Programma di biologia in breve:concetti essenziali - Proteine, Carboidrati, Lipidi, Gli acidi nucleici, LA CELLULA

Programma di biologia in breve:concetti essenziali

La chimica della vita è antica ed iniziò a formarsi circa 4,6miliardi di anni fa e i primi segni di vita risalgono a 3,8-4miliardi di anni.

La materia è costituita da atomi ed ogni atomo è formato da un nucleo carico positivamente contenete protoni e neutroni circondato da elettroni che portano cariche elettriche negative.

Gli isotopi di un elemento differiscono tra loro per il numero di neutroni, certi isotopi sono radioattivi perché decadono emettendo radiazioni.

Gli elettroni sono distribuiti in gusci formati da orbitali, ogni orbitale può contenere un massimo di due elettroni.

Perdendo, acquistando oppure mettendo in tecipazione elettroni gli atomi si legano tra loro tramite particolari legami formando molecole. I legami covalenti sono legami forti che si formano quando due nuclei atomici condividono una o più coppie di elettroni, essi sono orientati nello spazio conferendo alle molecole che li contengono precise forme tridimensionali.

I legami covalenti polari si formano tra atomi con elettronegatività approssimatamente uguale. Quando atomi con elevata elettronegatività(come l'ossigeno) si legano ad atomi con bassa elettronegatività(come l'idrogeno)si forma un legame covalente polare.

I legami ad idrogeno invece sono legami deboli e coinvolgono l'idrogeno e l'ossigeno o l'azoto, essi sono molto numerosi in acqua. I legami ionici infine, sono legami tra ioni di carica opposta.

Le molecole interagiscono tra loro mediante legami creati dalle forze di van der Waals.

Gli acidi sono sostanze che liberano ioni idrogeno.

Il ph di una soluzione è il logaritmo negativo della concentrazione degli idrogenioni, valori di ph inferiori a 7 indicano che la soluzione è acida mentre valori superiori a 7 indicano una soluzione basica. I tamponi sono miscele di acidi e basi deboli che hanno la capacità di opporsi alle variazioni del ph di una soluzione. I gruppi funzionali fanno parte di molecole più grandi e possiedo no peculiari proprietà chimiche. Gli isomeri di struttura e ottici contengono lo stesso tipo e numero di atomi ma differiscono nella struttura e nelle proprietà.

Le macromolecole sono polimeri costituiti dall'unione di monomeri tramite legami covalenti,attraverso il processo di condensazione in cui viene persa una molecola d'acqua per ogni legame formato, al contrario l'idrolisi permette la scissione con aggiunta di acqua di questi polimeri. Le macromolecole comprendo: polisaccaridi, proteine e acidi nucleici.

Proteine

Le proteine hanno funzione di supporto, protezione, catalisi, trasporto, difesa regolazione e movimento. Esse sono polimeri di 20amminoacidi diversi: ogni amminoacido presenta un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un atomo di idrogeno e una catena laterale legata al carbonio α.

La  catena laterale, detta anche gruppo R, può contenere raggruppamenti polari oppure idrofobi, esistono anche casi particolari rappresentati dai gruppi -SH della cisteina, che possono formare legami disolfuro. Gli amminoacidi sono legati covalentemente tra loro tramite legami peptidici che si formano per condensazione tra il gruppo amminico di amminoacido e il gruppo carbossilico dell'altro. Le catene polipeptidiche assumono specifiche forme tridimensionali, si distinguono quattro strutture. La struttura primaria è la vera e propria sequenza degli amminoacidi ed essa determina la funzione della proteina; la struttura secondaria si divide in due sottotipi α-eliche e foglietti β; la struttura terziaria si origina da peculiare ripiegamento della catena polipeptidica ed infine la struttura quaternaria è data dall'associazione di più catene polipeptidiche in unità funzionale costituita da due o più subunità. Le proteine denaturate dal calore, da acidi o reagenti chimici perdono la struttura terziaria e secondaria, e quindi la funzione biologica, il processo inverso : la rinaturazione, non sempre è possibile. Le cheparonine favoriscono il corretto ripiegamento tridimensionale di altre proteine impedendo il loro legame a ligandi inappropriati.

Carboidrati

Tutti i carboidrati contengono atomi di carbonio legati ad atomi di idrogeno e a gruppi ossidrile.

Gli esosi sono monosaccaridi a sei atomi di carbonio, i più importanti biologicamente sono il glucosio il galattosio e il fruttosio, le cui molecole possono trovarsi in forma lineare oppure ciclica.

I pentosi sono monosaccaridi a 5 atomi di carbonio e due pentosi, rispettivamente ribosio e desossiribosio sono i costituenti degli acidi nucleici RNA e DNA. I legami glicosidici caratteristici di queste macromolecole possono avere orientamento spaziale sia α che β e legano due o più monosaccaridi formando così: disaccaridi(2), oligosaccaridi(3-l0) e polisaccaridi(+10).

I maggiori polisaccaridi sono l'amido, il glicogeno e la cellulosa. L'amido è costituito da unità di glucosio unite tramite legami α-glicosidici, il glicogeno è un polisaccaride del glucosio altamente ramificato, inoltre è la forma di deposito del glucosio nel fegato e nei muscoli animali, insieme all'amido costituisce le riserve energetiche per gli animali; la cellulosa è un polimero del glucosio molto stabile ed è il principale costituente della parete cellula - STRUTTURA DELLE CELLULE EUCARIOTE" class="text">delle cellule vegetali a differenza dell'amido e del glicogeno i suoi legami sono β-glicosidici.

Lipidi

questi aggregati chimicamente non sono macromolecole poiché le loro unità costitutive non unite da legami covalenti. Grassi ed oli sono trigliceridi costituiti da tra acidi grassi legati covalentemente a una molecola di glicerolo trami legame estere. Gli acidi grassi saturi hanno una catena idrocarburica priva di doppi legami, a differenza degli acidi grassi insaturi che ne possiedono due o più.

I fosfolipidi possiedono una coda idrocarburica idrofoba(paura dell'acqua) e una testa idrofila(amica dell'acqua). Le interazioni interazioni in acqua tra code e test formano il cosiddetto doppio strato lipidico a mosaico fluido nel quale le teste sporgono verso l'esterno e le code si trovano impaccate all'interno. Nelle piante verdi i carotenoidi( che appartengono alla famiglia dei lipidi) catturano l'energia solare, la molecola del β-carotene può essere rotta per formare la vitamina A liposolubile,precursore della rodopsina, pigmento impiegato nel processo della visione, i carotenoidi sono i responsabili del colore delle piante come pomodori zucche o carote. Un altra famiglia dei lipidi sono gli steroidi la cui struttura è ad anelli fusi, il colesterolo è uno steroide importante per le membrane biologiche:sintetizzato nel fegato è il prodotto di partenza per la biosintesi del testosterone e di altri ormoni steroidei;alcuni lipidi sono vitamine, queste non vengono sintetizzate al nostro organismo ma sono necessarie al suo normale funzionamento, tra le tante ricordiamo la vitamina D necessaria per la corretta deposizione del calcio nelle ossa e la vitamina K essenziale per la coagulazione.

Gli acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi, molecole formate da un gruppo fosfato, uno zucchero pentoso e una base azotata. Nel DNA, le basi sono adenina guanina citosina e timina, nell'RNA invece della timina vi è l'uracile. I singoli nucleotidi che costituiscono la catena polinucleotidica sono uniti tra loro da legami fosfodiestere che si formano tra lo zucchero di un nucleotide e il fosfato del nucleotide successivo. L'RNA è costituito da una sola catena polinucleotidica, il DNA invece da due catene tenute assieme da legami ad idrogeno che si formano tra le basi azotate. I due filamenti di DNA hanno direzione opposta, 5'-3', questo orientamento antiparallelo è necessario per l'adattamento allo spazio tridimensionale. La chiave per comprendere la struttura e la funzione degli acidi nucleici è il principio dell'appaiamento complementare delle basi: A-T, C-G, l'appaiamento tra una base purinica con una pirimidinica assicura stabilità alla molecola. Il DNA è una molecola puramente informazionale infatti trasmette l'informazione ereditaria da una generazione alla successiva.

Alcuni RNA hanno una funzione catalitica, e sono detti ribozimi. L'RNA può essere una molecola informazionale quindi ma anche catalitica. In certi virus detti retrovirus la trascrittasi inversa catalizza la sintesi di DNA dall'RNA. Alcuni tipi di nucleotidi possiedono importanti funzioni: L'ATP =(adenosintrifosfato) agisce da trasduttore di energia in moltissime reazioni biochimiche; il GTP=(guanosintrifosfato) serve da fonte di energia nella sintesi delle proteine; il cAMP=(adenosinmonofosfato ciclico) è essenziale per il meccanismo d'azione di molti ormoni.

LA CELLULA

Teoria cellulare:

• la cellula rappresenta l'unità base degli organismi
• tutti gli organismi sono costituiti da cellule o sono essi stessi singole cellule
• ogni cellula deriva da una cellula preesistente

Le cellule sono formate da acqua e molecole che utilizzano per trasformare materia ed energia, per rispondere all'ambiente circostante e per riprodursi.

Il volume di una cellula è correlato alla quantità di eventi metabolici che in essa vengono compiuti nell'unità di tempo. La superficie esterna influisce sia sulla quantità di sostanze che vengono assunte sia su quelle che vengono scartate. Gli organismi di grandi dimensioni sono costituiti da cellule con volume ridotto poiché questo mantiene alto il rapporto superficie esterna-volume.

Cellula procariote

Possiede una membrana plasmatica, un nucleoide con DNA, e un citoplasma che contiene ribosomi, acqua proteine e piccole molecole; alcuni procarioti sono dotati di strutture protettive aggiuntive: parete cellulare, membrana esterna e capsula. Altri ancora hanno membrane fotosintetiche, o mesosomi, e possono avere flagelli o pili.

Cellula eucariote

Come la cellula procariote possiede una membrana plasmatica un citoplasma e i ribosomi, ma tuttavia essa è più grande e possiede membrane che circondano alcuni altri organuli che fan si che l'ambiente interno agli organuli sia chimicamente diverso dal citoplasma circostante,di solito il nucleo è l'organulo più voluminoso nella cellula. E' circondato da una doppia membrana, internamente il nucleo contiene il DNA che associato a proteine forma la cromatina, essa è dispersa nel nucleo fino a poco prima della divisione cellulare, quando si condensa nei cromosomi.

Le membrane interne:

Sul reticolo endoplasmatico ruvido sono adesi i ribosomi che sintetizzano le proteine, il reticolo endoplasmatico liscio è privo di ribosomi ed è coinvolto nella sintesi del lipidi. L'apparato di Golgi svolge numerose funzioni: riceve e modifica le proteine provenienti dal RE, concentra, impacchetta e assortisce le proteine prima che esse siano inviate a destinazione, ed è il sito in cui vengono prodotti alcuni polisaccaridi dalla parete cellula - STRUTTURA DELLE CELLULE EUCARIOTE" class="text">delle cellule vegetali. I lisosomi contengono numerosi enzimi digestivi, si fondono con i fagosomi derivati dalla fagocitosi e successivamente si fondono con la membrana plasmatica per espellere il rifiuto. I mitocondri sono delimitati da due membrane una esterna una interna che si ripiega a formare le creste mitocondriali, questi organuli contengono le proteine necessarie a catalizzare i vari passaggi della respirazione cellulare. Le cellule fotosintetiche possiedono i cloroplasti questi possiedono un sistema interno di tilacoidi organizzati nei grana nei quali è contenuta la clorofilla e alcune proteine per la fotosintesi, insieme ai mitocondri possiedono un proprio DNA .I perossisomi raccolgono tutti i perossidi tossici come l'acqua ossigenata che vengono prodotti durante le reazioni chimiche, ed infine i vacuoli che in particolare si trovano nelle cellule vegetali essi forniscono la pressione necessaria a distendere la parete cellulare e sono un utile sostegno strutturale per la pianta, contengono acqua e soluti.

Il citoscheletro è costituito da tre tipi di fibre proteiche interagiscono tra loro:

i microfilamenti che sono costituiti da due catene di unità di actina assemblate in una doppia elica, essi rendono possibile il movimento durante la divisione cellulare e l'emissione di pseudopodi.

I filamenti intermedi che sono costituiti da cheratina e sono organizzati in strutture più spesse simili  minute corde.

I microtubuli che sono costituiti da dimeri di tubulina, fanno parte della struttura di ciglia e flagelli che hanno lo schema "9+2"

I centrioli sono strutture costituite da triplette di microtubuli e sono localizzati ai poli del fuso mitotico.

Le membrane cellulari

Le membrane biologiche sono costituite da lipidi, proteine e carboidrati, il loro modello a mosaico fluido permette alle proteine di muoversi sul piano della membrana stessa. Le proteine intrinseche di membrana sono inserite almeno in parte nel bilayer fosfolipidico ,quelle estrinseche sono legate alla superficie esterna del bilayer tramite legami ionici.

Adesione tra le cellule avviene grazie a particolari giunzioni:

û   giunzioni occludenti = impediscono il passaggio di molecole e limitando lo spostamento delle proteine

û   desmosomi =che consentono alle cellule di aderire strettamente le une alle altre

û   giunzioni serrate= rappresentano canali per la comunicazione chimica ed elettrica tra le cellule adiacenti.

Processi di trasporto passivo

Sono principalmente tre:

1. la diffusione semplice:quando un soluto diffonde attraverso una membrana passando da una regione a maggior concentrazione ad una a minor concentrazione(osmosi)
2. la diffusione facilitata tramite un canale che permette a particolari molecole di attraversare il doppio strato fosfolipidico
3. La diffusione facilitata tramite proteine carrier che creano un legame vero e proprio tra la sostanza trasportata e la proteina di membrana.

Trasporto attivo=richiede l'utilizzo di energia chimica per spostare le sostanze attraverso la membrana, può essere di uniporto, simporto e antiporto.

L'energia deriva dall'idrolisi dell'ATP che serve per scongere il gradiente di concentrazione e induce indirettamente lo spostamento passivo del primo soluto.

Endocitosi =permette alla cellula di assumere macromolecole tramite la formazione di vescicole che prendono origine dalla membrana plasmatica e comprende fagocitosi e pinocitosi. In caso essa sia mediata da recettori una proteina di membrana si lega ad una specificata macromolecola.

Esocitosi=permette alle sostanze contenute nella cellula tramite la formazione di vescicole di essere rilascete al di fuori della cellula tramite una fusione tra la vescicola interna e il plasmalemma.

Energia enzimi e metabolismo

Una molecola di ATP è costituita da una base azotata adenina legata a una molecola di ribosio a sua volta legata a tre gruppi fosfato, l'idrolisi di questo composto genera ADP+ uno ione fosfato(P) e una notevole quantità di energia libera,questa reazione è una razione esorgonica;il ciclo dell'ATP associa reazioni esoergoniche ed endoergoniche trasferendo energia chimica dalle seconde alle prime.

La velocità di una reazione chimica è determinata dal valore della barriera dell'energia di attivazione, i catalizzatori accelerano le reazioni chimiche abbassandone l'energia di attivazione.

Gli enzimi sono catalizzatori biologici, proteine altamente specifiche per i loro substrati, questi si legano al sito attivo, dove si verifica la catalisi,il sito attivo quindi determina la specificità di un enzima. La concentrazione si un substrato influenza la velocità di una reazione catalizzata.

Alcuni enzimi richiedono la presenza di molecole non proteiche:

Ø  Cofattori= ioni inorganici come zinco rame o ferro che si legano a certi enzimi.

Ø  Coenzimi= molecole organiche più piccole degli enzimi che non si legano covalentemente all'enzima ma ne facilitano l'attività

Ø  Gruppi prosteici=sono permanentemente legati all'enzima essi comprendono i gruppi eme legati all'emoglobina.

Il metabolismo è organizzato in vie metaboliche, in cui il prodotto di una reazione è il reagente della successiva. Ogni reazione è catalizzata da un enzima, questo può essere inibito da regolatore allosterico, questo si lega a sito attivo diverso stabilizzando la forma attiva o inattiva di un enzima.

Gli enzimi sono sensibili alle condizioni dell'ambiente in cui operano, sia il ph che la temperatura influenzano la loro attività.