Biologia Animale - Appunti

I COMPONENTI CHIMICI DELLE CELLULE

- La materia è tutto ciò che ha una massa e occupa uno spazio. È costituita da combinazioni di

elementi, sostanze pure inconvertibili e indivisibili, e si presentano nella loro forma più ridotta

come atomi, particelle che ne preservano comunque le proprietà chimiche, capaci di

aggregarsi a formare molecole.

- Un atomo presenta un nucleo positivo denso di protoni (+) e neutroni, circondato da una

nuvola negativa di elettroni (-). Il numero dei protoni costituisce il numero atomico Z e, poiché

un atomo intero è neutro, esso corrisponde anche al numero di elettroni, cosicché, per

definizione, ne rappresenta le caratteristiche chimiche. Un elemento può avere varie forme

isotopiche, presentando atomi che differiscono per il numero di neutroni e quindi fisicamente. La

massa atomica A è data dalla somma di protoni e neutroni e si esprime in uma. Il numero di

Avogadro 6x10^23 è il fattore di scala che descrive la relazione fra le quantità di ogni giorno e

quelle particellari; una mole di sostanza è quindi pari a 6x10^23 particelle di quella sostanza.

- Gli atomi si legano fra loro sfruttando l’interattività dei loro elettroni, i cui stati di moto sono

regolati da specifiche leggi; queste definiscono anche l’esistenza di gusci attorno al nucleo,

ciascuno ospitante un numero di elettroni definito dalla formula e=2n^2. Gli atomi

interagiscono col fine di riempire il proprio guscio più esterno e stabilizzarsi raggiungendo

l’ottetto, pari a 8 elettroni o a 2 per H ed He: per farlo instaurano dei legami chimici, che

possono essere ionici (cessione/acquisizione di elettroni) o covalenti (comunione); in

quest’ultimo caso, a seconda che uno dei due sia più o ugualmente elettronegativo, si parla di

legame polare o non polare. Un atomo che perde o acquisisce elettroni diventa uno ione,

rispettivamente positivo (catione) o negativo (anione). Un legame ionico è una forza

elettrostatica fra ioni di carica opposta, mentre una molecola è un aggregato di atomi legati

covalentemente. Caratteristiche di questi legami sono la lunghezza e la forza, proprietà

inversamente proporzionali; la rottura di queste unioni avviene grazie agli enzimi. In acqua i

legami covalenti risultano più forti.

- In ogni molecola d’acqua H2O si formano due legami polari in quanto O è più elettronegativo di

H. La regione negativa dei due idrogeni si lega quindi debolmente a quella positiva di un’altra

molecola d’acqua, mediante un legame detto a idrogeno, in virtù del quale l’acqua si trova allo

stato liquido a temperatura ambiente. Tutte le sostanze solubili in acqua sono dette idrofile,

quelle che non lo sono idrofobe.

- Sciogliendo in acqua una molecola polare l’idrogeno si riduce a un protone H+ e tende ad

associarsi all’ossigeno più vicino, dando origine a uno ione idronio H3O+. Le sostanze che

liberano protoni per dare idronio sono dette acide: maggiore è la concentrazione di H3O+ e

maggiore sarà l’acidità della soluzione. Tale concentrazione si esprime usando la scala

logaritmica del pH, comprensiva di 14 livelli, per la quale si parte dal presupposto che il pH

dell’acqua pura sia 7 e quindi neutro, e che una soluzione sia acida con pH<7 e basica con

pH>7. Gli acidi possono essere forti o deboli a seconda della velocità con la quale si liberano

dei propri protoni. L’opposto di un acido è una base, capace di accettare H+ per innalzare la

concentrazione di ioni ossidrile OH- e anch’essa definibile come forte o debole. Idroni e

ossidrili sono in relazione in quanto all’innalzarsi di uno si assiste all’abbassamento dell’altro.

- A parte l’acqua tutte le molecole cellulari contengono carbonio, elemento con eccezionali

capacità di legame, e sono per questo definite organiche. Si è notato che nelle molecole così

formate sono frequenti specifici gruppi di atomi, noti come metile, ossidrile, carbossile, fosfato,

carbonile e amminico. Miscele di gas come CO2, CH4, NH3 e H2, riscaldate con acqua o

eccitate con scariche elettriche o radiazioni ultraviolette reagiscono dando luogo a piccole

molecole organiche semplici. Alcune di esse, come amminoacidi e nucleotidi, sono in grado di

associarsi in grandi polimeri. Una volta formato ogni polimero può influenzare la formazione

degli altri fungendo da stampo, in un processo normalmente catalizzato da enzimi.

Le molecole organiche si distinguono in quattro famiglie:

1. ZUCCHERI: esistono nella loro forma più semplice come monosaccaridi, composti con

formula generale (CH2O)n detti anche carboidrati. La formula non basta a definire lo

zucchero, in quanto una diversa orientazione degli stessi atomi ne definisce di diversi, e

ciascuno può avere forma D o L, speculari fra loro. Gruppi di molecole aventi la stessa formula

sono detto isomeri; se anche speculari si parla di isomeri ottici. I monosaccaridi si uniscono

mediante legami covalenti, detti glicosidici, a formare disaccaridi, oligosaccaridi e

polisaccaridi. Con una reazione di condensazione si forma un legame fra i gruppi OH di due

zuccheri diversi con conseguente liberazione di una molecola d’acqua; un legame così fatto si

spezza per idrolisi, processo che prevede il consumo di una molecola d’acqua. Gli zuccheri

hanno principalmente funzione energetica e il monosaccaride fondamentale in tal senso è il

glucosio, demolito in molecole più piccole per produrre energia e conservato come amido nelle

piante e glicogeno negli animali. Alcuni zuccheri hanno poi funzione meccanica, come cellulosa

e chitina, e altri ancora si uniscono a lipidi e proteine per dare rispettivamente glicolipidi e

glicoproteine, componenti fondamentali delle membrane cellulari.

2. ACIDI GRASSI: ciascuno è costituito da una lunga catena idrocarburica idrofoba, formata a

sua volta dall’alternanza di atomi di idrogeno e carbonio, e da un gruppo carbossilico idrofilo,

fornendo un esempio di molecola antipatica. La coda può essere satura, se contiene il massimo

numero possibile di idrogeni ed è priva di doppi legami o, viceversa, insatura. Gli acidi grassi

sono presenti nelle membrane cellulari e all’interno delle cellule come scorte di cibo

concentrato, per esempio sotto forma di triacilgliceroli. Questi sono esempi di lipidi, molecole

biologiche insolubili in acqua contenenti lunghe catene idrocarburiche, come gli isopreni, o

costituite da anelli aromatici concatenati come nel caso degli steroidi. La funzione principale

degli acidi grassi rimane però quella strutturale, in quanto essi partecipano alla costituzione dei

fosfolipidi delle membrane, fondamentali grazie alla loro natura antipatica che permette la

costituzione del doppio strato.

3. AMMINOACIDI: molecole costituite da un gruppo carbossilico e uno amminico legati allo

stesso carbonio, detto alfa, distinguibili per la catena laterale, anch’essa legata all’alfa e

caratteristica per ciascuno dei 20 amminoacidi noti. Essi si uniscono testa-coda mediante

legami covalenti, detti peptidici e instauratisi per condensazione, a formare le proteine. Tutti

gli amminoacidi, a eccezione della glicina, si trovano nelle due forme speculari D ed L, ma solo

le seconde sono ritrovabili nelle proteine. Cinque dei venti hanno proprietà elettriche.

4. NUCLEOTIDI: un nucleoside è una molecola formata da un composto con anello azotato e

uno zucchero a 5 carboni, il quale può essere ribosio o deossiribosio. Se dotato di uno o più

gruppi fosfati legati allo zucchero si parla di nucleotide, noto come ribonucleotide o

deossiribonucleotide a seconda dello zucchero presente. Gli anelli azotati sono detti basi, in

quanto capaci di legare un protone e aumentare la concentrazione di ossidrili, e si distinguono

in pirimidine (citosina, timina e uracile, derivanti dall’omonimo zucchero a sei membri) e

purine (guanina e adenina, costituite da uno zucchero a cinque membri legato a uno di sei). I

nucleotidi possono fungere da vettori temporanei di energia, come il ribonucleotide ATP formato

da tre gruppi fosfati legati da altrettanti legami fosfoanidridici, che la momento della rottura

liberano appunto energia. Il ruolo fondamentale dei nucleotidi è comunque quello di costituire gli

acidi nucleici, polimeri le cui unità sono legate covalentemente da legami fosfodiestere fra il

gruppo fosfato attaccato allo zucchero di un nucleotide e il gruppo ossidrile del successivo. Si

conoscono due acidi nucleici, diversificati dallo zucchero: l’acido ribonucleico (RNA),

contenente le basi A, G, C e U, e l’acido deossiribonucleico (DNA), contenente U in luogo di T. Il

primo si presenta come una catena polinucleotidica a singolo filamento e il secondo come una

molecola a doppio filamento con catene antiparallele, stabilizzate e spiralizzate dai legami a

idrogeno presenti fra basi opposte. La sequenza lineare dei nucleotidi codifica l’informazione

genetica, conservata permanentemente nel DNA e solo temporaneamente nell’RNA. Il preciso

appaiamento delle basi è G-C e A-T o A-U.

- Le macromolecole sono polimeri costituiti da subunità monometriche, legate covalentemente

in seguito a reazioni di condensazione e suscettibili di rottura per idrolisi.

ENERGIA, CATALISI E BIOSINTESI

- L’energia necessaria agli organismi viventi deriva dalla materia non vivente e, in ultimissima

analisi, dal sole. Le reazioni avvengono a velocità accettabili soltanto grazie all’azione di

enzimi, capaci di catalizzarle con specificità. Gruppi di catalisi concatenate costituiscono le vie

metaboliche, che possono seguire le vie cataboliche, di demolizione delle sostanze nutritive,

o quelle anaboliche, di consumo dell’energia ottenuta durante il catabolismo al fine di sintesi.

- Le cellule generano ordine, trasformando l’energia esterna in energia di legame, mentre la

tendenza universale è invece verso il disordine ed è espressa dalla seconda legge della

termodinamica. La cellula non va contro tale principio, come potrebbe sembrare, in quanto

non è un sistema isolato.

- I carnivori ottengono energia mangiando altri animali, i quali ne hanno allora volta assunto

consumando viventi fotosintetici, come le piante, le quali si alimentano grazie alla fotosintesi. La

fotosintesi si articola in due fasi: nella prima la luce viene catturata e immagazzinata

provvisoriamente come energia di legame nelle molecole di clorofilla, con liberazione di

ossigeno gassoso quale prodotto di scarto della scissione dell’acqua a opera della luce; nella

seconda si assiste invece alla fissazione del carbonio e alla produzione di zuccheri a partire da

biossido di carbonio e acqua. Gli zuccheri vengono quindi usati sia come energia di legame che

come materiale. Per convertire quest’energia chimica in una forma utilizzabile gli organismi

portano avanti un processo di ossidazione grad