Riassunto esame Biologia applicata, prof. Bocchio Chiavetto, libro consigliato Biologia, Solomon, Berg, Martin

Riassunto di biologia

Le origini della vita

Lo sviluppo della vita sulla terra è stato profondamente segnato dalla comparsa della fotosintesi. Circa 2,5 miliardi di anni fa, infatti, alcuni procarioti acquisirono la capacità di utilizzare l’energia solare per produrre le molecole necessarie al loro metabolismo diventando quindi autotrofi. La massa di ossigeno rilasciata dai processi di fotosintesi cambiò la composizione dell’atmosfera, creando lo strato di ozono protettivo dai raggi solari e permise lo sviluppo di microorganismi aerobi.

Un secondo evento fondamentale nell’evoluzione della vita sulla terra è stata la comparsa della ricombinazione sessuale e cioè la possibilità per due cellule diverse di combinare il loro patrimonio genetico in una singola cellula figlia. Questo meccanismo ha permesso la generazione di organismi con un grado di variabilità maggiore e quindi c’era una probabilità maggiore che alcune di esse si adattassero bene all’ambiente circostante ed ai suoi cambiamenti nel tempo. La riproduzione sessuale ha accelerato anche molto la frequenza dei cambiamenti evolutivi.

Fino ad un miliardo di anni fa esistevano sulla terra solo organismi unicellulari, poi grazie al fatto che le cellule hanno cominciato a modificare le loro strutture e le loro funzioni, per adattarsi meglio agli stimoli ambientali e hanno iniziato ad aggregarsi in complessi pluricellulari.

Gli organismi autotrofi sono in grado di vivere in ambienti in cui sono presenti semplici composti inorganici. Per essi, quindi, la presenza o meno di altri organismi non è necessaria.

Gli organismi eterotrofi hanno invece bisogno, dal punto di vista nutrizionale, di composti organici perché da queste molecole ricavano l'energia necessaria alla loro sopravvivenza.

Gli organismi anaerobi sono in grado di vivere in assenza di ossigeno. Producono energia e molecole per le funzioni vitali senza utilizzare l’ossigeno.

Gli organismi aerobi hanno invece bisogno di ossigeno per svolgere le funzioni cellulari e per produrre energia.

L’unità fondamentale della vita è la cellula e tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule.

• Gli esseri viventi crescono in dimensioni durante la loro vita e si sviluppano.
• Gli esseri viventi regolano i loro processi metabolici. Svolgono delle reazioni chimiche che gli permettono di produrre energia e molecole per la crescita, la riparazione e riproduzione. Le reazioni metaboliche avvengono per mantenere l’omeostasi.
• Gli organismi sono in grado di rispondere agli stimoli muovendosi, anche se non sempre c’è una locomozione.
• Gli organismi si riproducono. Tutti gli esseri viventi oggi sulla terra nascono da organismi preesistenti.

Negli organismi unicellulari la riproduzione è asessuata, la cellula si divide in due parti che formano due cellule figlie. Negli organismi superiori la riproduzione è invece sessuale e avviene tramite i gameti che si uniscono con i gameti di un altro individuo per generare la prole.

Chimica organica

Atomi e molecole

Un elemento è una sostanza che non può essere scissa in sostanze più semplici mediante reazione chimiche ordinarie. Ad ogni elemento esistente in natura gli scienziati hanno assegnato un simbolo chimico. L'atomo è la più piccola parte di un elemento chimico che conserva le proprietà chimiche dell'elemento. È formato da protoni, neutroni ed elettroni, definiti particelle subatomiche. Gli elettroni si muovono attorno a un nucleo composto da protoni e neutroni. Nel nucleo è quasi del tutto concentrata la massa dell'atomo.

Le caratteristiche delle particelle subatomiche:

• I protoni: sono particelle cariche positivamente (1,6 x 10^-19 coulomb) con una massa di 1,66 x 10^-24 g. Nel nucleo.
• I neutroni sono particelle neutre con la stessa massa dei protoni. Nel nucleo.
• Gli elettroni hanno una carica elettrica negativa ed una massa circa 2000 più piccola. La massa dell’elettrone è considerata trascurabile e ubicato in un orbitale.

Il numero atomico è il numero di protoni o degli elettroni di un atomo.

Il numero di massa è la somma tra numero di protoni e numero di neutroni.

Mendeleev classificò gli elementi in funzione delle somiglianza delle caratteristiche chimiche in una tabella nota come il sistema periodico degli elementi. Nella tavola periodica gli elementi chimici sono ordinati secondo i rispettivi numeri atomici. Le righe e le colonne della tavola periodica sono state costruite in modo da raggruppare gli elementi con caratteristiche simili in colonna. Le proprietà chimiche degli elementi cambiano lungo un periodo e questo cambiamento si verifica con periodicità. È proprio questo aspetto che giustifica l’aggettivo “periodica” della tavola. Si può constatare come esista una legge di periodicità, che si manifesta con la comparsa, a determinati intervalli, di analogie nelle proprietà e con la regolare variazione di tali proprietà entro i limiti degli intervalli stessi.

Ad esempio:

• L’energia di ionizzazione degli elementi cresce tendenzialmente nell’ambito di un periodo, poi diminuisce bruscamente per ripetere lo stesso andamento nel periodo successivo.
• Un’altra caratteristica che cambia in modo periodico è il raggio atomico.

L’Unità di Massa Atomica (UMA) è stata definita come la dodicesima parte della massa dell’atomo di carbonio 12. È un’unità di misura incredibilmente piccola adatta per esprimere valori di particelle piccole quanto gli atomi e molecole.

Gli isotopi sono atomi che hanno un numero uguale di protoni ed elettroni ma un numero diverso di neutroni e perciò una massa differente. Il carbonio-14 o 14C è un isotopo radioattivo naturale del carbonio con un nucleo costituito da 6 protoni e 8 neutroni. Dal momento che i diversi isotopi mostrano le stesse caratteristiche chimiche sono intercambiabili e sono presenti anche nei tessuti vegetali ed animali. Alcuni radioisotopi come il 14C vengono utilizzati:

• Per la datazione dei fossili. Si ricorre al metodo del radiocarbonio, con il quale si misura il rapporto tra le quantità del radioisotopo 14C e del 12C stabile.
• Per seguire le vie metaboliche negli organismi: per esempio per seguire il metabolismo di un ormone, di un farmaco, o la presenza di cellule tumorali.

La tomografia ad emissione di positroni (PET) è uno degli strumenti diagnostici più innovativi in campo oncologico e neurologico. La PET è una metodica di diagnostica per immagini che consente di individuare precocemente i tumori e di valutarne la dimensione e la localizzazione. L’esame si basa sulla somministrazione endovenosa di radiofarmaci. Questi, si distribuiscono nel corpo del paziente permettendo di ottenere delle immagini diagnostiche. Uno dei radiofarmaci oggi più utilizzati è il 18FDG.

La molecola è la più piccola unità chimica di una sostanza (elemento o composto) capace di esistenza indipendente. Le molecole sono raggruppamenti di atomi con caratteristiche chimiche definite. Ogni molecola è rappresentata da una formula chimica che specifica la tipologia e il numero di atomi che compongono la molecola. Esempi: H₂O, CO₂, O₂.

La massa (o peso) di un elemento viene espressa come la media dei protoni più quello dei neutroni pesata sull’abbondanza dei loro isotopi. Per esempio la massa atomica dell’idrogeno non corrisponde ad 1 UMA ma ad 1,0079 UMA perché sono presenti delle piccole quantità di deuterio e trizio. Esempi: il peso molecolare di una molecola di ossigeno (O₂) (numero atomico O=8; peso atomico O=16) è 32 UMA. Il peso molecolare di una molecola di azoto N₂ (numero atomico N=7; peso atomico N=14) è 28 UMA.

De Broglie introduce il concetto di orbitale come zona dello spazio attorno al nucleo dove è massima la probabilità di trovare l’elettrone. Ogni orbitale può contenere al massimo 2 elettroni.

• Nella formula molecolare o formula bruta i simboli chimici identificano gli elementi che compongono la molecola.
• La formula di struttura non specifica solo il tipo ed il numero di atomi ma anche come sono organizzati tra loro (cioè come sono legati e come si dispongono nello spazio).

La mole (mol) è la quantità di un composto la cui massa in grammi è equivalente alla sua massa atomica o molecolare. Contiene sempre un numero costante di unità (atomi o molecole).

Legami chimici

L’elettronegatività è una grandezza che si riferisce alla capacità degli atomi di attrarre gli elettroni di legame.

• La polarità è una proprietà delle molecole in cui gli atomi che ne fanno parte hanno una elevata differenza di elettronegatività ovvero quando uno degli atomi è più elettronegativo degli altri (attira di più gli elettroni) e quindi la molecola assumerà una parziale carica positiva da un lato e una parziale carica negativa dall'altro (cioè gli atomi sono legati con un legame covalente polare). Esempio: HCl.
• Per apolarità, invece, s’intende esattamente l'opposto cioè le molecole con differenza di elettronegatività bassissima o nulla per ovvero quando tutti gli atomi attirano in egual modo gli elettroni. Esempio: O₂.

Il legame covalente si forma attraverso la condivisione di elettroni tra atomi e la formazione di orbitali molecolari. Si può formare tra atomi dello stesso elemento o diversi.

• Quando 2 doppietti di elettroni vengono condivisi tra 2 atomi si forma un doppio legame covalente.
• Il triplo legame covalente si forma quando vengono condivise 3 coppie di elettroni.

Il legame covalente può essere di tipo:

• Covalente omopolare quanto il legame si forma tra atomi uguali.
• Covalente eteropolare quando il legame si forma tra atomi diversi.

Inoltre:

• Se due atomi di una molecola hanno elettronegatività simile si parlerà di legame covalente apolare.
• Il legame covalente polare si avrà invece tra atomi con elettronegatività diversa.

Il legame ionico si forma tra specie dotate di carica elettrica (ioni) attraverso la cessione/acquisizione di elettroni. La forte attrazione tra le cariche elettriche positiva e negativa fa si che si formi il legame ionico e tiene insieme gli atomi.

Il legame ad idrogeno è molto importante dal punto di vista biologico. Lega atomi con parziali cariche elettriche di segno opposto. Quando l’idrogeno (H) si combina con l’ossigeno (O) o con l’azoto (N) per effetto della diversa elettronegatività, una carica positiva si accumula sull’H ed una negativa sull’O. Queste due cariche si attraggono e le molecole si dispongono nello spazio in modo che si formino tra loro dei legami ad idrogeno. Il legame a idrogeno è importante per solvatare i soluti e per favorire la dissoluzione in acqua.

Le forze di van der Waals sono forze attrattive tra molecole vicine. Sono molto deboli ma diventano rilevanti quando gli atomi sono molto vicini tra loro. Forze di questo tipo sono presenti in tutte le sostanze formate da molecole polari. Ad esempio, il biossido di zolfo SO₂, il cloroformio CHCl₃ e il clorobenzene C₆H₅Cl.

L’acqua

L’acqua ha proprietà:

• La natura coesiva fa sì che le molecole dell’acqua tendano a stare vicine tra loro. Esempio: goccia.
• Invece le proprietà adesive fanno sì che le molecole d’acqua si attacchino a molte superfici.
• La capillarità è la tendenza di alcuni liquidi di risalire i tubi molto stretti contro la forza di gravità.
• Sostanze idrofobiche non interagiscono con l’acqua ma tendono a raggrupparsi tra di loro (che temono l’acqua). Sono le sostanze apolari. Esempio: olio d’oliva, burro, grassi.
• Sostanze idrofiliche sono sostanze che interagiscono facilmente con l’acqua (che amano l’acqua). Sono le sostanze polari. Esempio: zuccheri, sale da cucina, alcol.

In soluzione le particelle del soluto, i cationi e gli anioni, sono circondati e portate in soluzione dalle molecole d’acqua formando ioni idrati. Un’altra caratteristica dell’acqua è la sua bassa tendenza a dissociarsi in ioni H⁺ (idrogeno) e OH^- (idrossido). Poiché quando l’acqua si dissocia forma esattamente la stessa quantità di ioni H⁺ e OH^- questa soluzione viene detta neutra.

pH è una grandezza che misura l'acidità o la basicità di una soluzione, espressa come il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione degli ioni idrogeno espressa in moli/litro. pH= -log₁₀ [H⁺]

• Un acido è una sostanza che in soluzione si dissocia molto producendo ioni H⁺ e anioni. Un acido è un donatore di protoni (ioni idrogeno). Le soluzioni acide hanno pH da 0 a <7.
• Una base è invece una sostanza che sciolta in acqua libera ioni idrossido OH^- e cationi. Una base è un accettore di protoni (cattura protoni). Le soluzioni basiche hanno pH > 7 fino a 14.

Se si mescolano un acido ed una base:

• Gli ioni idrogeno e idrossido si combinano a formare una molecola d’acqua (H₂O).
• Quel che resta dell’acido (un anione) e quel che resta della base (un catione) si combinano a formare un sale.

Un sale è un composto chimico elettricamente neutro costituito dall'insieme di più ioni (anioni e cationi). Il valore del pH nel nostro organismo non è sempre uguale. Infatti, in base a quale parte dell’organismo consideriamo, il valore del pH sarà differente. Il nostro organismo si occupa costantemente di equilibrare il proprio livello di acidità per mantenerlo compatibile con lo svolgimento delle principali funzioni metaboliche. I valori del pH superiori a 7 sono detti basici, mentre i valori inferiori al 7 sono acidi.

Molecole organiche

Le biomolecole comprendono le proteine, i carboidrati, i lipidi e gli acidi nucleici e sono sostanze esclusive degli esseri viventi. Le biomolecole sono tutti composti organici tenuti insieme da legami covalenti che conferiscono loro una struttura stabile. Il carbonio possiede proprietà particolari che gli permettono di formare grandi molecole complesse:

• Il carbonio ha 4 elettroni di valenza e può formare quindi 4 legami disposti secondo i vertici di un tetraedro.
• È adatto a fare da scheletro per le macromolecole perché i legami C-C sono resistenti.
• La libertà di rotazione intorno a ciascun legame e questo fa sì che le molecole siano flessibili e possano assumere diverse forme.

Gli isomeri sono composti che hanno la stessa formula molecolare o bruta e diversa disposizione degli atomi nello spazio, con strutture diverse e quindi proprietà diverse. Esempi di sostanze isomere tra loro: CH₃-CHCl₂ e CH₂Cl-CH₂Cl; CH₃-CH₂-CHF₂ e CHF₂-CH₂-CH₃.

Gli enantiomeri o isomeria ottica sono due molecole che sono l’una l’immagine speculare dell’altra. Questo caso si verifica quando c’è un carbonio legato a 4 gruppi diversi. Esempi: Talidomide s/d; Gliceraldeide s/d.

I polimeri sono formati dall’unione di composti organici più piccoli detti in questo caso monomeri:

• I polimeri biologici possono essere degradati nei monomeri costituenti mediante reazioni di idrolisi.
• Il processo mediante il quale si formano invece è detto condensazione o sintesi per disidratazione perché quando si uniscono i monomeri si ha il rilascio di una molecola d’acqua.

Tipologie di gruppi funzionali:

• Gruppi idrocarburici (R–CH₃) composti da residui (R) costituiti da catene di carbonio ed idrogeno uniti ad un gruppo metilico idrocarburico apolare ed idrofobica.
• Gruppi idrossilici (R-OH) composti da residui uniti ad un gruppo OH. Questi composti sono gli alcoli.
• Il gruppo carbonilico (C=O) è costituito da un atomo di carbonio legato con un doppio legame ad un atomo di ossigeno. Se il gruppo carbossile è all’estremità della catena di carbonio si forma un’aldeide (R-CHO) Gruppo funzionale aldeico (CHO). Se è invece in posizione intermedia si origina un chetone (R-CO-R) Gruppo funzionale chetonico (R-CO-R).
• Il gruppo carbossilico (R-COOH) è costituito da un atomo di carbonio legato con un doppio legame ad un atomo di ossigeno e da un legame con un gruppo OH. La presenza del gruppo carbossilico fa sì che la molecola sia un acido organico (R-COOH). Molecola polare. I gruppi carbossilici sono acidi deboli.
• Il gruppo sulfidrico (R-SH) costituito da un atomo di zolfo legato ad uno di idrogeno. Genera molecole chiamate tioli.

I carboidrati (o zuccheri) (=idrati del carbonio) sono costituiti da uno o più zuccheri: contengono C, H, e O in rapporto 1:2:1 (CH₂O)_n e sono una delle principali fonti di energia delle cellule animali. Gli zuccheri a 3 atomi di carbonio vengono definiti triosi, quelli a 5 pentosi; quelli a 6 esosi. Si posso distinguere in:

• Monosaccaridi (1 sola unità di zucchero) contengono da 3 a 7 atomi di carbonio legati ad un gruppo -OH.
• Il desossiribosio non è legato ad un gruppo –OH ma è legato all’O con un doppio legame (C=O) per questo è «desossi».
• Il glucosio (C₆H₁₂O₆) (gruppo aldeidico); Galattosio; fruttosio (gruppo chetonico).
• Disaccaridi (2 unità di zucchero) (C₁₂H₂₂O₁₁) formati da due monosaccaridi ad anello legati da un legame glicosidico (C-O-C).
• Polisaccaridi (>2 unità) sono macromolecole costituite da zuccheri semplici, con proprietà molto diverse tra loro.

L’amido è un tipico carboidrato di riserva nei vegetali ed è un polimero composto da molte unità di glucosio legate tra loro.