Genetica e biologia

Strutture cellulari e funzioni metaboliche

- Ciglia e flagelli: molte cellule eucariotiche presentano ciglia e flagelli, che utilizzano per muoversi nell'ambiente circostante. Entrambi derivano dal montaggio di speciali microtubuli e hanno un'identica struttura interna, anche se sono diversi per lunghezza (le ciglia sono proiezioni relativamente corte, mentre i flagelli sono proiezioni lunghe). Il movimento deriva dallo scorrimento l'una sull'altra delle doppiette di microtubuli.

- I lisosomi e i perossisomi: i primi sono vescicole contenenti enzimi digestivi; i secondi sono vescicole che svolgono funzioni metaboliche (es. smaltimento tossine).

- I vacuoli: sono vescicole rivestite da membrana e sono presenti nelle piante, foglie e alghe. Accumulano materiali, sostanze di scarto e acqua e mantengono la pressione idrostatica.

Il metabolismo è l'insieme dei processi chimici che avvengono in un organismo vivente. In ogni cellula di un organismo avvengono ogni secondo milioni di reazioni metaboliche.

Sono distinte in anabolismo e catabolismo. L'anabolismo (fase di costruzione) è l'insieme delle reazioni che a partire da molecole semplici formano molecole complesse. Le reazioni anaboliche sono, cioè, richiedono energia per avvenire. Sono inoltre responsabili della costruzione dell'organismo, ossia della formazione delle strutture che compongono le cellule e i tessuti. Il catabolismo (fase di demolizione) comprende l'insieme di reazioni che determinano la degradazione di molecole complesse, con liberazione di molecole più semplici. Le reazioni cataboliche sono, cioè, liberano energia. Esempi di questo tipo di reazioni sono la respirazione cellulare e la glicolisi. L'energia è la capacità di produrre lavoro. Gli organismi richiedono energia per funzioni quali movimento, trasporto attivo dei nutrienti nella cellula, biosintesi delle macromolecole, ecc. Forme di energia: - Potenziale: risiede nei legami

chimici di carboidrati, lipidi, proteine, ATP

Cinetica: energia del movimento (motilità, trasporto attivo, biosintesi macromolecole)

Energia "libera": quantità di energia disponibile durante una reazione chimica per compiere un lavoro cellulare.

• Energia libera dei reattivi > energia libera del prodotto finale (reazione esoergonica).
• Energia libera dei reattivi < energia libera del prodotto finale (reazione endoergonica).

L'ATP (adenosintrifosfato):

L'ATP rappresenta la più importante riserva di energia della cellula. L'energia accumulata nella molecola di ATP viene liberata mediante riconversione dell'ATP in ADP per mezzo dell'enzima adenosintrifosfatasi (ATPASI) che è utilizzata per tutte le attività funzionali. I processi di utilizzazione dell'energia si verificano nello ialoplasma (citosol) e in tutte le unità funzionali che consumano energia: i ribosomi (sintesi proteica), la membrana

plasmatica (trasporto attivo ed endocitosi), il reticolo endoplasmatico e l'apparato del golgi (processi di sintesi e di trasporto).

Costituzione materia vivente

La materia vivente è costituita da composti organici ed inorganici.

I composti inorganici sono l'acqua, i macrocostituenti e i microcostituenti.

Macrocostituenti:

Sono il carbonio (C), l'idrogeno (H), l'ossigeno (O), l'azoto (N) -----> costituiscono al 96% le molecole organiche. Quest'ultime sono costituite per una minima percentuale (4%) anche da:

• calcio (Ca) ---> si trova nel tessuto osseo e nel sangue ed è importantissimo nella contrazione muscolare.
• fosforo (P) ---> si trova nel tessuto osseo e nervoso, nel fegato, nei muscoli e nel sangue e serve principalmente a mantenere la struttura delle ossa.
• potassio (K) e sodio (Na) ---> presenti sempre in forma ionica il K+ all'interno della cellula e il Na+ all'esterno della cellula. Sono i principali elementi

che all'interno del nostro organismo permettono la trasmissione dell'impulso nervoso. Microcostituenti: Formano enzimi, vitamine ed ormoni che catalizzano e regolano i processi metabolici. - ferro (Fe) --> si trova all'interno dell'emoglobina ed è lo ione che permette il trasporto d'ossigeno. - rame (Cu) --> si trova negli enzimi. - zinco (Zn) --> si trova negli enzimi. - manganese (Mn) --> si trova nelle ossa e nel fegato. - iodio (I) --> si trova negli ormoni. Composti inorganici: Le sostanze inorganiche costituiscono la maggior parte degli esseri viventi. L'acqua da sola rappresenta circa il 70% del peso dei tessuti animali, nell'uomo adulto è pari circa al 65%. All'interno dell'organismo l'acqua si suddivide in due comparti, quello intracellulare e quello extracellulare. Quest'ultimo è suddiviso in varie quote: - acqua interstiziale - acqua del sangue - acqua del tubo digerentedell'acqua da un composto all'altro è regolato dalla permeabilità delle membrane cellulari. Composti che possono legarsi alle molecole d'acqua: composti ionici ➔ composti polari ➔ composti anfipatici (in parte) ➔ Composti organici: Sono i composti derivanti dal carbonio, possono essere ternari e quaternari. Composti ternari: glucidi e lipidi (costituiti da C, H e O. es. C6H1206). ❖ Composti quaternari: aminoacidi --> proteine ❖ nucleotidi --> acidi nucleici (costituiti da C, H, O e N) La fotosintesi clorofilliana: La fotosintesi è un processo biochimico mediante il quale gli organismi autotrofi producono sostanze organiche (principalmente carboidrati) sfruttando la luce solare. 6CO2 + 12H2O --> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O A livello chimico, si tratta di un processo ossidoriduttivo nel quale il carbonio del CO2 si riduce e l'ossigeno dell'acqua si ossida. Esistono due tipi di fotosintesi: Fotosintesi ossigenica: è la via metabolica piùluminosa avvengono nel stroma e non dipendono direttamente dalla luce solare. Durante le reazioni della fase luminosa, la luce solare viene assorbita dalla clorofilla presente nei tilacoidi. Questa energia luminosa viene utilizzata per convertire l'acqua (H2O) in ossigeno (O2) e per produrre ATP (adenosina trifosfato) e NADPH (nicotinamide adenina dinucleotide fosfato ridotto), che sono molecole energetiche utilizzate nella fase successiva. Le reazioni della fase oscura, o ciclo di Calvin, avvengono nel stroma. Durante queste reazioni, l'ATP e il NADPH prodotti nella fase luminosa vengono utilizzati per convertire il biossido di carbonio (CO2) in zuccheri come il glucosio. Questi zuccheri possono essere utilizzati come fonte di energia per la pianta o possono essere convertiti in altre molecole come l'amido per essere immagazzinati. In sintesi, la fotosintesi è un processo vitale per le piante che consente loro di convertire l'energia solare in energia chimica utilizzabile e di produrre ossigeno come sottoprodotto.oscura invece, avvengono nello stroma e non coinvolgono direttamente la luce.

Fase luminosa > si produce ATP e coenzimi ridotti NADH

Sulla base dei tilacoidi sono presenti dei complessi proteici: il fotosistema I e il fotosistema II, che captano la luce solare e producono molecole di ATP.

La fase luminosa inizia quando l'energia luminosa colpisce il fotosistema II. Attorno ad ogni sistema ci sono molecole di clorofilla e altri pigmenti, definiti carotenoidi, che costituiscono il "complesso antenna".

Le molecole di clorofilla captano l'energia luminosa e la trasmettono al centro di reazione del fotosistema: qui l'energia eccita la clorofilla, che in questo modo perde degli elettroni, che vengono recuperati poi con l'ossidazione di una molecola d'acqua: si forma così l'ossigeno molecolare O2.

In seguito, vari trasportatori trasferiscono gli elettroni liberati al fotosistema I, dove il procedimento è simile a quello del fotosistema.

II; infatti, dopo lo spostamento degli elettroni, la carica elettrica formatasi nel fotosistema I va ad eccitare gli elettroni di clorofilla che vengono però in questo caso catturati dal trasportatore mobile ferredossina. La ferredossina trasferisce gli elettroni a un enzima associato al fotosistema I, che riduce il NADP+ in NADPH. A questo punto i protoni accumulati nel tilacoide vengono fatti uscire tramite l'ATP sintasi, il quale sfrutta tale passaggio di protoni per produrre molecole di ATP a partire da ADP+P.

Fase oscura > il CO2 prelevato dall'atmosfera viene trasformato in glucosio con l'impiego delle molecole prodotte nella fase luminosa. Le reazioni della fase oscura consistono nel ciclo di Calvin-Benson (fase di fissazione, fase di riduzione e fase di rigenerazione). La via metabolica è ciclica in quanto inizia con una molecola di ribulosio 1,5-bisfosfato che si rigenera alla fine del processo.

Fase di fissazione: una molecola di CO2 reagisce con

Una molecola di ribulosio ➔ 1,5-bisfosfato, rilasciando due molecole di 3-fosfoglicerato. La reazione è catalizzata dall'enzima RuBisCO, la proteina più importante sulla terra perché fornisce molecole di carbonio organico per tutti gli esseri viventi.

Fase di riduzione: il 3-fosfoglicerato viene ulteriormente fosforilato e poi ridotto a gliceraldeide 3-fosfato.

A questo punto la gliceraldeide 3-fosfato può seguire due vie metaboliche distinte: la maggior parte delle molecole entra nella fase di rigenerazione in cui viene prodotto ribulosio 1,5-bisfosfato, in modo tale da chiudere il ciclo.

Una quota minore viene utilizzata invece in altre reazioni per la produzione di molecole che hanno funzioni strutturali, energetiche o di riserva, che sono composti che saranno poi sfruttati dalla pianta per crescere.

Sono necessari 6 cicli di reazioni per ottenere 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato (3 atomi di carbonio), che si combinano per dare 1 molecola di...

glucosio (6 atomi di carbonio).

Il concetto definito dal dogma centrale è che il DNA, che ha la proprietà di duplicarsi, viene copiato come RNA (trascrizione) e che tale molecola intermedia (in particolare l'RNA messaggero) viene letta per sintetizzare le proteine (traduzione).

Tale meccanismo fa sì che una sequenza di 4 lettere (A,G,C,T) contenuta nei nucleotidi del DNA e, in seguito, del RNA, venga trasformata in una sequenza di 20 parole (amminoacidi) che combinandosi permettono la formazione di una proteina.

Nella cellula eucariotica la duplicazione e la trascrizione avvengono nel nucleo, mentre la traduzione avviene nel citoplasma (ribosomi).

La duplicazione del DNA avviene nel nucleo.

La duplicazione del DNA assicura l'ereditarietà dei caratteri. Essa si verifica durante la fase S del ciclo cellulare.