Riassunto esame biologia

Organismi viventi e struttura atomica

Gli organismi viventi sono complessi ed estremamente ordinati. Organismi → molecole → atomi. L'atomo è la più piccola porzione di un elemento che mantiene tutte le proprietà chimiche di quell'elemento. Esistono innumerevoli particelle subatomiche, tra le quali protoni (+), elettroni (-) e neutroni ( ).

Struttura atomica

L'atomo è rappresentato come un nucleo attorno al quale ruotano gli elettroni, che sono carichi negativamente; nel nucleo si trovano i protoni, che hanno una carica positiva e sono di egual numero rispetto agli elettroni, quindi l'atomo è neutro, perché le cariche dei protoni si bilanciano con le cariche degli elettroni. I neutroni sono particelle subatomiche che non hanno carica. Intorno al nucleo si trovano gli orbitali, che rappresentano l'area in cui è più possibile trovare l'elettrone.

L'orbitale più vicino al nucleo è di tipo s ed è di tipo sferico. Gli orbitali di tipo p sono bilobati, sono di tre tipi e si orientano nelle tre dimensioni dello spazio (px, py e pz). Un orbitale può contenere massimo due elettroni: questi elettroni possono coesistere nello stesso orbitale se hanno uno spin anti-parallelo, cioè ruotano in sensi opposti. L'orbitale di tipo s (1s, 2s, 3s, ecc.) può contenere al massimo 2 elettroni, l'orbitale di tipo p (2px, 2py, 2pz) può contenere al massimo 6 elettroni.

Elementi chimici e molecole

Gli elementi sulla tavola periodica sono ordinati, ad esempio secondo il numero atomico, che è il numero di protoni presenti nel nucleo, secondo le loro caratteristiche chimico-fisiche. Atomi uguali o differenti combinandosi danno origine alle molecole. O+O → O₂; 2H+O → H₂O

Legami chimici

Gli atomi di una molecola sono tenuti insieme da forze attrattive chiamate legami chimici. I due principali tipi di legami chimici sono il legame covalente e il legame ionico.

• Il legame covalente è un legame molto forte e si instaura tra due atomi attraverso la messa in comune di elettroni.
• Nel legame ionico, invece, un atomo cede l'elettrone e l'altro lo acquista. Nell'atomo che cede l'elettrone, prevale il numero di protoni e quindi si carica positivamente; nell'altro atomo, che acquista l'elettrone, prevale il numero di elettroni e si carica negativamente → positivo e negativo si attraggono. Il legame ionico è un legame più debole, infatti per rompere un legame covalente è necessaria una grande quantità di energia, rispetto a quella necessaria per rompere un legame ionico.

Reazioni chimiche e proprietà dell'acqua

Ogni atomo ha la tendenza a completare l'ottetto, che vuol dire completare lo strato più esterno oppure svuotarlo. Un atomo con 7 atomi nello strato esterno tende ad acquistare un elettrone e un atomo con 3 elettroni tende a cedere un elettrone (tra questi due atomi si forma un legame ionico).

Reazioni redox

La reazione di ossido riduzione è una reazione tra un ossidante e un riducente. Molte reazioni che avvengono in una cellula implicano il trasferimento di elettroni da un composto ad un altro e insieme agli elettroni si trasferisce anche l'energia ad essi associata. Questo tipo di reazioni sono definite ossido-riduzioni o reazioni redox. L'ossidante riceve elettroni dal riducente e si riduce; il riducente cede elettroni all'ossidante e si ossida → si libera energia.

Proprietà dell'acqua

Nella molecola di acqua tra idrogeno e ossigeno si forma un legame covalente polare; questo rende la molecola d'acqua un dipolo conferendo all'acqua particolari proprietà. Alcuni atomi hanno una capacità maggiore di attrarre su di sé gli elettroni di legame → elettronegatività: l'ossigeno è uno di questi, quindi in una molecola d'acqua le nuvole elettroniche sono spostate più verso l'ossigeno e questo fa sì che l'ossigeno sia parzialmente negativo e di conseguenza i rispettivi idrogeno diventano parzialmente positivi. Positivo e negativo si attraggono, quindi tante molecole d'acqua si attraggono tra di loro e formano interazioni che si chiamano ponte a idrogeno → gli idrogeno di una molecola d'acqua avranno la tendenza ad attrarre l'ossigeno di un'altra molecola d'acqua, adiacente. Questo conferisce alla molecola caratteristiche chimico-fisiche particolari. Le due semieliche del DNA sono unite tra loro dai ponti a idrogeno.

Proprietà del pH

L'acqua è il solvente in cui tutte le sostanze polari si sciolgono. Una molecola d'acqua ha una bassissima tendenza a dissociarsi in ioni H⁺ e ioni OH^-, ma quel piccolo numero di molecole che si dissocia dà luogo ad un eguale concentrazione di H⁺ e OH^-. In chimica si usa una scala arbitraria (pH) che dà la misura della concentrazione idrogenionica di una soluzione sciolta in acqua. La scala va da 0 a 14:

• Se un composto che si scioglie in acqua provoca l'aumento degli ioni OH^-, il valore si sposta verso il 14 e quindi la soluzione diventa basica (7-14= basico);
• Se aumenta la concentrazione degli H⁺, il valore si sposta verso lo zero e la soluzione diventa acida (0-7= acido);
• La concentrazione degli OH^- uguale alla concentrazione degli H⁺ → valore 7= neutro.

Chimica organica

La chimica organica si occupa dei composti organici, chiamati così perché un tempo si riteneva potessero essere prodotti solo dagli organismi viventi e sono costituiti da catene di atomi di carbonio mantenuti insieme da legami covalenti. La chimica organica è la chimica del carbonio. Il carbonio può formare 4 legami. La chimica organica prevede la presenza di numerose famiglie che hanno in comune la struttura carboniosa, mentre differiscono per il gruppo funzionale:

• R – OH → alcoli
• R – COH → aldeidi
• R – CO – R → chetoni
• R – COOH → acidi carbossilici
• R – NH₂ → ammine

Molecole biologiche fondamentali

I quattro atomi fondamentali che costituiscono gli organismi viventi sono: carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Dall'unione di questi 4 atomi fondamentali, si formano 4 famiglie di molecole fondamentali per gli organismi viventi: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici.

Proteine

Le proteine → enzimi, proteine strutturali, proteine carrier, ormoni e anticorpi. Noi siamo fatti di proteine e dall'azione di queste proteine. Le proteine sono dei polimeri costituiti da aminoacidi. Gli aminoacidi possiedono due gruppi funzionali: il gruppo carbossilico e il gruppo amminico. Gli aminoacidi utilizzati dagli organismi viventi per costituire le proteine sono 20 e presentano una porzione comune, (contenente un gruppo amminico NH₂ e un gruppo carbossilico COOH), alla quale sono uniti diversi radicali, ciascuno specifico di un dato aminoacido.

Gli aminoacidi si dividono in:

• Aminoacidi apolari
• Aminoacidi polari (che hanno una carica elettrica)
• Aminoacidi ionizzabili, suddivisi a loro volta in:
  • Aminoacidi basici (contenenti nel loro radiale un gruppo che dà origine ad un catione)
  • Aminoacidi acidi (contenenti nel radicale un gruppo carbossilico che, ionizzandosi, da origine ad un anione)

Struttura e funzioni delle proteine

La denaturazione della proteina consiste nel modificare la sua forma; quando la proteina cambia la sua forma non funziona più, ma ha la possibilità di riproporsi nella forma funzionante, attraverso la rinaturazione delle proteine. La forma definitiva che assume è importante per la sua funzionalità; ci sono 4 tipi di struttura.

La struttura primaria → è determinata dalla sequenza degli aminoacidi. Gli aminoacidi si tengono insieme attraverso il legame peptidico.

La struttura secondaria → la proteina si può ripiegare su se stessa assumendo due forme specifiche: alfa elica e beta foglietto ripiegato.

• Nell'alfa elica la catena polipeptidica si avvolge a spirale su se stessa, in senso antiorario; i piani dei legami peptidici sono disposti parallelamente all'asse dell'elica. Quando compare una prolina, l'alfa elica si interrompe e la catena cambia direzione. La struttura secondaria è determinata dai legami a idrogeno che si instaurano tra aminoacidi che sono distanti tra loro, che non sono adiacenti.
• Nella struttura beta foglietto ripiegato la catena ha un andamento a zig-zag. Diversi segmenti di catena si dispongono parallelamente gli uni agli altri, formando legami a idrogeno tra segmenti diversi; si viene a formare così una specie di foglietto ondulato, al di sotto e al di sopra del quale sporgono i radicali degli aminoacidi.

La struttura terziaria → è una struttura tridimensionale. E' il risultato della successione apparentemente disordinata degli aminoacidi. L'irregolare susseguirsi di aminoacidi con proprietà chimico-fisiche diverse lungo la catena polipeptidica, fa sì che la catena debba raggomitolarsi in modo diverso da consentire ai diversi residui aminoacidici di formare un numero sufficiente di interazioni sia con altri residui di ugual natura, sia con il solvente. Tra due cisteine si forma il ponte disolfuro (-S-S-), in cui gli atomi di zolfo si legano tra loro. I ponti disolfuro sono quelli che caratterizzano la struttura terziaria.

La struttura quaternaria → è rappresentata da una proteina formata da due o più subunità.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici → acido deossiribonucleico (DNA) e acido ribonucleico (RNA) sono macromolecole di memoria che presiedono alle funzioni di conservazione, trasmissione ed attuazione dei programmi genetici degli organismi viventi. Gli acidi nucleici sono macromolecole che hanno il compito di conservare il progetto che quando viene realizzato determina l'organismo della specie di appartenenza: questa funzione è esclusiva del DNA. L'RNA, invece, è un acido nucleico che ha il compito di trasferire un'informazione dal nucleo verso il citoplasma.

Il DNA è costituito da due emieliche. Una emielica è una macromolecola formata da tante unità che si uniscono tra loro. L'unità viene chiamata nucleotide. Un nucleotide, nel caso del DNA, è costituito da uno zucchero, che è il deossiribosio, al quale è legato l'acido fosforico e una base azotata. Possiamo individuare una parte strutturale dell'emielica che è data dai vari deossiribosio e i vari acidi solforico, e una parte informazionale, data da una sequenza di basi azotate.

Ci sono due tipi di basi azotate:

• Quelle formate da un unico anello, l'anello pirimidinico, e si chiamano pirimidine; sono: citosina (C), timina (T) e uracile (U);
• Quelle formate da due anelli e fanno riferimento all'anello purinico e vengono chiamate purine; sono: adenina (A) e guanina (G).

Nel DNA troviamo 4 tipi di basi: adenina, guanina, citosina e timina, mentre nell'RNA la timina è sostituita dall'uracile. Il DNA è formato da due emieliche, mentre l'RNA è formato da un singolo filamento. La molecola del DNA è costituita da due emieliche destrorse, complementari e antiparallele. Le due catene polinucleotidiche o emieliche sono unite tra loro per mezzo di legami a idrogeno che associano in coppia due basi azotate che si trovano sullo stesso piano.

Appaiamento delle basi → all'adenina fa coppia sempre la timina e alla citosina la guanina. Il DNA svolge la funzione di conservare il progetto per la sintesi di ciascuna delle diverse migliaia di catene polipeptidiche che costituiscono il repertorio proteico di ogni essere vivente; ad ogni catena polipeptidica corrisponde un segmento di doppia elica (gene) nella cui sequenza nucleotidica è memorizzata l'informazione per la sequenza amminoacidica della proteina. La funzione di attuazione del progetto è svolta dall'azione intermediaria dell'RNA.

DNA → RNA → Proteine = Questo è il flusso dell'informazione, che va sempre dal DNA verso le proteine ed è unidirezionale. I retrovirus sono in grado di prendere l'informazione dall'RNA e sintetizzare il DNA, quindi facendo il percorso inverso.

Il DNA conserva l'informazione, l'RNA messaggero trasporta il progetto dal nucleo al citoplasma e lo rende disponibile per cui possono essere costruite le proteine. Il passaggio da DNA a RNA è chiamato trascrizione e dall'RNA alle proteine è detto traduzione. Ci sono tre tipi di RNA:

• RNA messaggero, che ha la funzione di trasportare il messaggio da un DNA verso le proteine;
• RNA transfer, che è un filamento che si ripiega su se stesso e ha il compito di trasportare gli aminoacidi;
• RNA ribosomiale, che serve per costituire i ribosomi.

Carboidrati e lipidi

I carboidrati (o glucidi) → sono composti che nella loro struttura chimica includono sia composti contenenti una funzione aldeidica o chetonica e diverse funzioni alcoliche. Se il gruppo COH si trova nella parte terminale abbiamo un aldeide, mentre se il gruppo C=O si trova nel mezzo abbiamo un chetone.

I lipidi → tra quelli più importanti ci sono i trigliceridi, formati da un composto comune che è il glicerolo che presenta tutti e tre i gruppi alcolici esterificati con altrettanti acidi grassi, cioè acidi carbossilici a catena relativamente lunga, satura o contenente doppi legami. I fosfolipidi costituiscono le membrane; hanno nella loro struttura una testa e una coda. La testa è polare, mentre la coda è apolare. La membrana plasmatica è un doppio strato fosfolipidico in cui le code si contrappongono. L'acqua è polare, quindi le varie teste dei fosfolipidi comunicano con l'acqua, mentre le code che sono apolari e quindi idrofobiche tendono a eliminare l'acqua e si trovano all'interno del doppio strato, il quale è un ambiente idrofobico. Questa è una caratteristica importante, in quanto la membrana si occupa della regolazione dello scambio di sostanze dall'interno e l'esterno della cellula e non tutti i composti riescono ad attraversare la membrana, grazie al doppio strato idrofobico e apolare. Nel caso dei composti polari, questi devono trovare sulla membrana dei canali per poter passare.

Energia e termodinamica

Tutti gli organismi viventi per poter svolgere le loro funzioni vitali hanno bisogno di energia perché ogni processo biologico comporta lo svolgimento di un lavoro. L'unica fonte di energia è il sole. Gli organismi eterotrofi non sono in grado di utilizzare le radiazioni solari per creare energia. Gli organismi autotrofi sono in grado di organicare il carbonio, quindi l'emissione di energia avviene attraverso gli autotrofi. La scienza che studia le trasformazioni energetiche è la termodinamica. L'energia è definita come la capacità di compiere un lavoro. L'energia potenziale è l'energia immagazzinata, questa viene poi trasformata in energia cinetica. La trasformazione energetica consiste nel trasformare un'energia in un'altra.

Principi della termodinamica

• Il primo principio della termodinamica → dice che “nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma”.
• Il secondo principio della termodinamica → dice che una trasformazione energetica comporta che una parte dell'energia si trasforma in calore, che si disperde nell'ambiente. La quota iniziale di energia è minore rispetto a quella finale. Il calore è un'energia disordinata e questa forma di disordine si può misurare attraverso l'entropia (S). L'energia utilizzabile ha una bassa entropia, mentre l'energia disorganizzata come il calore ha un'alta entropia. La quantità totale dell'energia presente nell'universo non diminuisce, invece diminuisce l'energia disponibile a compiere lavoro che viene continuamente degradata in una forma meno utilizzabile che è il calore. In tutte le reazioni chimiche si rompono i legami e se ne formano di nuovi. L'energia per rompere un legame viene definita come energia di legame ed è presente, quindi, in tutti i legami di una molecola. La somma di tutte le energie di legame di una molecola o di un sistema, equivale alla sua energia potenziale totale, quantificabile attraverso l'entalpia (H). L'energia di un sistema disponibile a compiere un lavoro è definita energia libera (G), ed è l'unico tipo di energia in grado di svolgere lavoro cellulare. G= H-TS G= energia libera H= entalpia T= temperatura assoluta in gradi Kelvin S= entropia

Variazione dell'energia libera

Noi prendiamo in considerazione la variazione dell'energia libera. → deltaG= deltaH-TdeltaS In una reazione A+B (reagenti) e C+D (prodotti) possiamo calcolare l'energia libera dei reagenti e quella dei prodotti, la differenza delle energie ci dà la variazione dell'energia libera.

• Se la differenza è minore di 0, la reazione avviene spontaneamente con rilascio di energia ed è una reazione esoergonica;
• Se il valore di deltaG è maggiore di 0, significa che la reazione non avviene spontaneamente, ha bisogno di ricevere energia ed è una reazione endoergonica.

Metabolismo cellulare

Il metabolismo consiste di vie metaboliche che sono di due tipi diversi:

• Anabolismo → comprende le vie metaboliche in cui, partendo da molecole più semplici, si sintetizzano molecole più complesse;
• Catabolismo → molecole più grandi vengono scisse in molecole più piccole, con rilascio di energia. Anabolismo e catabolismo sono tra loro complementari, in quanto le vie cataboliche rilasciano energia parte della quale viene utilizzata per l'anabolismo, il quale necessita energia.

ATP: la moneta energetica della cellula

La cellula, per far fronte alle continue richieste di energia, attiva un sistema che serve a immagazzinare energia: la moneta energetica di una cellula è l'ATP (adenosina trifosfato), la quale viene sintetizzata e immagazzinata. L'energia che viene rilasciata dalle reazioni cataboliche (esoergoniche) viene utilizzata per sintetizzare l'ATP; le reazioni anaboliche (endoergoniche), invece, prendono energia ricorrendo a una o più molecole di ATP. La forma scarica dell'ATP è l'ADP, il quale viene ricaricato attraverso una reazione esoergonica, formando nuovamente ATP. L'ATP contiene tre gruppi fosfato, ma nella forma scarica (ADP) un gruppo fosfato si stacca, con rilascio di energia. ATP+H₂O → ADP+Pi Pi= fosfato organico

Reazioni di ossido-riduzione

Nelle reazioni di ossido-riduzione due molecole reagiscono una con l'altra e viene liberata energia.