi biologici. Quelli che gli animali non possono sintetizzare e che devono essere assunti con la dieta sono noti come amminoacidi essenziali.

I legami peptidici uniscono gli amminoacidi

Il legame covalente carbonio-azoto che tiene insieme due amminoacidi è detto legame peptidico. Quando si combinano due amminoacidi si forma un dipeptide. Una catena più lunga di amminoacidi è un polipeptide.

Le proteine hanno quattro livelli di organizzazione

La struttura primaria è la sequenza amminoacidica

La sequenza amminoacidica di una catena polipeptidica rappresenta la sua struttura primaria. La struttura primaria è sempre rappresentata in una forma lineare.

La struttura secondaria deriva dai legami a idrogeno tra elementi dello scheletro amminoacidico

• α-elica: è una regione in cui una catena polipeptidica forma un avvolgimento elicoidale uniforme. Ciascun legame a idrogeno si instaura tra un ossigeno con una carica parziale negativa e un idrogeno con una parziale carica positiva. Ciascun amminoacido è impegnato in un legame a idrogeno.
• β-foglietto: i legami a idrogeno si formano tra catene polipeptidiche differenti. Tutte le catene sono completamente distese. Un foglietto ripiegato è flessibile. La distanza fra le ripiegature è fissa.

La struttura terziaria dipende dalle interazioni tra le catene laterali

La struttura terziaria è la forma complessiva assunta da ciascuna catena polipeptidica. Questa struttura è determinata da diversi fattori principali:

• Legami a idrogeno
• Legami ionici
• Interazioni idrofobiche
• Legami covalenti (ponti disolfuro)

La struttura quaternaria deriva dalle interazioni tra i polipeptidi

Molte proteine sono costituite da due o più catene polipeptidiche. La struttura quaternaria deriva dalla disposizione tridimensionale delle catene polipeptidiche.

Gli acidi nucleici

Gli acidi nucleici trasmettono l’informazione ereditaria e determinano quali proteine debbano essere sintetizzate dalla cellula. Nelle cellule ci sono due tipi di acidi nucleici: l’acido ribonucleico e l’acido desossiribonucleico.

Alcuni tipi di RNA, detti ribozimi, possono funzionare come catalizzatori specifici. Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi costituite da:

• Ribosio o desossiribosio
• Gruppi fosfato
• Base azotata:
  • Purine: adenina e guanina
  • Pirimidine: citosina e timina

Le molecole degli acidi nucleici sono costituite da catene lineari di nucleotidi uniti tra di loro da un legame fosfodiesterico.

Alcuni nucleotidi svolgono un ruolo importante nei trasferimenti di energia e in altre funzioni cellulari

L’ATP è la più importante molecola energetica della cellula. Il GTP può trasferire energia cedendo un gruppo fosfato e ha anche un ruolo importante nella segmentazione cellulare. Il NAD svolge un ruolo fondamentale nelle ossidoriduzioni biologiche.

Organizzazione della cellula

La cellula: l’unità base della vita

L’organizzazione di tutte le cellule è fondamentalmente simile

L'organizzazione delle cellule e le loro piccole dimensioni sono proprietà che permettono di mantenere in equilibrio l’ambiente intracellulare per consentire il funzionamento corretto dei processi biochimici. Affinché la cellula mantenga il suo equilibrio interno, i suoi contenuti devono essere separati dall’ambiente esterno. La membrana plasmatica è una membrana di superficie strutturalmente distinta che circonda tutte le cellule. Permette che la composizione chimica della cellula sia differente da quella dell’ambiente esterno e ha proprietà che le consentono di svolgere la funzione di barriera selettiva.

Le cellule posseggono gli organuli, specializzati nello svolgere attività metaboliche. La maggior parte degli organuli sono formati da uno o più compartimenti circondati da membrana e sono in grado di regolare il proprio ambiente interno per compiere funzioni specializzate. Le membrane cellulari servono anche come rivestimento di superficie per organizzare l’interazione di proteine che sono coinvolte in alcune reazioni biochimiche.

Le dimensioni cellulari hanno un limite

Una cellula deve assumere nutrimento e altri materiali e deve liberarsi dei prodotti di rifiuto generati dalle reazioni metaboliche. Tutto ciò che entra o esce dalla cellula deve passare attraverso la membrana plasmatica attraverso pompe e canali che regolano il passaggio di materiali dentro e fuori la cellula. Un fattore importante nel determinare le dimensioni di una cellula è il rapporto superficie/volume. Man mano che la cellula si ingrandisce, il suo volume aumenta in misura maggiore rispetto all’area della superficie e ciò pone un limite alle dimensioni della cellula. Alcune cellule hanno estroflessioni della membrana plasmatica, dette microvilli, che aumentano l’area superficiale. Alcune cellule possono cambiare forma.

Cellule procariotiche ed eucariotiche

Le cellule procariotiche non contengono organuli circondati da membrane

Le cellule procariotiche sono più piccole di quelle eucariotiche. Nelle cellule procariotiche, il DNA è localizzato in una regione limitata della cellula, detta area nucleare, o nucleoide. L’area nucleare non è delimitata da una membrana. Non presentano altri tipi di organuli delimitati da membrana. Le cellule procariotiche hanno una membrana plasmatica che circonda la cellula. La membrana plasmatica delimita il contenuto della cellula, originando un compartimento interno. In alcune cellule procariotiche, la membrana plasmatica si può invaginare formando un complesso di membrane sulle quali possono avvenire reazioni metaboliche. Molte cellule procariotiche possono avere una parete cellulare, struttura che racchiude l’intera cellula.

Molti procarioti possiedono flagelli, lunghe fibre che si protendono dalla superficie cellulare. Essi sono utilizzati come propulsori e per la locomozione. La loro struttura è diversa dai flagelli presenti nelle cellule eucariotiche. Alcuni procarioti possiedono fimbrie, usate per aderire tra di loro o per ancorarsi alla superficie cellulare di altri organismi. Il materiale interno delle cellule batteriche contiene i ribosomi, piccoli complessi di RNA e proteine in grado di sintetizzare polipeptidi. I ribosomi delle cellule procariotiche sono più piccoli rispetto a quelli delle cellule eucariotiche. Le cellule procariotiche presentano anche granuli di deposito che contengono glicogeno, lipidi o composti fosforilati.

Sistemi di membrane dividono le cellule eucariotiche in compartimenti

Le cellule eucariotiche sono caratterizzate dalla presenza di organuli delimitati da membrana, incluso un nucleo che contiene il DNA. La porzione di protoplasma al di fuori del nucleo prende il nome di citoplasma, mentre quella all’interno viene chiamata nucleoplasma. Molti organuli sono sospesi nella componente fluida del citoplasma, il citosol. Le proteine eucariotiche sono sintetizzate nel compartimento citoplasmatico dai ribosomi.

Gli organuli delle cellule eucariotiche permettono di superare alcuni degli inconvenienti dovuti alle grandi dimensioni. Le cellule eucariotiche possono essere più grandi di quelle procariotiche. Le cellule eucariotiche differiscono da quelle procariotiche perché posseggono un’impalcatura di sostegno, o citoscheletro, importante per il mantenimento della forma della cellula e per il trasporto di materiali al suo interno.

Le proprietà particolari delle membrane biologiche permettono alle cellule eucariotiche di svolgere molte funzioni diverse

Le membrane cellulari hanno proprietà che permettono agli organuli da esse delimitate di svolgere diverse funzioni. Gli organuli racchiudono sempre almeno un compartimento. Tali compartimenti circoscritti da membrane fanno sì che alcune attività cellulari siano localizzate all’interno di regioni cellulari specifiche. I reagenti concentrati vengono a contatto tra loro più facilmente e la velocità di reazione aumenta. La divisione in compartimenti permette che possano avvenire contemporaneamente attività diverse.

Le membrane funzionano anche come superfici di lavoro cellulare. Molte reazioni chimiche sono svolte da enzimi legati alle membrane. Le membrane permettono di immagazzinare energia. La membrana costituisce una barriera. Tra i due lati della membrana esiste sia una differenza di carica elettrica che di concentrazione. Tali differenze costituiscono un gradiente elettrochimico. Tali gradienti immagazzinano energia sotto forma di energia potenziale. Quando le particelle di una sostanza passano attraverso la membrana dal lato ad alta concentrazione a quello a bassa concentrazione, la cellula può trasformare parte della loro energia potenziale nell’energia chimica delle reazioni biochimiche.