Chimica, biologia e genetica

Introduzione chimica

Struttura dell'atomo

L'atomo è la più piccola parte di un elemento chimico. È composto da elettroni (e-) che si muovono attorno al nucleo, e da protoni e neutroni (p+) ed (n₀) che si trovano nel nucleo; protoni ed elettroni sono presenti nella stessa quantità. Il numero di protoni dell'atomo è il numero atomico, mentre la somma tra protoni e neutroni è il numero di massa.

Legami chimici

Gli atomi tendono a formare legami per ricercare stabilità, gli elettroni stanziano negli orbitali, l'orbitale più esterno è quello che effettivamente crea legami. Esistono diversi tipi di legame, il primo che analizziamo è il legame covalente alla cui base c’è la condivisione di elettroni in modo tale che entrambi gli atomi di legame abbiano il guscio di valenza pieno; si parla di legame covalente simmetrico se il legame avviene tra due atomi con la stessa elettronegatività, si parla invece di legame covalente asimmetrico se il legame avviene tra due atomi con diversa elettronegatività, esempio di quest’ultimo è il legame tra ossigeno e idrogeno nella molecola d’acqua.

Il legame ionico si forma tra atomi con notevole elettronegatività, comporta la perdita di un elettrone di un atomo a causa della forte elettronegatività dell’altro; un esempio ne è il legame tra Na⁺ e Cl^-. Il risultato di questo legame è uno ione, che può essere sia catione, ione positivo, che anione, ione negativo.

Il legame a idrogeno è un legame intramolecolare, si forma tra atomi di idrogeno con carica positiva e un altro atomo con carica negativa, un esempio è il legame tra le molecole di acqua.

Proprietà della molecola d'acqua

L’acqua è un solvente polare, poiché composta da molecole polari, per questo ha zone a densità di carica positive e zone a densità di carica negative. Ha ottime capacità termiche dato che immagazzina e rilascia calore lentamente, svolge anche la funzione di isolante ghiacciandosi a basse temperature ma permettendo allo stesso tempo la vita al di sotto dello strato di ghiaccio.

Macromolecole organiche

I lipidi

I lipidi sono macromolecole apolari, ovvero insolubili in acqua ma solubili in solventi apolari. Ci sono diversi tipi di lipidi: abbiamo i trigliceridi, gli steroidi, gli acidi grassi e i fosfolipidi.

• I trigliceridi svolgono una funzione di deposito e forniscono energia, sono formati da un glicerolo e tre acidi grassi.
• Gli steroidi sono ormoni che mettono in comunicazione le cellule, un esempio ne è il colesterolo.
• Gli acidi grassi possono essere saturi se nella struttura presentano legami singoli, quindi sono strutturalmente più ordinati e a temperatura ambiente sono solidi tipo il burro.
• Gli acidi grassi sono insaturi se nella struttura presentano legami doppi, quindi sono strutturalmente meno ordinati e a temperatura ambiente sono liquidi tipo l’olio.
• La caratteristica principale dei fosfolipidi è l’essere anfipatici, ovvero hanno sia natura idrofila che idrofoba grazie alla loro struttura; presentano una testa polare, idrofila grazie alla presenza del gruppo fosfato, e delle code apolari, idrofobe grazie alla presenza di acidi grassi.

Glucidi/carboidrati

I glucidi si dividono in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. I monosaccaridi sono le unità più semplici, contengono da tre a sette atomi di carbonio, i più diffusi sono i pentosi alla cui classe appartengono il ribosio e il deossiribosio, la differenza tra i due è che il deossiribosio ha un atomo di ossigeno in meno al carbonio due rispetto al ribosio. I disaccaridi sono formati da due monosaccaridi e i polisaccaridi da più di due monosaccaridi insieme.

Proteine

Le proteine sono macromolecole che svolgono molteplici funzioni come, essere enzimi che catalizzano reazioni, anticorpi, trasportatrici di sostanze come l’emoglobina e regolano il flusso di sostanze attraverso la membrana. Sono costituite da amminoacidi, composti a loro volta da COOH, NH₂ e una catena R che differenzia ogni amminoacido dall’altro (polare, apolare, basico e acido). Gli amminoacidi si legano tramite il legame peptidico che avviene tra il gruppo carbossilico COOH e il gruppo amminico NH₂, nello specifico avviene tra carbonio e azoto.

Le proteine possono assumere una struttura primaria, ovvero la sequenza lineare degli amminoacidi come se fossero un filo di perle; la struttura secondaria che si divide in alfa elica dove troviamo una catena che si avvolge destrorsa lungo un asse, e in foglietto beta pieghettato che si forma grazie ai legami tra COOH e NH₂ i quali avvicinano le sezioni della catena attribuendo questa forma pieghettata alla catena amminoacidica; la struttura terziaria si ha grazie alle interazioni tra le catene laterali, dei tipici legami che si formano sono i ponti disolfuro; infine c’è la struttura quaternaria che non hanno tutte le proteine, è una struttura globulare, un esempio ne è l’emoglobina.

Come abbiamo precedentemente detto, le proteine sono degli enzimi, quindi svolgono un ruolo attivo nelle reazioni. Esistono due tipi di reazioni, le reazioni esoergoniche sono reazioni che liberano energia, l’energia dei prodotti è minore dell’energia dei reagenti, le reazioni endoergoniche sono reazioni che richiedono energia, l’energia dei prodotti è maggiore dell’energia dei reagenti, sono reazioni che avvengono per una questione di necessità, richiedono una grande energia di attivazione e gli enzimi abbassano quest’energia rendendo possibile la reazione.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono DNA ed RNA, le loro unità base sono i nucleotidi. Sono costituiti da uno zucchero pentoso quale ribosio o deossiribosio, una base azotata che sia adenina, timina, citosina o guanina ed un gruppo fosfato. La molecola del DNA è formata da due catene polinucleotidiche unite dai legami con le basi azotate. Le basi azotate possono essere a doppio anello, e sono la guanina e l’adenina; o possono essere a anello singolo, e sono la timina, la citosina e l’uracile.

Struttura e funzione della cellula

La cellula come base dell’organizzazione elementare della vita

La cellula è l’unità fondamentale degli organismi viventi; gli organismi viventi possono essere unicellulari, ovvero organismi in cui non è presente differenziazione cellulare, pluricellulari, ovvero organismi in cui è presente differenziazione cellulare. Gli organismi inoltre si dividono in eucarioti e procarioti, vediamone la struttura cellulare.

Cellula procariotica

La cellula procariota, non ha nucleo ed è tipica della cellula batterica. Sono formate da una membrana plasmatica a doppio strato fosfolipidico e da una parete cellulare, composta da peptidoglicano, che protegge la cellula sia da urti che da lisi osmotica; la parete cellulare può essere indice di patogenicità come per esempio nelle carie.

Grazie alla parete cellulare possiamo attuare una classificazione ulteriore ovvero dividiamo i batteri in gram+ se la parete trattiene i coloranti e gram- se la cellula rilascia il colorante. Possiamo classificare i batteri anche per la loro forma, ad esempio quelli con forma sferica sono cocchi, quelli con forma a bastoncino sono i bacilli tipo l’escherichia coli ecc. Il cromosoma batterico è 1 ed è chiuso a cerchio, per rientrare nello spazio ristretto che è la cellula il DNA si associa a proteine HL, histon like. Sono dotati di flagello per muoversi e si riproducono per scissione, un batterio si divide ogni 20 minuti.

Cellula eucariotica

È formata prima di tutto dal nucleo, ovvero la sede del DNA, il nucleo a sua volta è formato da carioteca, nucleoplasma, nucleoscheletro, nucleolo e cromatina. La carioteca è la membrana di rivestimento del nucleo, è formata da due membrane a doppio strato fosfolipidico separate da uno spazio perinucleare. La membrana interna è sorretta dalla lamina, ovvero uno spesso strato proteico. La membrana esterna si affaccia verso il citoplasma ed è in contatto con il reticolo endoplasmatico rugoso. La caratteristica principale è che presenta dei pori proteici che regolano il passaggio di sostante all’interno del nucleo. I pori hanno una struttura ottagonale, sono costituiti da proteine chiamate nucleoporine, ci sono 8 unità proteiche di questo tipo che formano due anelli ancorati al nucleo; al centro dei due anelli c’è l’intreccio dei legami tra fenilanina e glicina; la rottura di questo legame richiede il consumo di energia. Il nucleolo è la sede dei ribosomi nella quale questi ultimi si formano.