Biologia propedeutica a Professioni Sanitarie

Chimica

Atomo e struttura atomica

La parte più piccola in cui è possibile dividere la materia è l'atomo, che è neutro. L'atomo ha un nucleo composto da protoni (+) e neutroni (neutri); intorno a questo nucleo, all’interno degli orbitali, ruotano gli elettroni (-). Tra nucleo ed elettroni c’è tanto spazio. I neutroni servono a contrastare le forze di repulsione. In un atomo, protoni e neutroni sono presenti nelle stesse quantità (atomo neutro).

Orbitali e numeri quantici

Orbitali: è una funzione d'onda ψ che descrive il comportamento di un elettrone in un atomo. Dove ψ² è legato alla densità di probabilità di trovare l'elettrone in una qualsiasi zona di spazio attorno al nucleo dell'atomo. Per descriverlo si usano 4 “numeri quantici”:

• N.q. principale: numero di livello energetico
• N.q. secondario: indica la forma dell’orbitale
• N.q. magnetico: disposizione dell’orbitale nello spazio
• N.q. di spin: senso di rotazione dell’elettrone attorno al proprio asse

Gli orbitali vengono così riempiti: 1s²; 2p⁶; 3d¹⁰; 4f¹⁴ (si parte sempre da 1).

Numero atomico e massa

N. atomico: numero di protoni presente nel nucleo (ne ricavi il numero di elettroni).

N. massa: numero di protoni + numero di neutroni.

Isotopi e principio di Pauli

Isotopi: atomi con lo stesso numero atomico ma diverso numero di neutroni.

Principio di Pauli: in un atomo, due elettroni non possono avere tutti e 4 i numeri quantici uguali.

Elementi e tavola periodica

Elemento: sostanza composta da un solo tipo di atomo (es. ferro). Gli elementi (sostanze semplici formate da atomi uguali, quindi con lo stesso numero atomico) sono 118 e si trovano sulla tavola periodica in ordine di n. atomico. Le colonne orizzontali sono i periodi: indicano qual è il livello energetico più esterno. Le colonne verticali sono i gruppi: indicano qual è l’orbitale più esterno.

Molecole, ioni e elettronegatività

Molecola: insieme di atomi (es. acqua). Le molecole possono essere:

• Inorganiche (semplici): non hanno il carbonio
• Organiche (complesse): hanno il carbonio

Ione: entità molecolare carica elettricamente. Atomo o molecola che acquista o cede elettroni.

Elettronegatività: tendenza di un atomo ad acquistare un elettrone. L’elettrone andrà da chi ha un buco nell’ultimo livello.

Legami chimici

Gli orbitali di due atomi si uniscono a formare un legame chimico:

• Covalente: entrambi mettono in gioco 1 elettrone.
• Dativo: meccanismo simile al covalente, ma gli elettroni sono dati da un solo atomo.
• Metallico: non è un vero e proprio legame, è una zona in cui gli ioni sono in contatto tra loro, garantisce conduzione elettrica.
• Ionico: si instaura tra atomi con elettronegatività molto diversa tra loro, l’elettrone viene trasportato via da un atomo e si formano due ioni (uno positivo e uno negativo), che a questo punto si attraggono l’un l’altro.

Legami molecolari

• Van der Waals: sono forze deboli, interazioni elettrostatiche (tra eteropolari).
• Ponte a idrogeno: interazioni elettrostatiche con altre molecole (O fa 2 ponti, H fa 1 ponte). (H₂O e poco altro), sono deboli singolarmente, ma contano sul grande numero.
• Idrofobico: esempio quello della membrana cellulare.

Reazioni chimiche

Due reagenti (molecole o atomi) rompono i legami e ne producono altri (prodotti). Una reazione deve essere bilanciata (reagenti e prodotti devono avere gli stessi atomi).

Stati della materia e calore latente

Per passare da solido a liquido-gassoso bisogna fornire calore (energia), che aumenta l’agitazione delle molecole e quindi la temperatura. Per calore latente si intende il calore fornito a una materia per rompere i legami (non aumenta la temperatura).

Pressione e ossidazione

Pressione: se viene abbassata la materia tende a gas-liquido, se aumenta tende a solido.

Ossidazione: in chimica si dice che un elemento chimico subisce ossidazione quando subisce una sottrazione di elettroni, che si traduce nell'aumento del suo numero di ossidazione. Tale sottrazione di elettroni può avvenire a opera di un altro elemento, che subisce così il complementare processo di riduzione.

Il nome ossidazione è stato inizialmente dato alla reazione tra un metallo che si combina con l'ossigeno per dare il corrispondente ossido. Il metallo subirà dunque una sottrazione di elettroni da parte dell'ossigeno, poiché quest'ultimo è più elettronegativo di qualsiasi metallo. La maggior parte delle reazioni di ossidazione comportano lo svilupparsi di energia sotto forma di calore, luce o elettricità.

Le sostanze che hanno la capacità di ossidare altre sostanze sono note con il nome di agenti ossidanti. Essi sottraggono elettroni alle altre sostanze e, poiché in pratica accettano elettroni, sono anche chiamati accettori di elettroni. Gli ossidanti sono generalmente sostanze chimiche che possiedono elementi ad alto numero di ossidazione (per esempio il perossido di idrogeno, il permanganato o l'anidride cromica) o sostanze altamente elettronegative, quali ossigeno, fluoro, cloro o bromo, capaci di sottrarre uno o due elettroni ad altre sostanze.

Ossidoriduzione

In chimica, con il termine ossidoriduzione o redox (composto dall'inglese reduction, riduzione e oxidation, ossidazione) si descrivono tutte quelle reazioni chimiche in cui cambia il numero di ossidazione degli atomi, cioè tutte le reazioni in cui si ha uno scambio di elettroni da una specie chimica ad un'altra. Questo tipo di reazione può variare da un semplice processo redox, come l'ossidazione del carbonio che genera diossido di carbonio o la riduzione del carbonio dall'idrogeno che produce metano (CH₄), fino alla più complessa ossidazione degli zuccheri nel corpo umano, attraverso una serie di complicati processi di trasferimento degli elettroni.

Una reazione redox può essere pensata come lo svolgersi contemporaneo di due distinte "semireazioni":

• Ossidazione: si manifesta come aumento del numero di ossidazione di una specie chimica (ad esempio molecola, atomo o ione), in genere dovuto ad una cessione di elettroni da parte della specie considerata. La specie chimica perde elettroni ed è detta "riducente".
• Riduzione: si manifesta come una diminuzione del numero di ossidazione di una specie chimica, in genere dovuta ad un'acquisizione di elettroni da parte della specie. La specie chimica acquista elettroni ed è detta "ossidante".

Quindi le semireazioni di riduzione e di ossidazione comportano sempre un cambiamento nel numero di ossidazione; in particolare un'ossidazione comporta un incremento del numero di ossidazione, mentre una riduzione comporta una diminuzione del numero di ossidazione.

Elettricità

Viene misurata in Coulomb, una carica elettrica è presente in tutte le cose. La corrente elettrica è un flusso di elettroni, si misura in Ampere (quante cariche passano al secondo dentro un conduttore). Più velocemente passano le cariche più corrente passa. Più buono è il conduttore più corrente passa.

Il potenziale (in campo elettrico) è la capacità di una carica di compiere un lavoro. Se si prendono due molecole entrambe negative, una più grande e una più piccola, la più piccola acquisirà potenziale e verrà spinta via (finché si troverà nel campo di azione). Il potenziale si misura in Volt.

La differenza di potenziale nasce nel caso in cui ci sono tre molecole negative, 2 grosse ai lati (con una avente un potenziale maggiore) e una piccola al centro. Quella centrale sarà spinta in direzione di quella con potenziale minore.

La legge di Coulomb dice che due cariche dello stesso segno si respingono.

La potenza elettrica è il lavoro svolto da delle cariche in 1 s, si misura in Watt.

Osmosi e diffusione

Due soluzioni uguali (stesso solvente e stesso soluto) possono differire per concentrazione (soluto e solvente sono presenti in quantità differenti). Se due soluzioni uguali con diversa concentrazione vengono unite si stabilizzano (sia soluto che solvente) per il principio di equilibrio. Una soluzione può essere:

• Insatura: quando c’è poco soluto disciolto nel solvente
• Satura: quando la quantità di soluto è al limite
• Sovrassatura: quando c’è troppo soluto e non riesce a sciogliersi

Diffusione: in presenza di una membrana permeabile e di una differenza di concentrazione i soluti si spostano secondo gradiente, ovvero dal posto in cui ce n’è di più a dove ce n’è meno. Il gradiente esiste solo quando c’è una differenza di concentrazione. Con m. permeabile passano sia solvente che soluto.

Osmosi: in presenza di una membrana semipermeabile e di una differenza di concentrazione può passare solo il solvente, ma si sposterà contro gradiente in modo da stabilizzare la concentrazione. (Semi-permeabile)

Polarità delle molecole

La polarità di una molecola è dovuta alla presenza al suo interno di atomi con una diversa elettronegatività; l’atomo con elettronegatività maggiore tenderà ad assumere una parziale carica negativa (-), mentre l’altro una parziale carica positiva. Questo genererà i due poli (il primo negativo, il secondo positivo). Inoltre è molto importante il come si dispongono gli atomi (devono essere presenti due poli ben distinti).

Forze intramolecolari: legano atomi di stesse molecole. Le forze intermolecolari sono abbastanza forti da rompere le forze intramolecolari (es. H₂O con NaCl).

Biologia

Gli esseri viventi sono definiti tali per le seguenti caratteristiche:

• Cellularità
• Codifica: codificano le info del DNA per la loro vita
• Complessità
• Regolazione: necessità-risposta cellulare-attivazione
• Info
• Crescita e differenziazione: delle varie componenti
• Metabolismo
• Energia: es. usare il glucosio per produrre ATP
• Sviluppo
• Irritabilità, sensibilità, motilità: interazioni
• Adattamento
• Riproduzione: vari modi per moltiplicarsi
• Riproduzione
• Evoluzione: ricombinazioni, variazioni, adattamento
• Interazione

L'albero della vita

Gli organismi si possono dividere in due gruppi (ognuno con caratteristiche proprie):

Teoria cellulare

• Tutti gli esseri viventi sono composti da una o più cellule
• In un organismo ci sono reazioni chimiche dentro la cellula
• Le cellule nascono da altre cellule tramite riproduzione
• Nel dividersi, le info ereditarie passano dalla cellula madre alle cellule figlie

Virus

Non sono considerati veri e propri esseri viventi, sono parassiti endocellulari obbligati. Possiedono una zona centrale contenente materiale genetico (DNA o RNA) con intorno un capside proteico (rivestimento), alcuni virus più recenti possiedono un envelope, in cui al suo interno sono presenti proteine che si ancorano alle cellule bersaglio.

Citologia

La citologia si occupa dello studio della cellula e di tutte le strutture e processi presenti al suo interno. La cellula è la struttura più piccola e semplice che si può considerare vivente. Tutti gli organismi sono composti da cellule, ce ne sono milioni differenti, si distinguono per forma, dimensione, metabolismo, funzione e rivestimento. Sono organismi autonomi che crescono, si duplicano, possiedono un metabolismo, rispondono agli stimoli, si adattano e hanno una loro omeostasi. Ci sono alcune differenze tra c. animale e c. vegetale; quella vegetale ha vacuoli più grandi, parete cellulare e cloroplasti. All’interno del corpo umano abbiamo circa:

• Cellule
• Neuroni
• Batteri
• Proteine
• Geni: 20.325

Organizzazione

Cellula → Tessuto → Organo → Apparato → Organismo

Membrana cellulare

Struttura formata da 3 componenti: lipidica, proteica e glucidica.

Lipidica

• Glicerofosfolipidi: formano la sua impalcatura, creano il doppio strato fosfolipidico. Hanno una testa idrofila polare che si lega con l’acqua e una coda idrofoba apolare che entra in contatto con le altre code.
• Sfingolipidi: simili a glicerofosfolipidi, più densi, formano i raft.
• Colesterolo: ha una componente idrofila che si lega alla testa dei fosfolipidi, l’altra parte va alle code e regola la fluidità della membrana, con un innalzamento della temperatura fa in modo che i fosfolipidi non si stacchino. Con temperatura bassa, impedisce alle code di impacchettarsi.

Proteica

Le proteine di membrana svolgono la maggior parte delle funzioni specifiche delle membrane e possono distinguersi in due categorie:

• Estrinseche: associate alla superficie esterna o interna della membrana (no legami covalenti).
• Intrinseche: trattenute nello strato lipidico da interazioni idrofobiche che si muovono nel fluido dello strato. Di questa categoria fanno parte le proteine transmembrana, proteine che attraversano lo strato per intero, hanno proprietà anfipatiche. Le proteine di membrana hanno funzione di pompe (trasporto materiale dentro e fuori), di enzimi (catalizzatori), e associarsi a glucidi per formare le glicoproteine le quali fungono per esempio da recettori per ormoni e farmaci, quindi funzione antigenica. Se un nucleo proteico si unisce tramite legame covalente a delle catene polisaccaridiche si formano i proteoglicani.

Proteine integrali

Che attraversano sia strato idrofobo che strato idrofilo, divise in:

• Monotopiche: associate a entrambe le parti (idrofila e idrofoba), ma che non attraversano completamente la membrana.
• Monopasso: passa solo una volta dalla parte extra alla parte intra.
• Multipasso: passa più volte da parte a parte.

Glucidica

Non ci sono mai glucidi da soli, o ci sono glicolipidi o glicoproteine, e non si trovano mai all’interno della membrana ma sempre sulla parte esterna. Mentre è il contrario nelle membrane intrasolubili.

Glicocalice

Zona di rivestimento cellulare ricca di carboidrati. È formata dalle catene laterali di glicoproteine, glicolipidi, oligosaccaridi e proteoglicani. Ha una funzione di protezione, ha una struttura tale da essere in grado di tener fuori macromolecole e proteggere da perturbazioni meccaniche esterne. Inoltre ha funzioni di:

• Riconoscimento (aiuta il sistema immunitario a riconoscere e attaccare agenti estranei)
• Adesione tra cellule
• Regolazione della crescita
• Controllo della proliferazione

Trasporto

Esocitosi e endocitosi hanno principalmente 4 funzioni:

• Biosegnalazione
• Adesione
• Trasporto: il trasporto di membrana è il passaggio di sostanze attraverso di essa, avviene grazie a:

• Permeabilità relativa della membrana
• Trasportatori: parti mobili in grado di spostare molecole specifiche. Essi sono in grado, tramite una combinazione di trasporto attivo e permeabilità passiva, di creare differenze di concentrazioni ioniche, così facendo le membrane conservano energia potenziale sotto forma di gradienti elettrochimici, che serviranno per spingere processi di trasporto, portare segnali elettrici e produrre ATP. Si legano a un soluto per trasportarlo.
• Canali: formano un poro acquoso idrofilico per il passaggio passivo di ioni piccoli e inorganici e soluti specifici, interagendo con loro in maniera più debole rispetto ai trasportatori.

Il trasporto è diviso in due tipi: passivo e attivo

Trasporto passivo

Passaggio di sostanze da una parte all’altra della membrana senza uso di ATP. Ne esistono tre tipi:

• Diffusione semplice secondo gradiente di soluto
• Diffusione facilitata
• Osmosi: si muove il solvente, contro gradiente di soluto, a favore di solvente

Diffusione semplice: non necessita di proteine canale o di carrier, il passaggio del soluto avviene secondo gradiente e la velocità di passaggio dipende da: differenza di concentrazione, dimensione e lipofilia. È utilizzata da: , , , NO (gas polari), oppure da acqua, urea, etanolo (piccole molecole polari).

Diffusione facilitata: avviene tramite carrier (proteine che legano una molecola e la liberano dentro o fuori) o canali (trasportano ioni come Na, K, H, Cl, Ca, Mg... specifici es. canale del K trasporta K), questi canali sono controllati, non devono funzionare sempre; vengono regolati da ligando, temperatura, potenziale e meccanica.

Osmosi: si muove il solvente (acqua), si tende sempre all’equilibrio. Quindi il gradiente di concentrazione verrà equilibrato dall’acqua che attraversa le acqua porine contro gradiente di soluto ma a favore di suo gradiente.

Trasporto attivo

Energia consumata direttamente per il trasporto molecolare. Può essere:

• Primario: energia viene usata per creare gradiente che poi causerà il trasporto all’interno della membrana
• Secondario

Pompe (proteine)

Trasportano (consumando ATP):

• P. ATPasi: usano il fosfato come energia. Per esempio pompa Na-K
• V. ATPasi: usano ATP per trasportare soluti contro gradiente tramite protoni contro gradiente. Es. Membrana lisosomiale

Trasportatori ABC: utilizzati per importare sostanze nella cellula (importer) ed espellere sostanze dalla cellula (exporter). Un esempio è la membrana mitocondriale interna.

Sinporto

La molecola da trasportare e lo ione co-trasportato sono dallo stesso lato. Avviene tramite trasportatore o carrier.

Antiporto

La molecola e lo ione sono da lati opposti. Avviene tramite trasportatore o carrier.

Pompa sodio-potassio

È un trasporto attivo primario P. ATPasi, quindi ATP dipendente. La sua funzione è quella di trasportare contro gradiente tre ioni Na⁺ verso l’esterno, e due ioni K⁺ verso l’interno sfruttando l’idrolisi dell'ATP.