Riassunti esame di fondamenti di biologia

Caratteristiche generali della materia vivente

Introduzione

È bene distinguere ciò che è materia vivente e ciò che costituisce la materia inanimata. Per essere considerata la materia come vivente deve adempiere a 4 caratteristiche:

• Complessità specificamente definita
• Capacità di accrescimento
• Capacità di riprodursi
• Adattamento all'ambiente

Complessità specificamente definita

La materia vivente presenta una complessità estremamente precisa che si ripete in tutti gli individui di una determinata specie (dalla cellula, ai tessuti, agli organismi fino agli individui). L’informazione di questa complessità è contenuta nel DNA (acido desossiribonucleico) che costituisce il genoma di un organismo.

Capacità di accrescimento

Gli esseri viventi aumentano la propria massa prelevando materia ed energia dall'esterno per costruire le molecole che servono al loro accrescimento. Questi processi chimici sono velocizzati dalla presenza di catalizzatori detti enzimi, ovvero proteine.

Capacità di riprodursi

Gli organismi danno origine a nuovi organismi con caratteristiche simili a quelle dei genitori. Un individuo è in grado di estendersi nello spazio con un numero sempre maggiore di individui e nel tempo di generazione in generazione. Prima della riproduzione è necessario che l’informazione genetica venga duplicata e quindi successivamente trasmessa a nuovi individui.

Adattamento all'ambiente

Ogni organismo ha caratteristiche che lo rendono adatto a vivere in un determinato ambiente, ovvero ha caratteristiche specifiche. Lamarck sosteneva che l’ambiente inducesse negli organismi modifiche che venivano poi trasmesse alle generazioni successive, postulando che questi caratteri, definiti caratteri acquisiti, fossero ereditabili e quindi trasmissibili ai figli. Darwin sosteneva che durante il corso delle generazioni si verificassero casualmente delle modifiche nell’informazione genetica, definite mutazioni, che rendevano i discendenti diversi dai genitori per il carattere mutato. Queste mutazioni possono essere definite vantaggiose o svantaggiose nella lotta per la sopravvivenza in un determinato ambiente, ed è l’ambiente stesso a svolgere una selezione naturale. La variabilità genetica oltre che dalle mutazioni è portata avanti anche dalla riproduzione sessuale che permette il mescolamento dei diversi patrimoni genetici, proponendo nuove combinazioni di caratteri.

L'origine della vita

La vita sulla terra è monofiletica, ovvero siamo stati originati da un’unica cellula iniziale. Questa affermazione è spiegata da due fattori:

• I meccanismi biologici che sono alla base della vita sono condivisi da tutti gli organismi
• Sono gli acidi nucleici a trasmettere l’informazione genetica da una generazione all’altra

Come le cellule attuali si sono evolute da un progenitore comune?

Secondo gli studi, si è stimato che la prima cellula ancestrale si originò tra 3,5 e 3,8 miliardi di anni fa; successivamente, grazie a mutazioni del DNA, si sono sviluppati tutti gli altri organismi. Queste mutazioni, che si sviluppano nel DNA al momento della sintesi prima della divisione cellulare, avvengono in maniera casuale e talvolta riescono a modificare le istruzioni genetiche che ne derivano. La lotta per la sopravvivenza favorirà i caratteri vantaggiosi, eliminando quelli svantaggiosi. I caratteri e la selezione sono alla base dell’evoluzione. Le cellule attuali si sono evolute da un progenitore comune.

Come si sono formate le prime molecole organiche?

Gli scienziati ipotizzarono che la vita avesse avuto origine da un “brodo primordiale” costituito da sostanze organiche ed inorganiche sintetizzate a partire dai gas presenti nell'atmosfera primitiva (priva di ossigeno), sfruttando l’energia derivata dalle scariche elettriche. Stanley Miller, negli anni '50, fece una serie di esperimenti in laboratorio colpendo con scariche elettriche una miscela di metano, idrogeno, monossido di carbonio, ammoniaca, solfuro di idrogeno e ottenne acido cianidrico e aldeide formica, che lasciandola accumulare formarono aminoacidi, nucleotidi, zuccheri ed acidi grassi.

La cellula

Nel 1665, il fisico inglese Hooke, osservando con il microscopio costruito da lui stesso, notò delle strisce di sughero costituite da “scatoline” che chiamò cellula, ma in realtà aveva visto le pareti delle cellule e la cellula stessa non era vivente, in quanto costituente il sughero.

Teoria cellulare

La teoria cellulare viene proposta da Schleiden e Schwann nel 1838, in cui:

• L'unità fondamentale della materia vivente è la cellula
• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule
• Virchow scoprì che ogni cellula deriva da un'altra cellula

Riassumendo quindi i quattro punti che descrivono la teoria cellulare:

• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule
• Ogni cellula deriva da un processo di duplicazione di un’altra cellula
• L'informazione genetica è trasmessa da una generazione all'altra
• Le reazioni chimiche che costituiscono il metabolismo avvengono all'interno della cellula

Caratteristiche comuni delle cellule

• Tutte le cellule svolgono le stesse funzioni di base con lo stesso tipo di molecole che partecipano allo stesso tipo di reazioni
• In tutte le cellule i geni sono contenuti in molecole di DNA formato dalla sequenza di quattro monomeri chiamati nucleotidi
• Tutte le cellule hanno una membrana cellulare che separa il caos fuori da una cellula da un alto grado di organizzazione all’interno di essa
• Tutte le cellule contengono DNA come materiale genetico
• Tutte le cellule sono composte dalla stessa chimica di base: carboidrati, proteine, acidi nucleici, grassi, sali minerali e vitamine
• Tutte le cellule regolano il flusso di nutrienti e cataboliti che entrano e lasciano la cellula
• Tutte le cellule si riproducono e sono il risultato della riproduzione
• Tutte le cellule richiedono un supplemento di energia

Differenze fra le cellule

• Alcune cellule sono rivestite da una sottilissima membrana plasmatica, altre con strati esterni di mucillagine, altre ancora con pareti rigide
• Le cellule differiscono per le sostanze chimiche di cui hanno bisogno. L'ossigeno è indispensabile per alcune, per altre è letale; altre cellule necessitano solo di acqua, aria e luce solare, altre esigono complesse molecole prodotte da altre cellule
• Alcune cellule si specializzano talmente tanto da non potersi più riprodurre, questo avviene negli organismi pluricellulari in quanto la riproduzione dell’organismo è delegata a cellule particolari dette gameti
• Le cellule vanno incontro a differenziamento cellulare che porta a una differenziazione sia per forma che per funzione

Cellule procariotiche ed eucariotiche

Organismi monocellulari e pluricellulari

Gli organismi costituiti da un’unica cellula sono detti monocellulari. Una cellula svolge tutte le funzioni necessarie e la divisione cellulare coincide con la moltiplicazione dell’organismo. Gli organismi pluricellulari sono costituiti a partire da poche unità fino a migliaia di miliardi di cellule eucariotiche. Possiamo notare diverse caratteristiche:

• Suddivisione del lavoro fra le cellule che comporta un differenziamento cellulare
• Sono presenti sistemi di comunicazione tra le cellule per il coordinamento delle funzioni
• Gli organismi evoluti attuano la riproduzione sessuata con cellule specializzate: i gameti, cellule uovo e spermatozoo, la cui fusione dà lo zigote

Flusso di materia ed energia nella materia vivente

Per mantenere la propria struttura ed accrescersi, gli organismi prelevano dall’ambiente materie ed energia, che in qualche modo saranno restituite all’ambiente, per cui la materia vivente è costantemente attraversata da un flusso di materia ed energia; la materia vivente è una macchina che funziona ad energia chimica. Le fonti di energia utilizzate dagli organismi viventi sono:

• Energia radiante (luce, UV)
• Energia chimica
• Energia elettrochimica

Organismi fototrofi e chemiotrofi utilizzano:

• Energia luminosa dagli organismi fototrofi (piante, alghe verdi, azzurre ed alcuni batteri)
• Energia chimica contenuta nei composti organici viene utilizzata dagli organismi chemiotrofi

Energia all'interno degli organismi viventi

L'energia sia luminosa che chimica presa dall’ambiente subisce una serie di trasformazioni catalizzate da specifici enzimi che producono ATP (nucleotide!). Questa molecola fornisce energia chimica per tutte le forme di lavoro svolte dalla materia vivente; l’energia viene liberata dalla rottura (idrolisi) dei legami anidridici che uniscono fra di loro i fosfati formando ADP o AMP. Dall’idrolisi di ciascun legame si liberano 7,5 Kcal/mol.

Organismi autotrofi ed eterotrofi

• Autotrofi: sono i produttori, ovvero posseggono il corredo enzimatico necessario per trasformare l’anidride carbonica in composti organici
• Eterotrofi: sono i consumatori, ovvero utilizzano i composti organici prodotti dagli autotrofi per trasformarli nei composti a loro necessari

Gli organismi eterotrofi si distinguono in:

• Consumatori primari (erbivori, mangiano gli autotrofi)
• Consumatori secondari (carnivori, mangiano gli erbivori)
• Consumatori terziari

Organismi aerobi ed anaerobi

• Aerobi utilizzano l’ossigeno come accettore ultimo degli elettroni derivati dalle ossidazioni cellulari, dando origine ad acqua
• Anaerobi utilizzano composti diversi dall’ossigeno come accettore ultimo degli elettroni e possono vivere anche in assenza di ossigeno
• Anaerobi facoltativi

Chimica della materia vivente

Componenti chimici della materia vivente

I componenti chimici della materia vivente sono distinti in:

• Composti inorganici: acqua e sali minerali
• Composti organici: zuccheri, proteine, lipidi ed acidi nucleici

Analizzando una cellula, questi sono i costituenti:

• Acqua (60-80%)
• Proteine (10-20%)
• Lipidi (2-3%)
• Glucidi (1%)
• Sali minerali (1%)
• Piccole quantità di vitamine

L'importanza dell'acqua

L'acqua è il maggior costituente di una cellula vivente, ed è proprio da essa che è partito il processo di evoluzione. Ogni organismo vivente necessita di un elevato grado di idratazione e non può fare a meno di un rifornimento costante di acqua. L’acqua è un solvente costituito da molecole polari legate tra loro da legami intermolecolari definiti legami ad H. I legami a H dipendono dalla temperatura del sistema.

Perché l'acqua è polare?

Nell’acqua troviamo l’O legato a due atomi di H e avente due lone pair. All’interno della molecola si verifica una differenza di carica in quanto l’O è più elettronegativo dell’H quindi attira verso di sé gli elettroni di legame. Gli elettroni ruotano più attorno all’ossigeno che all’idrogeno. Grazie alla presenza di una parziale carica + ad un polo ed una – dall’altro, vi è la possibilità di stabilire legami intermolecolari (ponti a H) tra le varie molecole di acqua. Nel ghiaccio, a 0°C, i legami a H sono stabili, per cui si ha una struttura solida cristallina. Allo stato liquido la molecola forma 3,6 legami H, che continuamente si rompono e si formano, determinando la fluidità dell'acqua e la stabilità come liquido. Se la temperatura di un sistema si alza i legami sono meno stabili, mentre all’abbassarsi della temperatura le molecole hanno un’energia cinetica più bassa. Nella struttura del ghiaccio sono presenti ampi spazi, a parità di volume il ghiaccio possiede un numero di molecole inferiore rispetto all’acqua, il ghiaccio risulta meno denso dell’acqua in quanto i legami si stabilizzano.

Proprietà e funzioni dell'acqua

• Elevato calore specifico: l’acqua si scalda lentamente, mantiene la temperatura e rilascia calore lentamente
• Elevato calore di vaporizzazione: l’evaporazione dell’acqua va a raffreddare, perché per passare allo stato gassoso devo rompere i legami a H e ciò richiede energia
• Potere di solvatazione: l’acqua ha la capacità di scindere le molecole e quindi rendere solubili molecole polari (NaCl)
• Funzione strutturale: quando si rapporta con i lipidi e le proteine che presentano parti idrofile e parti idrofobe
• Svolge la funzione di trasporto di gas disciolti, di sostanze nutritive, di ormoni e sostanze di rifiuto

Tre tipi di composti

• Composti polari: come carboidrati, aminoacidi (costituenti delle proteine) e nucleotidi (costituenti degli acidi nucleici), presentano gruppi accettori e gruppi donatori di legami a H e sono quindi solubili in acqua
• Composti apolari: sono i composti che non sono in grado di formare legami a H e quindi non sono solubili in acqua, come i lipidi semplici e l’ossigeno (O₂)
• Composti anfipatici: sono le molecole che presentano una porzione polare (idrofila) e una porzione apolare (idrofoba). Queste molecole in acqua tendono ad organizzarsi in strutture ben definite come micelle, monolayer e bilayer

Dissociazione dell'acqua

L’acqua può dissociarsi in protoni H⁺ e idrossido OH^-, due specie molto reattive. I composti acidi se sciolti in acqua liberano protoni e danno ioni carichi negativamente, mentre i composti basici acquistano protoni dando origine a ioni carichi positivamente. Queste dissociazioni portano a variazioni di pH che va ad influenzare la dissociazione di alcuni composti e quindi la loro carica elettrica e le interazioni con altre molecole. Per riuscire a mantenere costante il pH si usano dei sistemi tampone.

Acidificazione degli oceani

Una parte di CO₂ atmosferica si scioglie negli oceani, dove reagisce con l’acqua per dare vita all’acido carbonico (H₂CO₃). L’acido carbonico si dissocia nuovamente in H⁺ e ioni bicarbonato (HCO₃^-). Gli ioni H⁺ vanno a reagire con gli ioni carbonato (CO₃^2-), presenti nell’ambiente marino, dando origine a ioni bicarbonato (HCO₃^-). Questa reazione però sottrae ioni carbonato CO₃^2- che l’ambiente marino utilizza per i processi di calcificazione degli scheletri degli organismi tramite reazioni con il Ca²⁺ per ottenere carbonato di calcio. L’acidificazione è un processo altamente negativo.

I composti organici: i composti del carbonio

Oltre all’acqua, la massima parte della materia vivente è costituita da composti del carbonio. Il carbonio è in grado di dare vita a grandi, complesse e differenti molecole come: proteine, acidi nucleici e carboidrati. I composti contenenti carbonio sono detti organici e il loro studio è detto chimica organica.

• Il carbonio può formare legami covalenti molto forti e dare origine a molecole solubili
• I suoi atomi possono formare quattro legami e formare legami: semplici, doppi e tripli dando origine a catene lineari, ramificate o ad anello

La variabilità degli scheletri carboniosi è alla base della complessità e della diversità molecolare della materia vivente.

Idrocarburi

I composti organici più semplici sono gli idrocarburi costituiti soltanto da C e H. Essi sono apolari, quindi incapaci di formare legami a H con l’acqua, perciò insolubili. Gli idrocarburi vengono distinti in:

• Saturi: se contengono solo legami semplici
• Insaturi: se contengono anche doppi e tripli legami, ovvero se non hanno il numero massimo di H che potrebbero legare

Gli atomi di C si combinano con altri atomi aventi elettronegatività diverse (H, N, N e S) formano gruppi funzionali con proprietà e reattività diverse.

I composti del carbonio: costituenti della materia vivente

• Glucidi
• Lipidi
• Proteine
• Acidi nucleici

Questi composti sono presenti come macromolecole, costituite da monomeri legati tra loro da legami covalenti. L’insieme di più monomeri formano i polimeri tramite reazione di polimerizzazione. I polimeri si suddividono in:

• Omopolimeri: costituiti da monomeri tutti uguali (glicogeno)
• Eteropolimeri: costituiti da monomeri diversi (proteine ed acidi nucleici)

I glucidi

I glucidi sono anche definiti carboidrati o zuccheri. Sono i composti che nella loro molecola contengono, oltre ai gruppi alcolici (OH), anche un gruppo aldeidico o uno chetonico. Gli zuccheri hanno due funzioni principali:

• Sono una fonte di energia
• Hanno funzione di sostegno

I glucidi si distinguono in:

• Monosaccaridi; costituiti da 3 a 7 atomi di carbonio
• Oligosaccaridi; costituiti da 2 a 10 monosaccaridi
• Polisaccaridi; polimeri prodotti dall'aggregazione di più di dieci molecole di monosaccaridi

Monosaccaridi

• Sono costituiti da 3 a 7 atomi di carbonio (triosi, pentosi, esosi)
• Aldosi e chetosi (gruppo aldeidico o chetonico)
• Sono solubili in acqua
• I monosaccaridi con più di 4 atomi di carbonio assumono una forma circolare

Il glucosio ha una forma piranosoica, ovvero è un anello a 6 atomi. Il ribosio ha una forma furanosoica, ovvero è un anello a 5 atomi.

Emiacetilazione del glucosio: forme isomeriche

L’emiacetilazione è una reazione che porta alla chiusura dell’anello, ed alla trasformazione del carbonio 1 in un atomo asimmetrico. I gruppi H e OH ad esso legato possono essere disposti in due conformazioni diverse, indicate come α (-OH in basso) e β (-OH in alto).

Rappresentazione del glucosio in forma piranosica