Appunti di Biologia Applicata PDF

BIOLOGIA APPLICATA. LA BIOLOGIA COS’È LA BIOLOGIA studio vita La biologia è la scienza che studia la vita, ossia gli organismi e gli esseri viventi analizzandoli sotto due livelli: scala microscopica (molecole e cellule) scala macroscopica (organismi, popolazione e ecologia)...

BIOLOGIA APPLICATA. LA BIOLOGIA COS’È LA BIOLOGIA studio vita La biologia è la scienza che studia la vita, ossia gli organismi e gli esseri viventi analizzandoli sotto due livelli: scala microscopica (molecole e cellule) scala macroscopica (organismi, popolazione e ecologia) La cellula è definita come unità base della vita e gli organi, anche se è scomponibile anch’essa in strutture complesse e molecole. Mentre per quanto riguarda altri concetti terminologici sappiamo che: le cellule contengono DNA e diverse cellule formano un tessuto; diversi tessuti formano organi> che a loro volta formano sistemi, quando hanno la stessa origine embrionale, e apparati quando hanno origine diversa. Ad esempio il sistema nervoso si occupa di controllare e regolare l’attività degli altri apparati LUCA Gli organismi sono tutti discendenti da un’origine comune, comparsa circa 4 miliardi di anni fa: Luca= last universal common ancestor. Luca è una protocellula da cui derivano tutti gli esseri viventi, classificabili in 3 diversi gruppi di dominio: 1) batteri 2) archeobatteri 3) eucarioti L’albero filogenetico che parte da luca è stato costruito sulla base della distanza genetica tra le cellule e gli esseri viventi (per ordine di somiglianza). CARATTERISTICHE DEI VIVENTI Ciò che caratterizza un vivente è la compresenza di diverse capacità e caratteristiche: 1. Sono costituiti da una serie di componenti comuni (macromolecole): carboidrati, lipidi, acidi nucleici e proteine; 2. Sono costituiti da cellule delimitate da membrane plasmatiche lipidiche; 3. Trasformano molecole ambientali in nuove molecole biologiche; 4. Estraggono energia dall’ambiente e la utilizzano per svolgere e supportare processi biologici; 5. Contengono informazione genetica che utilizza un codice universale per specificare le proteine e che ne definisce le funzioni e le strutture; 6. Condividono similarità tra una serie di geni fondamentali (ereditati da luca) e replicano la propria informazione genetica quando si riproducono;  7. Gli organismi formano popolazioni che evolvono nel tempo attraverso cambiamenti di frequenze geniche (gli organismi mutano e si evolvono per il fenomeno dell’adattamento); 8. Auto-regolano il proprio ambiente interno, mantenendo condizioni che permettono loro di sopravvivere (omeostasi= meccanismo centrale di equilibrio) e procurandosi energia attraverso le reazioni interne che avvengono nel metabolismo COM’E’ COMPARSA LA VITA Da quando è nata la terra, alla comparsa delle prime forme di vita, sono passati circa seicento milioni di anni. I primi fossili risalgono a 3 miliardi e mezzo di anni fa e sono chiamati con il nome di stromatoliti, depositi di sedimento stratificati importanti perché prime testimonianze di forme batteriche; Per circa 2 miliardi di anni ci sono stati solo procarioti, dopo di che arrivarono i primi eucarioti e, ottocento milioni di anni fa, i primi organismi pluricellulari. Tutto il resto avvenne con una relativa velocità (l’homo sapiens risale a solo 500 mila anni fa) Rappresentiamo gli ultimi 5 minuti dell’ultimo giorno! → PASSAGGI IMPORTANTI Nonostante la Terra fosse ambiente fortemente inospitale, per i gas contenuti, si ipotizza che questi stessi gas includevano già delle componenti chimiche (molecole inorganiche), che hanno iniziato a interagire tra di loro (IPOTESI spinte da qualche energia ambientale tipo fulmini, energia solare o termica? non si sa, di diversa natura) *i primi organismi avevano un metabolismo anaerobico (non utilizzavano ossigeno, che era presente in piccola parte ma non libero nell’aria)* da qualcosa di inorganico può nascere qualcosa di organico? MILLER E UREY crearono un esperimento in laboratorio per dimostrarlo: in un'ampolla crearono un’atmosfera primordiale (miscela di gas); in un altra misero invece dell’acqua bollente per simulare il vapore acqueo. Infine era presente un sistema elettrico, simulatore dell’energia. RISULTATO: ottennero da delle molecole inorganiche (gas) delle molecole organiche! Hanno poi dimostrato che raffreddando il sistema, tali molecole andavano a formare un bacino di Molecole biologiche! Non si sa perchè ma in qualche modo, si ipotizza per accumulo, tali molecole formatesi,si sono allungate sempre di più e hanno iniziato a riprodursi formando: 1. gli acidi nucleici: molecole in grado di riprodursi e fare da stampo per la sintesi delle proteine; 2. membrane biologiche: membrane che delimitano le molecole biologiche, create da acidi grassi (molecole insolubili e idrofobiche che tendono ad aggregarsi in acqua); tali membrane creano delle sferette, ossia delle strutture chiuse che separano l’ambiente interno (dove gli acidi grassi si aggregano e inglobano nuove molecole) da quello esterno.All’interno tali membrane contengono anche del materiale genetico (RNA) → I PROCARIOTI E GLI EUCARIOTI Per 2 miliardi di anni, la vita fu rappresentata da singole cellule dette procarioti (no comparti interni): Bacteria (batteri) e Archea (archeobatteri). Si ipotizza che ad un certo punto alcuni tra questi batteri hanno iniziato ad interagire tra di loro, sino a fondersi, formando un terzo filone di organizzazione della vita: gli eucarioti: organelli specializzati delimitati, non da una, bensì da due membrane interne. Ad un certo punto, alcune cellule eucariotiche non si sarebbero separate dopo la divisione, iniziando a vivere come colonie, all’interno delle quale ciascuna cellula si specializzò per determinate funzioni, sino ad arrivare agli organismi multicellulari DIFFERENZE TRA LE DUE CELLULE -procarioti: prive di nucleo, hanno un piccolo cromosoma di forma circolare, disperso in una zona centrale del citoplasma detta nucleoide e associato a proteine basiche e a molecole anch’esse basiche denominate poliamine. Nonostante la sua semplicità costituisce i primi organismi viventi presenti sulla terra (batteri) e organismi (archeobatteri) in grado di resistere a valori estremi di temperatura e Ph, elevata salinità e mancanza di ossigeno. -eucarioti: possiedono un nucleo differenziato dal citoplasma e comprendono sia forme di vita unicellulari che pluricellulari, sono caratterizzate dalla presenza di strutture citoscheletriche e organuli membranosi. → LA FOTOSINTESI CLOROFILLIANA Circa 2.5 miliardi di anni fa, la fotosintesi ha cambiato la natura della vita sulla Terra. I primi organismi vivevano privi di ossigeno e si nutrivano di materiale organico; ma ad un certo punto per necessità di vivere, di fronte al quasi esaurimento del cibo, iniziarono a svilupparsi organismi autotrofi (che producono della materia organica). in che modo producevano materia organica questi nuovi organismi? con la fotosintesi clorofilliana. Uso dell’energia del Sole per produrre molecole ricche di energia a partire da molecole più semplici presenti nell’ambiente esterno: diossido di carbonio e acqua. Mentre una FOTOSINTESI BATTERICA era già in funzione, ma poiché rilasciava azoto nell’aria non produceva alcun cambiamento nell’atmosfera, questo nuovo tipo di processo trasformò (e trasforma tutt’oggi) l’anidride carbonica in ossigeno. FOTOSINTESI OSSIGENICA>Le prime cellule fotosintetiche erano probabilmente simili ai cianobatteri (procarioti,fotoautotrofi), e l’aumento dei procarioti fotosintetici portò ad un inevitabile aumento di ossigeno nell’atmosfera. conseguenze: L’accumulo di O2 condusse alla formazione dello strato di ozono (O3), uno strato in grado di assorbire la radiazione UV dannosa (molti degli organismi primordiali vivevano solo in acqua per non essere raggiunti da tali radiazioni). A partire da 500 milioni di anni fa, ci fu sufficiente ozono da permettere agli organismi di lasciare la protezione dell’acqua: gli organismi che potevano tollerare l’O2 proliferarono, mentre gli altri perirono (fatta eccezione di alcuni batteri sopravvissuti in luoghi pressoché privi di ossigeno come i fondali marini) L’abbondanza di O2 aprì nuove strade evolutive poiché il metabolismo aerobico è più efficiente del metabolismo anaerobico e permette agli organismi di aumentare le dimensioni. *EVOLUZIONI DEL METABOLISMO Prima non c’era ossigeno quindi gli organismi utilizzavano un METABOLISMO DI TIPO ANAEROBICO. Consumare senza produrre avrebbe portato ad una mancanza di cibo però, di conseguenza alcuni organismi svilupparono per adattamento e sopravvivenza un secondo tipo di metabolismo: FOTOSINTESI ANOSSIGENICA (consumavano CO2 e Acido solfidrico ⇒ producevano zucchero, acqua di scarto e zolfo). Nuovamente per delle mutazioni, alcuni organismi procarioti hanno iniziato una nuova fotosintesi, che invece di rilasciare zolfo e acqua, rilascia ossigeno da qui nasce il nome del terzo metabolismo, ossia la FOTOSINTESI OSSIGENICA (clorofilliana) L’INFORMAZIONE BIOLOGICA genoma= la somma di tutto il DNA (acido desossiribonucleico) contenuto in una cellula. DNA= polimero (molecola complessa) costituito da tante piccole unità chiamate nucleotidi. (nucleotide>filamento azzurro; è formato da un’alternanza di zucchero e fosfato, mentre i pioli in mezzo sono rappresentati dalle 4 basi azotate ATtenzione Guerrieri Cinesi). gene= tratto di Dna che trascrive l’RNA; il gene strutturale invece codifica l’informazione per fare una proteina (tratti del DNA che non codificano ne le proteine ne l’RNA sono chiamati geni spaziatori/spazzatura e sono utili all’organismo). RNA= molecola ad un solo filamento che costituisce una sorta di copia del Dna. Tutte le cellule di un organismo multicellulare possiedono lo stesso genoma; tuttavia cellule diverse hanno funzioni e struttura diverse. Esistono 252 tipi di cellule che differiscono per forma e funzioni; ma , se hanno lo stesso dna come fanno a variare così tanto? Questo succede per il processo di differenziamento cellulare: ognuna di esse esprime tratti diversi del DNA e nel corso dello sviluppo (a partire dalla forma embrionale) ciascuna cellula si differenzia e si specializza. Vi sono alcune cellule però, dette Zigote, non specializzate→ ad esempio la cellula staminale è una cellula non specializzata ma fondamentale in quanto capace di produrre cellule diverse con funzioni specifiche (nel dividersi genera una cellula uguale a se e una con una funzione specifica). CLASSIFICAZIONE IN BASE AL POTENZIALE DI DIFFERENZIAMENTO - totipotenti La totipotenza è la capacità della cellula di generare un organismo, e viene persa dopo la produzione di 8 cellule. Una cellula totipotente è ad esempio una cellula staminale che si autoriproduce ma è anche in grado di produrre altre cellule che si specializzano mano a mano, dividendosi. - pluripotenti La cellula generata dalla prima divisione non è come la prima, in grado di produrre tutti i tessuti ma solo alcuni , ossia solo nei tre strati germinali: l’endoderma, il mesoderma e l’ectoderma. - multipotenti Cellule ancora più specializzate, capaci di differenziarsi solo nei tipi cellulari del tessuto di cui fanno parte (es. ematopoietiche: sangue). - oligopotenti Ha capacità di differenziarsi solo in alcuni tipi di cellule. - unipotenti Ha capacità di differenziarsi in un singolo tipo di cellula (si riproduce e si divide nella cellula differenziata, che non si divide più). Durante la divisione cellulare il DNA si deve replicare in ogni singola cellula divisa: -se il processo non è perfetto avvengono delle mutazioni; -durante la replicazione il processo è semiconservativo: ogni cellula ha un filamento originario e uno di nuova produzione EVOLUZIONE TERMINOLOGIA - specie: una serie di organismi interfecondi, ossia con gameti compatibili che generano prole fertile; - popolazione: gruppi di individui della stessa specie che interagiscono tra di loro; → quando specie diverse interagiscono tra di loro fanno nascere ibridi (es: cavallo+asino=mulo) - evoluzione: è il cambiamento genetico della popolazione nel tempo TEORIA DELL’EVOLUZIONE DI LAMARCK Lamarck è stato il primo ha ideare una teoria dell’evoluzione basata su due leggi: - legge dell’uso e del disuso secondo la quale tanto più viene usata una parte del corpo tanto più essa si sviluppa e viceversa se cade nel disuso viene persa (esempio della giraffa); - legge dell’ereditarietà dei caratteri acquisiti: I un organismo trasforma le sue caratteristiche per adattarsi nell’ambiente e le tramanda alla sua prole TEORIA DI DARWIN Darwin ideò una differente teoria, basandosi sull’assunto per cui ogni specie produce dei gameti, che si mantengono più o meno costanti nel corso della riproduzione (ogni specie potrebbe riprodursi all’infinito), ma essendo le risorse naturali limitate, c’è una competizione tra le specie che fa sì che alcune continuino a riprodursi mentre altre no. Di conseguenza ogni specie e ogni organismo si adatta e genera delle variabilità tali per cui viene consentito loro di sopravvivere nell’ambiente e di continuare a riprodursi. L’evoluzione avviene a livello di popolazione e implica cambiamenti nelle generazioni delle caratteristiche che prevalgono nella popolazione → LE DUE TEORIE A CONFRONTO Entrambe le teorie ritengono l’ambiente un fattore importante nell’evoluzione delle specie, ma se da un lato Darwin crede nella selezione naturale, la teoria di Lamarck invece si basa solo sulla capacità di adattamento. Darwin a differenza di Lamarck non individua degli organismi con capacità adattive in grado di stravolgerne le caratteristiche, bensì ritiene che le specie si differenzino già in partenza secondo determinati aspetti, ma solo alcune sopravvivono (ci sono giraffe col collo lungo ed altre col collo corto, ma solo le prime sopravvivono) cosa sappiamo ad oggi su come avviene l’adattamento? Ad oggi sappiamo che, quando si replica, il genoma subisce delle mutazioni e accumulando mutazioni su mutazioni alcuni organismi traggono dei vantaggi mentre altri periscono. Quando le mutazioni fanno sì che alcune popolazione diventino isolate e del tutto differenti, esse non riescono più ad accoppiarsi con organismi “non mutati” e sono considerate specie diverse. CLASSIFICAZIONE DELLE SPECIE Lo scienziato Linneo, ha ideato un sistema di nomenclatura binaria per classificare le diverse specie, incasellandole in una gerarchie di unità tassonomiche: Egli ha identificato per ciascuna specie un nome scientifico binomiale, formato dal NOME GENERICO che ne identifica il gene, e il NOME SPECIFICO che definisce solo quella specie. Ogni specie quindi attraversa diverse gerarchie: es: VOLPE: animali> cordati> mammiferi> carnivori> canidi> volpe (gene)> volpe comune (specie); HOMO genere SAPIENS specie Un genere è un gruppo di specie che condividono un progenitore comune recente. Le specie che condividono una storia evolutiva recente sono unite in un livello più alto della classificazione e sono generalmente più simili tra loro rispetto a specie che condividono progenitori più distanti. Prende il nome di albero filogenetico la rappresentazione grafica delle relazioni tra antenati e discendenti. NB noi tutti deriviamo da Luca, la cellula procariota da cui è generata la vita →attuale classificazione delle specie (in continuo aggiornamento) come sono stati creati gli alberi filogenetici? - OMOLOGIA= caratteristiche presenti in diverse specie e ereditate da un antenato comune es: gli arti dei vertebrati - confrontando le basi del DNA delle specie Un'altra caratteristica individuabile tra le specie diverse, sulla quale però non fa fede l’albero filogenetico è: OMOPLASIA= strutture che hanno origine differente (no antenato comune) ma che hanno la stessa funzione (es: ali) TERMINOLOGIA ⇒ Un gruppo di individui della stessa specie è una popolazione; popolazioni di tutte le specie che vivono e interagiscono in un’area definita sono dette comunità (animali e piante di un prato); le comunità con il loro ambiente abiotico costituiscono un ecosistema. Le interazioni delle specie tra loro e con l’ambiente sono il soggetto dell’ecologia PERCHE’ LA BIOLOGIA E’ IMPORTANTE - PER L’AGRICOLTURA: a livello di produzioni, la conoscenza della biologia delle piante ha aumentato la produzione di cibo permettendo al pianeta di supportare una popolazione umana più grande. Inoltre nuovi ceppi di piante da runità fondamentale della materiaaccolto sono stati sviluppati per resistere a parassiti o per tollerare la siccità (OGM); - PER NUOVI MODELLI DI RICERCA: la biologia ha permesso l’utilizzo di un tipo di organismo modello (modelli animali) per comprendere altri organismi, in base alle scoperte riguardo la presenza di antenati comuni e di conseguenza di tratti comuni; - PER L’ECOSISTEMA: la biologia ha permesso di misurare l’impatto che le attività umane hanno, con cambiamenti a tassi mai raggiunti prima sui sistemi terrestri (ad esempio ’aumento della CO2 atmosferica è responsabile del riscaldamento del clima, contribuendo all’estinzione di specie e alla diffusione di malattie); - PER LA RICERCA BIOMEDICA: la ricerca biologica spiega come gli organismi funzionino e come essi sviluppino problemi e patologie (ora sappiamo che alcune malattie derivano da variazioni genetiche); - PER AZIONI GOVERNATIVE: la nostra nuova capacità di decifrare e modificare i genomi solleva questioni etiche e politiche.I biologi sono chiamati ad informare le agenzie governative su numerose questioni (es la pesca eccessiva del tonno rosso). ATOMI E MOLECOLE LA STRUTTURA DELL’ATOMO Tutta la materia è composta di atomi. La parola atomo significa indivisibile, poiché si pensava che questi, in quanto fossero la più piccola particella esistente: errato, esistono le particelle subatomiche! OGNI ATOMO E’ COMPOSTO DA: > un nucleo denso e carico positivamente (neutroni e protoni); > elettroni che ruotano attorno al nucleo Gli atomi hanno una carica neutra e una massa misurabile in UMA (unità di massa atomica) o Dalton; la massa di un protone o di un elettrone corrisponde ad 1 UMA o 1 Dalton, ossia 1,7 x 10 (-24) grammi. La massa degli elettroni è 2 millesimi di quella di un protone Quando si parla di atomi generalmente si parla anche di: -sostanze= una composizione chimica definita, detta elementare/pura quando è costituita da atomi dello stesso tipo; -elementi= sostanza pura contenente un solo tipo di atomo; un elemento è definito da un simbolo e dal numero atomico Z ossia il numero di protoni. Il numero di protoni ed elettroni dell’atomo si equivalgono e ne determinano le proprietà chimiche e fisiche.Oltre ad il numero atomico un altro importante fattore che caratterizza gli elementi è il numero di massa A ossia la somma dei protoni e dei neutroni che troviamo nel nucleo. Il numero di massa in poche parole corrisponde alla massa dell’atomo espressa in dalton. Gli elementi sono organizzati secondo nella TAVOLA PERIODICA di Mendeleev, secondo l’ordine crescente di numero atomico e secondo l’elettronegatività (aumenta da sinistra a destra e diminuisce dall’alto verso il basso) Eccetto l’idrogeno tutti gli elementi hanno più di un protone. Gli isotopi Atomi appartenenti allo stesso elemento (quindi aventi lo stesso numero atomico) ma aventi un differente numero di massa sono detti isotopi di quell’elemento. Questi occupano lo stesso posto nella tavola periodica e sono indicati ponendo il valore del numero di massa come esponente del simbolo. In realtà, tutti gli elementi presenti in natura sono una miscela di vari isotopi; di conseguenza per definire il peso di un singolo elemento, più che far fede sul numero di passa, si preferisce calcolare il peso atomico, ossia la media ponderale delle masse dei diversi isotopi, che tenga conto della frequenza con cui in natura si trovano determinati isotopi. Ad esempio il Carbonio 12 (99%) è molto frequente mentre il 13 e il 14 sono estremamente rari, per questo il peso atomico è 12,01 formule (12*0.99)+813*0,01)=12,01 Alcuni isotopi sono instabili e tendono a modificare la loro configurazione nucleare “decadendo” in atomi più stabili (l’atomo iniziale diventa un altro elemento), rilasciando quantità di energia impressionanti. L’energia viene emessa spesso sotto forma di radiazioni ed è per questo motivo che tali isotopi vengono chiamati radioisotopi o semplicemente radioattivi. →Gli isotopi radioattivi hanno diversi campi di applicazione:in ambito biomedico a fini diagnostici la radiazione emessa può essere utilizzata per individuare la presenza di radioisotopi; inoltre i radioisotopi possono venire iniettati attraverso dei farmaci ed agire come marcatori di funzionalità degli organi (procedura alla base della PET). PRO E CONTRO: se da un lato queste nuove tecniche permettono diagnosi più accurate e vantaggi clinici, così come anche accuratezza maggiore nella datazione dei fossili (grazie all’utilizzo del carbonio 14); hanno anche punti a sfavore dato che la radiazione può danneggiare cellule e tessuti (tra cui il DNA) e nutrono le cellule tumorali.  GLI ORBITALI Gli elettroni essendo carichi negativamente sono attratti dal nucleo, che è positivo; ma non tutti gli elettroni sono disposti ugualmente attorno ad esso. Inizialmente si pensava si muovessero seguendo orbite circolari, ma in realtà si è scoperto che, a seconda dell’energia di cui sono dotati, si distribuiscono su diversi livelli energetici, 7 in totale (gli elettroni con maggiore energia saranno disposti all’esterno perchè anche da lontano subiscono l’attrazione) Nell’ambito di ciascun livello energetico gli elettroni si muovono intorno al nucleo, venendosi a trovare con maggiore probabilità in regioni di forma definita, gli orbitali. Gli orbitali non sono semplici traiettorie (impossibili da definire perché gli elettroni si muovono troppo velocemente), bensì si tratta di ragioni di spazio tridimensionali, all’interno delle quali abbiamo il 90% di probabilità di trovare un elettrone. → CARATTERISTICHE DEGLI ORBITALI Ogni orbitale può accogliere un massimo di 2 elettroni con spin (rotazione attorno al proprio asse) diverso; a loro volta i vari livelli energetici possono accogliere un numero di orbitali sempre più grande con l'aumentare della distanza del livello energetico dal nucleo. I fisici hanno individuato 4 differenti tipi di orbitale S forma sferica, al massimo 2 elettroni (la sua dimensione cresce in relazione all’energia) P: forma di manubrio, ogni livello presenta 3 orbitali diversi (2 elettroni ciascuno)=6 totali D: 5 orbitali diversi= 10 elettroni totali F solo a livelli energetici più alti, 7 diverse possibili configurazioni spaziali= 14 elettroni totali Gli orbitali non si riempiono gradualmente ma seguono una sequenza specifica, muovendosi dal nucleo alla periferia, e non iniziano ad occupare un sottolivello (s, p,...) se prima non sono stati riempiti i sottolivelli a più bassa energia. Il primo livello sono due elettroni nell’orbitale s; il secondo livello sono due nell’s e sei nei tre orbitali p… e così via gli altri livelli da elementi con più di 10 elettroni. Negli atomi con più di 18 elettroni l’aumento del numero dei sottolivelli porta alla sovrapposizione dei livelli che possiedono valori di n diversi. perché un orbitale contiene al massimo 2 elettroni? Poiché gli elettroni, avendo entrambi carica negativa, tendono a respingersi; eccetto quando hanno spin opposto→ ho due sensi di rotazione per cui ho solo 2 elettroni che possono occupare lo stesso orbitale ELETTRONI DI VALENZA Il livello energetico più esterno è detto strato di valenza e determina il comportamento chimico dell’atomo e come esso interagisce con altri atomi. Gli elettroni nel livello energetico più esterno sono detti elettroni di valenza e sono al massimo 8. Nella tavola periodica tutti gli elementi che si trovano nella stessa colonna hanno la stessa distribuzione di atomi nel livello esterno, mentre tutti gli elementi che si trovano sulla stessa riga hanno lo stesso numero di livelli energetici. Se il livello più esterno è completo e l’atomo è stabile non reagirà con altri atomi (es gas nobili); gli atomi reattivi hanno invece elettroni spaiati nel loro livello energetico esterno dunque sono più propensi a legarsi con altri atomi per trovare maggiore stabilità. → la regola dell’ottetto Gli atomi con meno di 8 elettroni (reattivi) tendono a legarsi con uno o più atomi che hanno gli elettroni mancanti, così da ospitare 8 elettroni nel loro livello più esterno e formare molecole stabili. La stabilità è raggiungibile attraverso varie modalità: gli atomi reattivi possono condividere elettroni, perderli o guadagnarli, diventando atomi legati insieme a formare molecole; basta che non mantengano la loro forma naturale con elettroni spaiati. I LEGAMI CHIMICI A qualsiasi livello di organizzazione, la materia tende a raggiungere il massimo grado di stabilità energetica, e nel caso degli atomi, come precedentemente visto, essi tendono a interagire tra di loro per raggiungere tale stabilità, cedendo o mettendo in comune degli elettroni. Da tali interazioni atomiche consegue la formazione dei cosiddetti legami chimici. I legami chimici sono una forza di attrazione che lega atomi insieme, a formare una molecola. Ci sono diversi tipi di legami chimici. 1) IL LEGAME COVALENTE Il legame covalente è il legame che si forma quando due atomi condividono una o più paia di elettroni così da completare i gusci più esterni. In questo tipo di legame gli atomi non cedono elettroni, ma li condividono! (orbitali si fondono). **terminologia: Questi legami sono molto solidi e resistenti e le associazioni stabili che ne risultano sono dette molecole. Quando una molecola è costituita da due o più elementi diversi legati insieme prende il nome di composto. L'acqua ad esempio è una molecola ma anche un composto, perché è fatta da atomi di natura diversa, sempre legati tra loro in delle proporzioni fisse. La somma dei pesi atomici degli atomi che costituiscono una data molecola è detto peso atomico, ad esempio il peso atomico dell’acqua è 18 (16 di O e 2 di H). Inoltre è detta mole di una data sostanza la quantità in grammi corrispondente al valore in dalton del peso molecolare. La mole serve perché misurare il dalton è impossibile per uno scienziato. Le molecole in una mole sono un numero costante: ; detto numero di Avogadro. La molarità è la concentrazione di una sostanza chimica in una soluzione; è definita come numero di moli della sostanza in 1 L di soluzione. Una soluzione 1 molare (1M) è 1 mole di una sostanza disciolta in acqua per costituire 1 litro di soluzione. NB: Quando ci si occupa dei tessuti viventi, le concentrazioni sono molto ridotte dunque non si parla di moli. ** ES:come si forma una molecola di gas metano (CH4)? L’atomo di carbonio condivide 4 elettroni con atomi di idrogeno e crea 4 legami covalenti Quando due atomi mettono in condivisione 2 o 3 elettroni il legame covalente non è più singolo, ma doppio o triplo. Occorre molta energia per spezzare un legame covalente (detta energia di legame) dato che questi a temperature normali sono molto stabili, sebbene al loro interno possano avvenire cambiamenti. Un altro parametro utile per descrivere la forza di attrazione che unisce due atomi in un legame covalente è la lunghezza di legame; cioè la distanza tra i nuclei dei due atomi legati, espressa in Armstrong; la lunghezza e l’angolo di questi legami sono fissi, tuttavia quando c’è solo un legame covalente la forma delle molecole può cambiare e gli atomi possono ruotare intorno ad un legame. POLARE E APOLARE La condivisione degli elettroni in un legame covalente non è sempre uguale, bensì risente dell’elettronegatività: la forza attrattiva che un atomo esercita sugli elettroni in un legame. L’elettronegatività dipende da vari fattori, tra cui il numero di protoni (+ protoni + elettronegativa) dalla distanza tra nucleo ed elettroni (+ gli elettroni sono vicini al nucleo, maggiore è la forza elettronegativa). In base condivisione degli elettroni il legame covalente è: ← APOLARE quando gli elettroni sono equamente condivisi (gli atomi hanno elettronegatività simile); → POLARE quando gli elettroni vengono attratti verso il nucleo di un atomo, più che verso un altro, data la maggiore elettronegatività Quando un legame è apolare, a causa di una condivisione diseguale, si viene a creare una porzione della molecola con una leggera carica positiva e un’altra con leggera carica negativa (es acqua) 2) IL LEGAME IONICO Ioni →In particolari condizioni un atomo può completamente perdere o acquistare un elettrone; così facendo l’atomo o la molecola può assumere una carica positiva o negativa. Un atomo con carica netta diversa da zero è detto ione; uno ione con carica positiva è detto catione, con carica negativa anione. Gli ioni di segno opposto si attraggono l’uno con l’altro, stabilizzandosi e formando dei legami ionici; legami che si hanno quando un atomo è molto più elettronegativo di un altro e avviene un trasferimento di elettroni. (no condivisione) I gruppi di atomi legati covalentemente e dotati di carica prendono il nome di ioni complessi. ES L’ammoniaca: l’atomo di azoto nella sua forma primordiale ha 7 elettroni e 3 elettroni nello stato liberi; quando l’azoto si lega con l’idrogeno mette in condivisione i suoi tre elettroni di valenza (legame covalente triplo); ad un certo punto però un idrogeno carico positivamente viene attratto dagli altri due elettroni nello stato di valenza dell’azoto e di conseguenza lo ione azoto (carico -) condivide entrambi i suoi elettroni con lo ione idrogeno (carico +) → c’è condivisione ma non è equa (solo da parte dell’azoto) Laddove abbiamo legami ionici si parla anche di attrazioni ioniche poiché le cariche opposte generano un’attrazione elettrostatica. Queste attrazioni sono forti in forma solida mentre risultano più deboli in acqua, dove gli ioni sono distanziati e l'attrazione è più debole ES Il cloruro di sodio è un sale sotto forma solida, ma quando lo mettiamo nell’acqua si scioglie e l'acqua, essendo composta da molecole polari, rompe i legami e crea un involucro che circonda gli ioni, orientandosi in maniera specifica (la molecola d’acqua si lega attraverso la sua parte positiva dove abbiamo il cloro; invece dove abbiamo il sodio la molecola d’acqua si lega con la parte negativa) 3) IL LEGAME IDROGENO Il cosiddetto legame idrogeno è un legame particolare, detto anche ponte idrogeno, in cui un atomo di idrogeno positivo (reso positivo dal legame covalente con un atomo elettronegativo) si lega con uno ione carico negativamente ES acqua: l’ossigeno ha carica negativa, si lega con due atomi di idrogeno di carica positiva. I legami ad idrogeno che si formano tra molecole d’acqua sono importanti nella struttura di Dna e proteine in quanto stabilizzatori. Le molecole polari che formano i legami a idrogeno con l'acqua sono dette idrofile mentre al contrario quelle non polari che non vi interagiscono idrofobiche. I legami a idrogeno sono resistenti, ma non quanto quelli covalenti. - LE FORZE DI VAN DER WAALS Prendono il nome di forze di Van der waals le attrazioni tra elettroni di molecole non polari (ma anche polari) vicine tra loro.Queste interazioni sono brevi e deboli, e la ragione per cui si hanno sono le variazioni causali nella distribuzione degli elettroni nelle molecole. Le forze di Van der Waals tengono unita la materia e, nel caso delle sostanze non polari, sono responsabili dei diversi stati in cui essa si trova. - LE REAZIONI CHIMICHE Le reazioni chimiche avvengono quando gli atomi collidono con sufficiente energia da combinarsi o cambiare i loro partner di legame. Di conseguenza si vanno a rompere i vecchi legami e se ne creano di nuovi. Le sostanze di partenza vengono dette sostanze reagenti mentre quelle finali prodotti. ES propano e ossigeno (reagenti) → diossido di carbonio (prodotto) Il passaggio di elettroni tra atomi è detta azione di ossido-riduzione; più in particolare parliamo di ossidazione in corrispondenza ad una perdita di elettroni mentre di riduzione in corrispondenza ad un acquisto di questi ultimi. In una reazione chimica vi è sempre un elemento che perde e si ossida così come uno che acquista e si riduce. L’agente riducente (es il propano) cede elettroni e si ossida e fa avvenire la riduzione; l’agente ossidante invece (es l’ossigeno) acquista elettroni, si riduce e fa avvenire l’ossidazione. In tutte le reazioni chimiche, materia ed energia non sono né create né distrutte. Alcune reazioni chimiche rilasciano energia (esoergoniche) mentre altre la richiedono (endoergoniche) e queste reazioni sono spesso collegate. L’ACQUA L’acqua è una molecola fondamentale nella vita di tutti gli esseri viventi, dato che il corpo umano è costituito per più del 70% dal proprio peso da acqua, la maggior parte delle reazioni biochimiche avviene in acqua e la vita stessa è nata nell’acqua. La sua struttura è unica e ha delle speciali proprietà fisico-chimiche; l’acqua è un dipolo (molecola polare) e forma legami a idrogeno con ioni e molecole polari. PROPRIETA’ DELL’ACQUA  - Espansione in seguito a congelamento Le molecole d’acqua sono legate tramite legami a idrogeno e i legami a idrogeno influenzano lo stato fisico in cui si trovano le molecole acquose STATO LIQUIDO → nello stato liquido le molecole, per energia cinetica sono in continuo movimento e i legami facilmente si rompono e si riformano (1 milione di volte in un minuto); STATO GASSOSO → se aumentiamo la temperatura, aumenta l’energia cinetica delle molecole; a 100 gradi queste si separano tra di loro e diventano gassose (non formano più legami e si allontanano definitivamente); STATO SOLIDO → se abbassiamo la temperatura l’energia cinetica diminuisce; a temperatura ottengo -COOH (che non è carica, diviene idrofobo) Dal momento che variazioni del ph hanno effetti massivi, gli organismi utilizzano svariati meccanismi per minimizzare i cambiamenti di pH nelle loro cellule e nei tessuti e mantenere l’omeostasi (equilibrio interno, costanti condizioni interne). In laboratorio invece, viene impiegato l’utilizzo di tamponi (o buffer) ossia una miscela di un acido debole e la sua base corrispondente. I componenti del tampone sono uno ione che si comporta da base (di idrogeno fosfato) e un altro che si comporta da acido (monoidrogeno fosfato); il buffer deve essere una miscela di entrambi perché tali ioni: - Riducono l’eccesso di OH- attraverso lo ione che di comporta da acido - Riducono l’eccesso di H+ attraverso la base LE MOLECOLE BIOLOGICHE Le molecole biologiche sono per lo più polimeri (a eccezione dei lipidi), ossia sono costituite da legami covalenti tra monomeri (solo quando ci sono centinaia di monomeri legati tra di loro abbiamo l’effettiva molecola). Le molecole biologiche sono anche dette macromolecole (perchè hanno pesi molecolari inferiori ai 1’000 Dalton) e si distinguono in: - proteine: i monomeri si legano a formare 20 combinazioni di amminoacidi→ polimeri (legame peptidico); - carboidrati: zuccheri monomeri (monosaccaridi) si legano a formare polisaccaridi→ polimeri (legame glicosidico); - acidi nucleici: monomeri si legano a formare 4 tipi di nucleotidi→ polimeri (legame fosfodiesterico); - lipidi: non sono classificati polimeri, perché i monomeri non sono legati da forze covalenti! I quattro tipi di macromolecole sono presenti nelle stesse proporzioni in tutti gli organismi viventi ed hanno funzioni simili; per questo motivo gli organismi possono ottenere le macromolecole necessarie cibandosi di altri organismi. I GRUPPI FUNZIONALI Nelle molecole biologiche ricorrono spesso raggruppamenti di atomi specifici che prendono il nome di gruppi funzionali, ossia gruppi di atomi con proprietà chimiche specifiche. Tali gruppi: → possono rendere polare o apolare una molecola permettendole di reagire con altri gruppi; → determinano le proprietà e le funzioni delle macromolecole. Una singola macromolecola può avere più gruppi funzionali e un gruppo funzionale di una molecola può reagire con il gruppo funzionale di un’altra molecola, permettendo che le due molecole si uniscano tramite un legame covalente in una singola e più grande. CARBONIO E ISOMERIA Tutte le molecole biologiche sono costituite da elementi di carbonio: il carbonio a causa delle sue proprietà particolari può dare origine a tutte le macromolecole biologiche. C: è un elemento leggero (Z=6) caratterizzato dalla presenza di 4 elettroni di valenza. La grande versatilità dell’atomo C fa sì che, a parità di atomi costituenti, una data molecola poli carboniosa possa esistere in diverse forme, dette isomeri (stessa formula chimica ma disposizione diversa) - ISOMERI DI STRUTTURA:a parità di formula molecolare, differiscono nel modo in cui gli atomi sono legati tra loro, cioè gli atomi sono disposti in modo diverso (diversa connettività)  - ISOMERIA GEOMETRICA (CIS-TRANS): nel caso in cui a parità di formula e connettività, i due atomi di carbonio si orientano in modo diverso attorno ad un doppio legame (cis quando sono orientati dalla stessa parte, trans quando sono orientati dalle parti opposte) - ISOMERIA OTTICA: si ha quando un atomo di carbonio è asimmetrico, ossia è legato a 4 atomi o gruppi diversi. Per motivi di configurazione geometrica si formano in questo caso due molecole speculari tra di loro (ossia nonostante siano gli stessi atomi con gli stessi legami, se ruotate non combaciano). Si chiamano ottici perché hanno diversa capacità di fare ruotare la luce polarizzata (D, destrogiro; L, Levogiro). CONDENSAZIONE E IDROLISI come si formano i polimeri? I polimeri si formano a partire dal processo di condensazione: due monomeri si uniscono (OH si unisce all’H) con un legame covalente e creano una molecola d’acqua che viene eliminata (rimozione dell’acqua= condensazione/disidratazione) Ma i polimeri a loro volta possono anche essere scissi attraverso il processo di idrolisi: viene aggiunta una molecola d’acqua che reagisce con i legami covalenti, rompendoli; il gruppo H+ rimasto si lega ad un altro monomero e così anche il gruppo OH- LE PROTEINE Le proteine sono macromolecole che costituiscono la maggior parte delle strutture della cellula e della matrice extracellulare. Le proteine sono caratterizzate da una grande complessità strutturale dalla quale discendono una molteplicità di funzioni. Le proteine sono polimeri di 20 diversi amminoacidi (il numero di proteine composte è enorme poiché è dato dalla diversa possibile combinazione tra questi) che si legano tra loro in sequenze lineari dette catene polipeptidiche. Prende il nome di catena polipeptidica il polimero lineare (non ramificato) di amminoacidi. Il termine amminoacido indica un insieme di molecole costituito da: -gruppo carbossilico (COO e H tendono a scindersi> acido) - gruppo amminico (basico) - atomo di idrogeno - UNA CATENA LATERALE R: un qualcosa di specifico da cui dipendono le differenze tra amminoacidi L’atomo di carbonio è unito a 4 atomi di gruppi diversi, dunque è asimmetrico, e può presentare due forme isomeriche; in base alla posizione del gruppo amminico prende il nome di: D-amminoacidi e L-amminoacidi (forma presente negli organismi; la D sta per destra la L per sinistra). Gli amminoacidi sono molecole anfotere:si comportano sia da acidi che da basi → a ph neutro il gruppo carbossilico e quello amminico sono dissociati, ma a ph basico perdendo un H+ il gruppo carbossilico COOH si comporta da acido; mentre a ph acido il gruppo amminico acquista un H+ e si comporta da base. I GRUPPI R Il ruolo biologico di un amminoacido dipende dalle caratteristiche del suo gruppo r/ catena laterale: un gruppo R differente implica una funzione diversa. In base ai differenti gruppi R gli amminoacidi possono essere raggruppati: 1) Amminoacidi con catene laterali idrofiliche e dotate di una carica elettrica: 5/20 amminoacidi hanno una catena laterale che ha una carica, o positiva o negativa, dunque interagiscono con molecole a loro volta cariche (in modo opposto) e sono idrofilici 2) Amminoacidi con catene laterali idrofiliche e polari ma prive di carica 5/20 amminoacidi sono sempre idrofilici ma la catena laterale R non è carica, dunque sono molecole polari ma non ionizzate e tendono a legarsi con altre molecole polari. 3) Amminoacidi apolari e idrofobici 7/20 amminoacidi hanno il gruppo R apolare, dunque tendono ad aggregarsi tra di loro e stare nella posizione più interna della proteina; 4) Casi speciali 3/20 amminoacidi sono particolari: 4.1: cisteina (SH)→ presenta un atomo di zolfo nel suo gruppo R; quando incontra un'altra cisteina tende a formare un legame tra i due atomi di zolfo, detto ponte di solfuro, ripiegandosi ( i due H vengono eliminati e S si lega con S); 4.2: glicina (H) → ha solo un atomo di idrogeno nel gruppo R, si può posizionare ovunque all’interno della proteina (ripiegamenti stretti); 4.3: prolina → il gruppo R si lega direttamente al gruppo amminico, non ha una catena propria perché essa si curva e si lega al gruppo amminico formando un anello (maggiore rigidità) I LEGAMI PEPTIDICI Gli amminoacidi sono legati covalentemente tra loro in una reazione di condensazione tramite legami peptidici.Il legame peptidico è un legame covalente molto resistente che si origina dalla reazione chimica tra il gruppo amminico di un amminoacido (-NH2) e il gruppo carbossilico (-COOH) di un altro amminoacido, con l’eliminazione di una molecole H2O. - la testa che segna ’inizio della catena polipeptidica è il gruppo amminico del primo amminoacido: l’N-terminale; - la coda che segna la fine della catena polipeptidica è il gruppo carbossilico dell’ultimo amminoacido: C-terminale. Il legame tra C e N è molto robusto e non rotazionale, limitando l’angolo con cui la catena polipeptidica può ripiegarsi; per potersi scindere sono necessari particolari enzimi, le proteasi, che permettono di ottenere dal cibo gli amminoacidi essenziali Di questi 20 amminoacidi 11 sono non essenziali perché riusciamo a sintetizzarli, 9 invece sono essenziali perché sono assumibili solo con l'alimentazione. + All’interno di un amminoacido abbiamo distribuzioni di cariche: l’ossigeno legato al C (CO) presenta una piccola carica negativa (δ– ), mentre l’idrogeno legato all’azoto (NH) ha lieve carica positiva (δ+ ). Ciò favorisce legami a idrogeno nella stessa molecola e tra molecole STRUTTURE La sequenza di amminoacidi e i gruppi R determinano la struttura e la funzionalità della proteina; le strutture si differenziano in base alla loro forma in: PRIMARIA:monomeri di amminoacidi sono uniti a formare catene polipeptidiche; questa struttura è stabilizzata unicamente da legami polipeptidici e ogni proteina ha una propria e caratteristica struttura  primaria (Il numero di proteine diverse che possono essere composte a partire da 20 amminoacidi è enorme!) SECONDARIA: Le catene polipeptidiche possono formare alfa eliche o foglietti beta, ripiegamenti dati dalla presenza di legami a idrogeno. →α elica: la catena inizia a spiralizzarsi perchè l’ossigeno (-) che è legato al carbonio si va a legare con un idrogeno (+) legato ad un azoto di un amminoacido a distanza;gli amminoacidi formano un elica con avvolgimento destrorso (gira nel verso delle dita del pugno destro) che gira su sé stessa data la formazione di legami a idrogeno ; i gruppi R sporgono all’esterno. → foglietto β pieghettato: la catena polipeptidica si ripiega su se stessa e due lati della catena, vicini tra di loro, nuovamente si legano tra di loro sempre attraverso legami idrogeno (idrogeno e ossigeno).; i gruppi R sporgono in modo alternato sulle due facce del foglietto. Una proteina può avere sia organizzaziona ad α elica che foglietto β nella stessa catena TERZIARIA:I polipeptidi si ripiegano su loro stessi dando origine a forme specifiche tridimensionali. Nella struttura terziaria i legami non si formano più tra amminoacidi ma solo tra gruppi R e gruppi R e l’ambiente circostante, e possono essere di vario tipo:legami disolfuro covalenti tra le cisteine, legami a idrogeno o aggregazione di catene laterali idrofobiche all’interno della proteina (contribuiscono al ripiegamento le forze di van der Waals). Le strutture terziarie hanno diverse configurazioni: a nastro, a bastoncini o a spazio pieno. → tutte le proteine hanno fino alla struttura terziaria, solo alcune presentano legami più complessi: QUATERNARIA: Due o più polipeptidi possono aggregarsi formando grandi molecole proteiche; i legami che ne permettono l’aggregamento sono gli stessi delle terziarie, con l’aggiunta delle attrazioni ioniche tra catene con cariche positive e negative (es. arginina e acido glutammico). ES l’emoglobina: 4 diverse catene, 2 alfa e 2 beta. + Nel legarsi con altre molecole le proteine possono anche effettuare legami non covalenti; in generale i gruppi R si legano con altre molecole in base a: 1.la forma: dev’esserci un generale “adattamento” tra le forme 3D della proteina e dell’altra molecola; 2.chimica: gruppi R sulla superficie interagiscono con altre molecole tramite legami ionici, idrofobici o a H. ALTERAZIONI DEI LEGAMI cosa succede se vengono scaldate? I legami peptidici sono estremamente forti, tuttavia se vengono riscaldati, aumenta l’energia cinetica e la mobilità degli amminoacidi e i legami più deboli (secondario e terziario) si vanno a rompere mentre rimane solo la struttura primaria;in questo caso si dice che la proteina è denaturata Tuttavia quando viene raffreddata, la proteina torna alla normale struttura terziaria, dimostrando che l’informazione che specifica la forma proteica è nella struttura primaria. La cottura delle proteine le rende più digeribili, perché gran parte dei legami più deboli sono già stati rotti,e i nostri enzimi devono solo rompere i legami peptidici. Le condizioni ambientali a cui le proteine sono esposte possono colpire la struttura secondaria e terziaria che dipendono da legami deboli: Alta temperature: accelerano movimenti molecolari. Rottura legami; Cambiamenti di pH: modificano la ionizzazione dei gruppi amminici e carbossolici nei gruppi R, il gruppo da polare diventa apolare e modifica la proteina; Alta concentrazione di molecole polari: le molecole polari rompono e alterano legami idrogeno; Sostanze non polari: le sostanze non polari e idrofobiche alterano e rompono i legami. Inoltre la forma della proteina può cambiare fisiologicamente come risultato di: Interazione con altre molecole: Gruppi R si legano a gruppi su un’altra molecola annullando le interazioni dentro il polipeptide; Modifica covalente: se aggiungo un gruppo carico negativamente, rendo l’amminoacido negativo e la posizione diventa più esterna ES. Aggiunta gruppo fosfato carico a un gruppo R poco polare. Da idrofobico e idrofilico e cambio posizione. + CHAPERON MOLECOLARI Le proteine possono legarsi alle molecole errate dopo denaturazione o quando sono appena prodotte e ancora dispiegate.→ gli chaperon (accompagnatori) molecolari accompagnano e aiutano la struttura primaria ad avvolgersi su se stessa e ad assumere la configurazione prevista I CARBOIDRATI I carboidrati, comunemente chiamati anche zuccheri, sono molecole omogenee da un punto di vista chimico perchè la formula generale dei carboidrati è essenzialmente → La struttura dei carboidrati è fatta da atomi di C legati ad atomi di idrogeno (-H) e gruppi ossidrilici (-OH) che le rende idrofile (solubili in acqua) e un gruppo carbonilico all’estremità (atomo di carbonio che ha un doppio legame con un atomo di ossigeno CH2OH) LE FUNZIONI - Sorgente di energia in particolare per le unità fondamentali dei monomeri; - Possono essere utilizzati come trasportatori di energia immagazzinata; - Possono fornire da base per strutture più complesse per altre molecole; - Hanno una funzione strutturale: formano agglomerati extracellulari come le pareti cellulari, che danno struttura (es cellulosa) CLASSIFICAZIONE I carboidrati si distinguono in base al numero di monomeri in: MONOSACCARIDI zuccheri semplici (es: glucosio) con un'unica molecola; DISACCARIDI due monosaccaridi legati tramite legami covalenti (es: saccarosio); OLIGOSACCARIDI 3-20 monosaccaridi legati tra di loro con legami covalenti; POLISACCARIDI possono contenere centinaia di migliaia quantità di monomeri (es: amido, glicogeno, cellulosa). MONOSACCARIDI Il glucosio è il monosaccaride per eccellenza: tutte le cellule usano glucosio (monosaccaride) come sorgente energetica. ↙️ Il glucosio presenta due configurazioni: catena lineare e ad anello (quella più comune negli esseri viventi). La forma ad anello esiste come glucosio α o β (diversa disposizione gruppo – H). I monosaccaridi sono classificati in base al numero di atomi di Carbonio in: -triosi: 3 atomi di C; -tetrotriosi: 4 atomi di C -pentosi: 5 atomi di C (RNA e DNA) -esosi: 6 atomi di C (glucosio e fruttosio, che ha la forma di un pentagono). -eptosi: 7 atomi di C ⇒ I LEGAMI GLICOSIDICI Come per le proteine esistono i legami peptidici, i monosaccaridi del carbonio sono legati tra loro in reazioni di condensazione per formare legami glicosidici (i monomeri si avvicinano, viene eliminata una molecola d’acqua e si forma il legame); i legami glicosidici possono essere α o β (sempre a seconda della disposizione del gruppo H e si conseguenza OH> alfa H sopra). Quando si vengono a creare tali legami va specificato tra quali atomi di carbonio avvengono così come quanti atomi sono coinvolti; inoltre asseconda di dov’è il gruppo OH bisogna specificare se il legame è alfa o beta. ES legame 1-4, α glicosidico DISACCARIDI I disaccaridi sono dati dall’unione di due monosaccaridi. Ad esempio: il saccarosio è dovuto dall’unione del glucosio e del fruttosio; e il legame è alfa-1,2 glicosidico OLIGOSACCARIDI Gli oligosaccaridi sono l’unione di da 3 a 20 monosaccaridi, e sono brevi catene che tendono ad essere legate a proteine o lipidi. La loro funzione è quella di agire come segnali di riconoscimento. ES: I gruppi sanguigni umani hanno la loro specificità data da catene oligosaccaridiche. I POLISACCARIDI I polisaccaridi sono giganteschi polimeri di monosaccaridi (con o senza ramificazioni). Hanno 2 diverse funzioni e diversi gradi di ramificazione, e sulla base delle loro caratteristiche vengono classificati in: -POLISACCARIDI DI RISERVA: fungono da risorsa energetica immagazzinando lo zucchero accumulato: - l’amido è il magazzino di glucosio nelle piante> in assenza d’acqua i monosaccaridi formano ammassi di amido, usati solo successivamente, nel momento in cui una pianta germoglia; - il glicogeno è il magazzino di glucosio negli animali, presente anche nel fegato e nei muscoli> accumula all’interno di una cellula il citoplasma formando dei depositi. -POLISACCARIDI DI STRUTTURA: - cellulosa è il polisaccaride più abbondante sulla terra, è definito molto stabile e resistente è ideale come componente strutturale perché presenta dei legami glicosidici di tipo beta, piuttosto rari in natura; tali legami possono essere rotti solo dalla cellulasi, una famiglia di enzimi prodotti solo da batteri e funghi (non viene sintetizzata da tutti gli esseri viventi); -chitina è un polimero di amminozuccheri (un gruppo amminico si sostituisce a un Gruppo –OH) simile alla cellulosa (catene lineari) ma presente negli animali; aiuta alla formazione dell’esoscheletro degli insetti, di molti crostacei e funghi. *cellulosa, amido e glicogeno I LIPIDI Mentre gli zuccheri costituiscono una classe di molecole omogenee i lipidi sono una classe di molecole eterogenee, accomunate da un carattere di spiccata idrofobia. I lipidi sono idrocarburi (contengono soltanto atomi di carbonio e di idrogeno) non polari; insolubili in acqua (idrofobici); non sono considerati polimeri perché non legami covalenti. Quando sono vicini sono legati dalle forze di van der Waals. FUNZIONI Grassi e oli: immagazzinano energia. Fosfolipidi: ruolo strutturale nelle membrane cellulari. Carotenoidi e clorofille: catturano l’energia luminosa nelle piante. Steroidi e acidi grassi modificati: ormoni e vitamine. Grassi animali: formano il pannicolo adiposo che permette isolamento termico.  Il rivestimento lipidico (mielina) attorno ai nervi fornisce isolamento elettrico. Oli (che noi stessi produciamo) e cere (prodotte dalle piante) su pelle, pelliccia e penne sono idrorepellenti. OLI E GRASSI Sono trigliceridi perchè ognuna di queste macromolecole è costituita da tre acidi grassi (= o ≠) che contengono fino ad un massimo 20 atomi di carbonio e sono fortemente idrofobi. In cima abbiamo il COH (gruppo carbossilico). L’acido grasso è una molecola anfipatica perché presenta delle code idrofobiche (con cariche elettriche asimmetriche e di conseguenza apolari) e teste idrofile (il gruppo carbossilico si lega all’acqua). Le teste dei tre gruppi OH si legano al glicerolo, e l’OH del gruppo carbossilico si lega a quello OH del glicerolo, e si forma un legame covalente per condensazione (viene eliminata l’acqua); le teste si legano, quindi rimangono esposte solo parti idrofobiche GRASSI SATURI E INSATURI: - saturi: tutti i legami sono saturati da atomi di idrogeno e non ci sono doppi legami tra carbonio; la configurazione della molecole è rettilinea e lineare e questo gli consente di affiancarsi in strutture compatte; - insaturi:ci sono uno o più legami doppi con atomi di carbonio;la configurazione è a pieghe, le molecole non possono più allinearsi per un ingombro spaziale e dunque tenderanno a stare più distanziati tra di loro. I grassi animali tendono ad essere saturati e fortemente impacchettati tra loro; si trovano allo stato solido a temperatura ambiente. Gli oli vegetali tendono ad essere insaturi e le pieghe ne ostacolano l’impacchettamento; si trovano allo stato liquido a temperatura ambiente. *Margarine: oli vegetali, trattati chimicamente aggiungendo degli idrogeni e resi saturi e solidi (per una maggior praticità nel trasporto) I FOSFOLIPIDI I fosfolipidi sono particolari tipologie di lipidi (simili ai trigliceridi) contenenti una molecola di glicerolo ma, a differenza dei trigliceridi, due atomi di carbonio del glicerolo sono legati ad acidi grassi, e il terzo atomo è legato ad un gruppo fosfato. I gruppi fosfati sono gruppi carichi negativamente che a loro volta si possono legare ad altre molecole. cosa ne deriva? Che i fosfolipidi hanno code idrofobiche (come nel caso dei trigliceridi), ma le teste idrofiliche (caricate positivamente o negativamente) ed essendo tali si legano con l’acqua. Il fatto che, siano anch’essi molecole anfipatiche, ha conseguenze biologiche importanti. → I fosfolipidi vanno a costituire il doppio strato delle nostre membrane cellulari: in acqua, i fosfolipidi si allineano con le loro code idrofobiche a contatto tra di loro, e con le teste fosfato rivolte all’esterno, costituendo un doppio strato (“bilayer”). ALTRI LIPIDI - Gli steroidi sono lipidi particolari con strutture ad anelli poli carboniosi (4 anelli che condividono carboni). COLESTEROLO: noi stessi lo produciamo, è fondamentale perchè 1) è un componente importante nelle membrane cellulari; 2) è precursore di una serie di ormoni steroidei. - Le vitamine sono molecole piccole che non sintetizziamo ma assumiamo con la dieta e sono acidi grassi modificati per questo rientrano nei lipidi. - Cere/oli sono sostanze altamente non polari che ricoprono e impermeabilizzano le superfici. - I carotenoidi sono pigmenti assorbenti luce; BETA CAROTENE: importante perché assumendolo il nostro organismo riesce a tagliarlo e ad ottenere due molecole di vitamina A (vista). ACIDI NUCLEICI Gli acidi nucleici sono polimeri (i monomeri che li caratterizzano sono i nucleotidi) specializzati nell’immagazzinamento, nella trasmissione e nell’utilizzo dell’informazione genetica. Sono principalmente 2: 1) DNA= acido desossiribonucleico; 2) RNA acido ribonucleico NUCLEOTIDI sono i monomeri che costituiscono gli acidi nucleici e sono costituiti da: - uno zucchero pentoso (con 5 atomi di carbonio) - una base azotata legata al primo atomo di carbonio C1 - un gruppo fosfato legato all'ultimo atomo di carbonio C5 Prende il nome di NUCLEOSIDE il monomero senza gruppo fosfato! (zucchero e base azotata) ⇒RNA E DNA SI DIFFERENZIANO perché L’RNA contiene lo zucchero ribosio mentre il DNA il desossiribosio (C2 legato ad H non OH) LA STRUTTURA GLI ZUCCHERI Ribosio e desossiribosio presentano due forme: una forma lineare aperta; una forma ciclica chiusa. Ciò accade perché quando l’ossigeno è chiuso tra i due atomi di carbonio (4 e 1) il carbonio 1 scioglie uno dei suoi doppi legami e lo estende al carbonio 4 (che ha anche ossigeno). La struttura del nucleotide dell’RNA e del DNA è composta da una base (sempre legata con un legame glicosidico al carbonio 1), da uno zucchero e da un gruppo fosfato (sempre al carbonio 5). Le basi azotate si dividono in: - pirimidine: citosina, timina e uracile - purine: adenina e guanina Come si forma tale struttura? come il gruppo fosfato e la base si legano allo zucchero? La base si lega al C1 attraverso un legame β-glicosidico:base azotata e zucchero si legano creando una molecola d’acqua. Il gruppo fosfato si lega al C5 attraverso un legame fosfodiesterico: nucleoside e gruppo fosfato si legano formando un’altra molecola d’acqua Questi legami, tutti covalenti!, portano alla perdita di una molecola d’acqua: condensazione. Aggiungendo una molecola d’acqua, i legami si rompono. Gli acidi nucleici derivano dalla polimerizzazione di nucleotidi mediante il legame fosfodiesterico. ADP E ATP Esistono anche dei nucleotidi con più gruppi fosfati legati tra di loro; in questi casi la base del nucleoside rimane sempre uguale; ma lo zucchero, legato ad essa, può unirsi insieme con, al massimo, tre gruppi fosfato. A seconda di quali gruppi fosfato sono presi in considerazione, l’acido prende un nome diverso (alfa il primo, beta il secondo e gamma il terzo) e a seconda di quanti gruppi ci sono cambia anche il nome della molecola: AMD= adenosina monofosfato ; ADP= adenosina difosfato; ATP= adenosina trifosfato. I gruppi fosfati, analogamente a quanto detto prima, si legano tra loro attraverso un legame fosfodiesterico (condensazione). →ATP sta per adenosina trifosfato, ed è un nucleotide ad alto contenuto di energia. Due caratteristiche dell’ATP spiegano l’energia libera rilasciata: 1. I gruppi fosfato hanno una carica negativa che li respinge tra loro; il legame che li tiene uniti investe tantissima energia e riesce a contrastare le repulsioni (legami ad alto contenuto energetico); 2. Nel momento in cui si scinde un legame (attraverso l’idrolisi) si libera una quantità enorme di energia, utilizzata dalla cellula per molte altre funzioni. ALTRE CARATTERISTICHE I nucleotidi cambiano nome a seconda della loro struttura: -r o d in base allo zucchero - nome del gruppo azotato - numero di gruppi fosfato (P simbolo di fosfato) I gruppi fosfato collegano il carbonio 3′ dello zucchero col carbonio 5′ di un altro zucchero. Gli acidi nucleici crescono in direzione 5’- 3. quanti nucleotidi si legano? Nelle catene brevi, conosciute con il nome di oligonucleotidi solo 20; ma in altre dette polinucleotidi o acidi nucleici come nell’ RNA e nel DNA arrivano anche a 3 miliardi e mezzo. LE BASI AZOTATE NEL DNA E NELL’RNA →Nell’RNA c’è un singolo filamento e le basi azotate sono: adenina, citosina, guanina e uracile → Nel DNA ci sono due filamenti che si avvolgono tra di loro e le basi che si accoppiano sono: adenina e timina, guanina e citosina. Timina e adenina hanno due legami a idrogeno, citosina e guanina 3. → Tra le basi azotate si formano legami ad idrogeno: le purine si appaiano con le piramidine. - Nel caso dell’RNA, dato che vi è un filamento singolo, questo si piega su se stesso e avvicina le basi tra loro che si legano. - Nel caso del DNA ci sono due filamenti che creano una struttura a doppia elica avvolgendosi l’uno sull’altro in senso destrorso. I due filamenti hanno un andamento anti parallelo: mentre uno sale l’altro scende; ciò è fondamentale perché in tal modo le basi sono vicine e riescono a legarsi.I filamenti hanno una distanza fissa tra di loro, resa possibile dal fatto che le basi a due anelli si appaia ad una base ad un anello (pirimidine con purine). ⇒ immagine: le basi azotate sono quelle rosse e blu; mentre i due filamenti sono dati dalla struttura del nucleoside (zucchero+gruppo fosfato). DNA Il DNA è l’acido nucleico che detiene l’informazione genetica, un codice che dipende dalla disposizione dei vari nucleotidi e le basi e che viene tradotto nella fase di produzione delle molecole. Il DNA trasmette l’informazione (il codice) in due modi: 1) fenomeno di duplicazione/replicazione: replica se stesso (due cellule che ereditano il dna della cellula madre, quindi due coppie identiche) 2) fenomeno di trascrizione: traduce l’informazione in materie prime attraverso l’espressione genetica> il processo consiste nella trascrizione dell’informazione del DNA all’RNA (partendo dal dna attraverso un processo copio le informazioni e poi attraverso la traduzione il mio rna porterà alla sintesi e alla produzione di una serie di molecole tra cui le proteine). ⇒ la replicazione comprende tutto il dna anche se poi le cellule si specificano; ⇒ la trascrizione invece comprende solo alcuni tratti del dna Il corredo completo del DNA di un organismo vivente è detto genoma →l’espressione genoma fa riferimento a tutti i nucleotidi che abbiamo all'interno della cellula. Ogni essere vivente ha un suo genoma ma specie diverse hanno genomi diversi; a partire dal genoma avviene la duplicazione: con copiare il DNA intende ogni parte del genoma, niente escluso. Però a seconda di dove finisca la cellula, cellule diverse poi si specializzano in compiti specifici... Non tutta l’informazione è necessaria in tutti i momenti; le sequenze di DNA che specificano un’informazione sono chiamate geni →i geni sono porzioni del dna che hanno informazioni per produrre qualcosa (per le proteine sono detti geni strutturali) LE CELLULE COME E’ COMPARSA LA VITA La Terra si è formata tra 4,6 a 4,5 miliardi di anni fa. Sono occorsi 600 milioni di anni o più prima che la vita evolvesse Come è comparsa la vita? - EVOLUZIONE CHIMICA Le molecole biologiche complesse sono probabilmente derivate da casuali associazioni fisiche di componenti chimiche. Miller e Urey (anni ‘50) organizzarono un esperimento con gas che si ipotizzava fossero presenti nell’atmosfera primordiale della Terra (no O2 ma gas con atomi che costituiscono i viventi: C, H, P, N). Brodo primordiale: vi è l’idea che vi fosse una massa liquida, senza ossigeno, (come sorgenti idrotermali in fondo agli oceani) con metalli in superficie, all’interno della quale gli elementi si scontrarono e si unirono (polimerizzazione). Inizialmente il mondo era un mondo a RNA. Quest’ultimo potrebbe aver agito come CATALIZZATORE (= molecola che interviene a favore di alcune reazioni) per la propria replicazione e per la sintesi di proteine. Perchè solo rna? perchè all’interno della cellula ci sono ribozimi (ribosomi enzimi, delle molecole di rna che aiutano la formazione delle proteine); l’RNA, attraverso dei retrovirus, si sarebbe dunque evoluto in DNA.Nei retrovirus un enzima, chiamato trascrittasi inversa, catalizza la sintesi di DNA a partire dall’RNA.Più lo spazio è piccolo maggiore è la probabilità che le molecole si scontrino; per questo è impensabile che queste reazioni fossero avvenute negli oceani, ma in ambienti più chiusi. ⇒ LA MEMBRANA I composti coinvolti devono essere stati concentrati in un compartimento; attualmente, le cellule viventi sono racchiuse, e separate dal loro ambiente circostante, tramite una membrana. Prima? In acqua gli acidi grassi formano un doppio strato (“bilayer”) lipidico attorno ad un compartimento. Questi acidi avrebbero iniziato ad aggregarsi fra di loro, formando un doppio strato perché le teste idrofiliche sono rivolte sia all’esterno che all'interno, mentre l’ambiente acquoso si trova dentro confinato. Queste molecole prendono il nome di protocellule e permettono a piccole molecole come zuccheri e nucleotidi di passare attraverso il doppio strato, creando un ambiente favorevole per le reazioni biochimiche. Come si è arrivati alla formazione delle prime cellule? C’è stato un secondo evento di endosimbiosi: alcune cellule hanno fagocitato dei batteri (cloroplasti: piccolissime vescicole che hanno la clorofilla all’interno) diventando cellule vegetali procariote. Nel tempo quest’ultime si sono poi evolute in eucariote e pluricellulari. LA TEORIA CELLULARE La cellula è la più piccola parte autonoma e vivente di un organismo e può addirittura rappresentarlo tutto nel caso degli organismi unicellulari. A metà del diciottesimo secolo, Hooke vedendo dei ritagli di sughero, si soffermò sulle piccole e numerose cellule visibili. Proseguì nei suoi studi esaminando altri materiali e tessuti, per poi elaborare la TEORIA CELLULARE: - Le cellule sono le unità fondamentali della vita; - Esse non si creano dal nulla ma sono prodotti di cellule preesistenti; - Tutti gli organismi sono composti da cellule; - Le cellule discendono da un antenato comune (scoperta più recente). CELLULE PROCARIOTICHE ED EUCARIOTICHE Esistono due domini distinti di cellule: 1) PROCARIOTICHE: sono probabilmente le prime cellule comparse sulla terra; queste cellule hanno una membrana e del Dna, ma sono sprovviste di nucleo o compartimenti interni. Ai procarioti appartengono organismi unicellulari poco evidenti ma estremamente abbondanti come numero e varietà (batteri e archeobatteri, condizioni estreme). 2) EUCARIOTICHE: si differenziano dalle procariotiche perchè possiedono un nucleo e compartimenti interni. LA MEMBRANA PLASMATICA La membrana plasmatica è la superficie esterna di ogni cellula ed ha più o meno la stessa struttura in tutte le cellule. Caratteristiche della membrana:  - E’ costituita da un doppio strato fosfolipidico con immerse proteine ……….ed altre.molecole (ribosomi); - E’ selettivamente permeabile (fa passare alcune cose ma non tutto); - Permette alle cellule di mantenere un ambiente interno costante; - E’ importante nella comunicazione e nel ricevimento dei segnali; - Spesso ha proteine per il legame e l’adesione a cellule adiacenti. CELLULE PROCARIOTICHE Le cellule procariotiche sono più semplici e più piccole (10 volte tanto le eucariotiche) , le loro dimensioni vanno da 1 a 10 micrometri; solitamente gli individui aventi tali cellule si identificano in esse soltanto (organismi unicellulari), ma spesso possono formare catene o gruppi. CARATTERISTICHE - Racchiuse da una membrana plasmatica; - Il DNA non è delimitato da una membrana ma è all’interno in una regione che prende il nome di nucleoide (una zona non delimitata ma centrale); - Tutto il resto della cellula è costituito dal citoplasma: il citoplasma consiste di citosol (acqua con disciolti ioni, piccole molecole e macromolecole solubili) più filamenti e particelle; - Contengono ribosomi: complessi di RNA e proteine, siti di sintesi proteica; - Hanno una parete cellulare rigida che serve per protezione e supporto, ed è fatta di zuccheri e proteine; - Alcuni batteri hanno: - una capsula esterna fatta di polisaccaridi che ha la funzione di resistenza ad essiccamento (trattengono l’acqua), di protezione da fagocitosi (una cellula che mangia un altra) e di riserva (molecole di zucchero scisse per dare riserva) - un’ulteriore membrana esterna fosfolipidica ricca di polisaccaridi. - flagelli: strutture tubolari (code) fatte di proteine (flagelline) che permette loro di muoversi in ambiente acquoso; - pili: piccoli filamenti di strutture proteiche (pilina) che servono ai batteri per unirsi tra di loro o aderire a delle superfici. Batteri fotosintetici non hanno un sistema di membrane interne che contiene le molecole necessarie per la fotosintesi, ne organuli, ma presentano dei ripiegamenti interni (all’interno dei quali si formano cellule della fotosintesi) e citoscheletro, ossia una serie di filamenti proteici che mantengono la forma cellulare e giocano un ruolo nella divisione cellulare CELLULE EUCARIOTICHE Sono 10 volte più grandi, delle cellule procariotiche (10-100 micrometri). CARATTERISTICHE - Racchiuse da una membrana plasmatica;  - Compartimenti delimitati da membrane, detti organelli: ogni organello svolge una specifica funzione (la compartimentazione ha permesso alle cellule eucariotiche di specializzarsi e formare tessuti e organi più complessi, ossia pluricellulari); - Contengono ribosomi⇒ negli eucarioti li troviamo sia liberi nel citoplasma, sia all’interno degli organelli (mitocondri e cloroplasti), sia attaccate al reticolo endoplasmatico, mentre nei procarioti fluttuano liberi nel citoplasma; - Un nucleo: è l’organulo più grande limitato da due membrane (quella esterna e una di doppio strato fosfolipidico), esso contiene: - DNA; - Sito di replicazione del DNA; - Sito dove avviene la trascrizione genica; - Svariati pori: all’interno del nucleo il DNA non è isolato, ma ha tanti pori attraverso i quali può passare del materiale che può sia entrare che uscire dal nucleo DNA Il DNA è una molecola che arriva fino a 2 metri di lunghezza, racchiusa nel nucleo dato che i filamenti si arrotolano creando una serie di giri e costituiscono i filamenti di cromatina (cromatina=dna legato a proteine). Prima della divisione cellulare la cromatina si attacca intorno ad una rete proteica (dove è “più protetta” perchè le proteine sono selettivamente permeabili) e si condensa e i singoli cromosomi diventano visibili al microscopio ottico. IL SISTEMA DI ENDOMEMBRANE Le cellule eucariote sono contraddistinte dalla presenza di tante strutture chiuse e delimitate da membrane, la cui somma forma il sistema di endomembrane: LA MEMBRANA PLASMATICA (già vista) LA MEMBRANA NUCLEARE ⇒ evagina nel citoplasma e risulta continua con il reticolo endoplasmatico IL RETICOLO ENDOPLASMATICO La membrana nucleare si estroflette verso l’esterno e crea delle pieghe che formano il reticolo, una struttura profondamente estesa che si differenzia in: - RUGOSO (RER): una serie di tubuli (sacche) messe in comunione tra di loro; rugoso perchè è ricoperto dai ribosomi (strutture che sintetizzano proteine) e da proteine; dentro il reticolo endoplasmatico rugoso le proteine appena sintetizzate vengono cambiate e poi inglobate in delle vescicole, infatti la funzione di questo reticolo è quella di gestione delle proteine. - LISCIO (SER): privo di ribosomi, ha una funzione diversa, ossia scinde le sostanze tossiche e le neutralizza, degrada il glicogeno (zucchero complesso) e sintetizza i lipidi tra cui gli steroid  L’APPARATO DI GOLGI L’apparato di golgi è un organulo composto da sacculi appiattiti (cisterne) e piccole vescicole membranose. Una delle principali funzioni svolte al suo interno è la recezione e lo smistamento di materiali. Il golgi riceve delle vescicole che arrivano dal rer (reticolo endoplasmatico rugoso= con proteine); alcune le indirizza verso la membrana plasmatica, altre le tiene per formare lisosomi. il golgi è suddiviso in tre zone: 1) La regione CIS: la parte più interna e rivolta verso il reticolo endoplasmatico rugoso, che accoglie le vescicule; 2) La zona intermedia; 3) La regione TRANS: la parte più esterna, vicina alla membrana plasmatica, dove si formano le altre vescicole indirizzate all’esterno I LISOSOMI I lisosomi sono vescicole di piccole dimensioni contenenti in forma inattiva vari enzimi che catalizzano la degradazione di proteine, monosaccaridi e lipidi.(digerire il cibo). Le molecole di cibo entrano nella cellula tramite FAGOCITOSI (la cellula mangia tali molecole e queste entrano); quando ciò accade si forma una nuova vescicola di dimensioni maggiori,, un fagosoma. I lisosomi primari si originano dall’apparato di Golgi; mentre i fagosomi fusi con i lisosomi primari formano i lisosomi secondari. Gli enzimi nel lisosoma secondario formano molecole primarie fondamentali per la cellula; alcuni prodotti dell’idrolisi attuata da tali molecole attraversano la membrana del lisosoma, altri non digeriti (non scissi) sono liberati attraverso ESOCITOSI (buttate fuori dalla cellula). I lisosomi non solo digeriscono il cibo, ma possono anche digerire altri organuli, si parla in questo caso di AUTOFAGIA. ⇒Patologie Quando tali processi non sono del tutto rispettati e i lisosomi non funzionano come devono, non siamo in grado di digerire tutto e possiamo essere affetti da sindromi da accumulo lisosomiale. Una di queste sindromi è la malattia di Tay-Sachs, che provoca l'accumulo di un lipide nel cervello con la conseguente morte entro ai 4 anni. VESCICOLE - I MITOCONDRI I mitocondri sono un organulo, costituito da due membrane, reputato alla respirazione cellulare. Nei mitocondri, l’energia delle molecole di cibo è trasformata nei legami altamente energetici dell’ATP (respirazione cellulare); difatti l’atp viene utilizzata da tutte le cellule in ogni processo che richiede energia. Tutte le cellule sono in grado di sintetizzare l’ATP, ma le cellule che richiedono molta energia hanno molti più mitocondri, che lo sintetizzano. I mitocondri hanno due membrane: La membrana esterna è liscia e ha funzione protettiva; La membrana interna è molto più estesa dell’altra, ed è ripiegata internamente a formare creste. Questo crea una grande superficie per le proteine coinvoltenelle reazioni di respirazione cellulare. Cosa vi è all’interno del mitocondrio: - enzimi; - ribosomi; - DNA Tutto quello che è interno al mitocondrio è detto matrice mitocondriale Il mitocondrio è SEMINDIPENDENTE: mantiene una serie di capacità di sintesi di tutto ciò che ha bisogno ma alcune delle proteine che servono al mitocondrio per portare a termine la respirazione cellulare non le produce lui stesso ma provengono da altre parti della cellula. - I PEROSSISOMI Sono un’alternativa ai lisosomi; essi sono simili ai mitocondri ma molto più piccoli e contenenti enzimi diversi,specializzati nella degradazione di scarti tossici del metabolismo, come come l’H2O2 (perosssido di idrogeno) utilizzando enzimi specializzati (abbondanti negli epatociti). Sono parecchio numerosi in quelle cellule deputate alla degradazione di sostanze tossiche. IL CITOSCHELETRO Un ulteriore elemento di organizzazione interna della cellula eucariota, è il citoscheletro, un sistema di filamenti proteici. Le strutture citoscheletriche della cellula sono caratterizzate da dinamicità, possono essere rapidamente rimaneggiate, assemblandosi e disassemblandosi a seconda della necessità della cellula stessa. LE FUNZIONI: Sostiene e mantiene la forma della cellula; Mantiene in posizione gli organelli; Muove gli organelli; E’ coinvolto nelle correnti citoplasmatiche; Interagisce con strutture extracellulari per mantenere la posizione della cellula (le ancora tra di loro); Il citoscheletro è costituito da tre tipi di filamenti, classificati per diametro, composizioni e funzioni anche se alcune si sovrappongono, che in ordine crescente sono: microfilamenti, filamenti intermedi e microtubuli. TIPI DI FILAMENTI Elenco dei tre tipi di filamenti in ordine crescente di grandezza: 1) I MICROFILAMENTI I microfilamenti sono fibrille con diametro di 7 nm, costituite da due filamenti avvolti a spirale tra loro, formati dall’assemblaggio di una proteina denominata actina Nel formarsi hanno un estremità positiva e una negativa, e tendono a crescere dall'estremità positiva, dove si vanno ad aggiungere filamenti, mentre tendono a decrescere da quella negativa dove i filamenti si staccano. FUNZIONI: contrazione: contraendosi creano movimenti del citoplasma, che a sua volta facilita il movimento di sostanze e il movimento della cellula stessa. strutturale: determinano la forma della cellula. anatomia ← L’actina all’interno delle cellule muscolari si aggancia alla miosina e quando si contrae la “tira” verso di sé. → villi intestinali In alcune cellule i microfilamenti formano una rete appena all’interno della membrana plasmatica. Ciò fornisce supporto strutturale, ad esempio nei microvilli che delimitano l’intestino umano e permettono l’assimilazione di più sostanze (actina in azzurro)  2) I FILAMENTI INTERMEDI I filamenti intermedi sono fibrille costituite da proteine eterogenee, ma tutte con diametro di circa 8-12 nm. Questi filamenti sono distribuiti sia nel nucleo che nel citosol, e vengono denominati lamine perchè formano la lamina nucleare. Esistono tanti tipi di filamenti intermedi, all’incirca 50; FUNZIONI: supporto: vanno dalla membrana del nucleo a quella cellulare (lamina) e ancorano in posizione il nucleo; aggregazione: le cellule epiteliali della cute sono tenute insieme da i filamenti intermedi. 3) I MICROTUBULI I microtubuli sono tubi cavi con diametro di circa 25 nm, formati da una proteina denominata la tubulina, i cui diameri consistono in due “perle” (alfa e beta tubulina). Tanti diameri della tubulina vanno a costituire il microtubulo; i microtubuli (così come i microfilamenti) hanno due estremità polari e i dimeri si staccano da quella negativa si attaccano a quella positiva. FUNZIONI: strutturale : formano scheletri rigidi interni in alcune cellule; replicazione cellulare: i microtubuli si agganciano ai cromosomi e trascinano verso di loro una delle due copie del cromosoma in modo tale da creare due cellule da una; spostamento: agiscono come binario su cui camminano delle proteine con contenuti diversi, che si spostano camminando nel microtubulo, la china si sposta verso +, la dideina si sposta verso -. CONCLUSIONE LA COMPARTIZIONE DEGLI EUCARIOTI è ciò che li caratterizza. Tale compartimentazione aumenta l’efficienza della cellula: ciascun compartimento ha una funzione diversa. Come è avvenuta questa compartimentazione? Si ipotizza che questo sistema sia nato grazie a una ripiegazione verso l’interno della membrana plasmatica (2A), invaginazione. Questa ipotesi è sostenuta dal fatto che alcuni batteri ad oggi presentano situazioni simili alla 2 e alla 3 senza avere strutture effettive → La teoria endosimbiotica: mitocondri e plastidi si sono originati quando una cellula ne inglobò un’altra. Questa inglobazione ha fatto sì che parte del patrimonio genetico del mitocondrio sia andato a costituire i plastidi. LE MEMBRANE CELLULARI Le membrane sono definite asseconda di un modello a mosaico fluido: - mosaico: perché sono formate da diverse componenti (fosfolipidi e proteine, a volte anche zuccheri..); -fluido: perchè le componenti si possono muovere e inoltre perchè la consistenza della membrana stessa è oleosa I LIPIDI DI MEMBRANA La componente principale delle membrane sono i fosfolipidi, che con la loro testa polare idrofilica e la coda idrofobica, formano in ambiente acquoso un doppio strato. La struttura delle membrane biologiche è abbastanza simile, tuttavia non identica perchè la composizione lipidica e i tipi di proteine possono cambiare I fosfolipidi dunque si legano a molecole diverse e variano per: la lunghezza della catena degli acidi grassi; il grado di saturazione (numero doppi legami), gli acidi possono avere sia legami doppi che singoli quindi ci sono membrane con acidi grassi saturi (struttura più compatta) e altre con più acidi grassi insaturi (membrana a pieghe e struttura più fluida); tipi di gruppi polari. * All’interno delle membrane vi è il colesterolo ( fino al 25%): la stragrande parte di esso è idrofobica; è immerso nel doppio strato e solitamente si trova vicino alle code sature e dà alle estremità una maggiore compattezza. Le code degli acidi grassi rendono l’interno fluido, perchè? Perché sia le proteine che i fosfolipidi si MUOVONO (prevalentemente ruotando su se stessi o lateralmente, raramente in verticale perché le teste dovrebbero attraversare la parte idrofobica). il movimento dipende dalla composizione dei lipidi e dalla temperatura: - composizione: colesterolo ed acidi grassi a catena lunga e saturi si compattano strettamente rendendo la membrana meno fluida; - temperatura: al decrescere della temperatura, i movimenti delle molecole ed i processi cellulari rallentano, alcuni organismi cambiano il contenuto lipidico delle membrane cellulari quando si raffreddano. LE PROTEINE DI MEMBRANA Tutte le membrane biologiche hanno proteine di membrana; il numero varia a seconda della funzione della membrana. Esistono due categorie di proteine di membrana: 1) PROTEINE DI TRANS-MEMBRANA/INTEGRALI Le proteine integrali sono quelle ancorate: attraversano interamente o parzialmente il doppio strato fosfolipidico, perché parte della proteina (quella immersa) è idrofobica mentre le estremità sono idrofile (in contatto con ambiente acquoso). La composizione dei due lati della membrana può essere diversa proprio perché parte della proteina sta su una estremità e parte sull’altra.  2) PROTEINE PERIFERICHE DI MEMBRANA Le proteine di membrana periferiche sono prive di gruppi idrofobici esposti e non penetrano nel doppio strato; non interagiscono con il doppio strato fosfolipidico ma si legano alle sole teste polari, o alle estremità idrofiliche delle proteine transmembrane Sono localizzate in uno dei lati della membrana. ⇒Alcune proteine di membrana possono muoversi liberamente entro il doppio strato, mentre altre sono ancorate ad una specifica regione. ESPERIMENTO fusione di due cellule (una del topo che aveva una serie di proteine, e una dell’uomo che ne possedeva altre): le proteine si sono mescolate e si è ottenuta una cellula ibrida. LE MEMBRANE SONO DINAMICHE, costantemente si formano, si trasformano, fondono e si frammentano. Le vescicole che vanno dal golgi dove vengono assimilate, alla membrana plasmatica; la composizione chimica varia a seconda della destinazione, e vi è un continuo rimodellamento e una continua aggiungere/ togliere. I CARBOIDRATI DI MEMBRANA Il modello a mosaico fa riferimento a proteine e fosfolipidi tuttavia vi è anche il gruppo dei carboidrati che giocano un ruolo molto importante per il riconoscimento delle cellule. I carboidrati possono attaccarsi o alle proteine o ai lipidi e, sulla base di ciò, differiscono leggermente per denominazione e funzioni: - GLICOLIPIDI: carboidrati attaccati ai lipidi, funzione= riconoscimento cellulare; - GLICOPROTEINE: carboidrati attaccati alle proteine, funzione= riconoscimento e adesione cellulare; inoltre si parla di proteoglicano quando la proteina ha una catena di zuccheri estesa e ramificata. IL RICONOSCIMENTO CELLULARE Le cellule che fanno parte di un tessuto rimangono unite e cooperano attraverso 2 fenomeni:riconoscimento e adesione Questi processi possono essere studiati nelle cellule delle spugne: le spugne hanno tessuti sottili e facilmente riconoscibili; se in una soluzione acquosa viene disgregata, le singole cellule tendono ad avvicinarsi non in maniera casuale ma esattamente nelle stesse posizioni. E se mescolassi 2 spugne? Tendono sempre a riassemblarsi come prima senza mescolarsi. Questo accade perché sulla membrana delle nostre cellule ci sono delle glicoproteine che si riconoscono tra di loro e si agganciano (sono complementari e compatibili tra di loro). Questi legami possono essere di due tipi: - OMOTIPICI: due cellule si uniscono tra loro perché lo stesso tipo di molecola emerge da entrambe e si lega; - ETEROTIPICI: due cellule da molecole diverse si uniscono (es. spermatozoo e cellula uovo).  LE GIUNZIONI CELLULARI Le giunzioni cellulari sono strutture solide e specializzate che tengono insieme le cellule Ne esistono di diversi tipi: - GIUNZIONI STRETTE Cerniere, chiusure strette tra le cellule che impediscono la fuoriuscita di liquidi o sostanze negli spazi extracellulari. (es vescica) - DESMOSOMI Sono dei ponti che ancorano i filamenti intermedi ma , a differenza delle.. giunzioni strette, permettono il passaggio di materiali nello spazio extracellulare. (es cute) - GIUNZIONI INTERVALLATE/ COMUNICANTI Sono canali che tengono unite e in comunicazione tra di loro le cellule consentendo il passaggio di sostanze tra una e l’altra. (es cellule cardiache in cui le correnti passano da una parte all’altra e permettono una contrazione all’unisono). Le membrane si ancorano anche alla matrice extracellulare, una massa al di fuori per lo più costituita da proteine e proteoglicani gelatinosi. Perché ciò è importante? Esistono proteine chiamate INTEGRINA che si agganciano da una parte all’interno e da una parte esterna alla matrice, conferendo solidità e compattezza al tessuto Le integrine vengono riciclate dalle cellule: mentre la cellula cammina vengono fagocitate dalla cellula, poi immagazzinate da una vescicola e risputate fuori e infine si agganciano alle proteine della matrice. IL PASSAGGIO DI SOSTANZE ATTRAVERSO LA MEMBRANA La membrana è SELETTIVAMENTE PERMEABILE: alcune sostanze possono attraversarle, ma altre no (ioni e molecole polari). Tuttavia, nonostante alcune molecole da sole non potrebbero attraversare la membrana, ci sono dei meccanismi che ne consentono il passaggio: il TRASPORTO ATTIVO E PASSIVO - TRASPORTO PASSIVO le sostanze si spostano secondo il gradiente di concentrazione (da dove sono più concentrate a dove sono meno) e non vi è richiesta di energia esterna; Avviene secondo diffusione: - Semplice; - Facilitata; - TRASPORTO ATTIVO si va contro concentrazione e serve energia (sotto forma di atp). -Primario: crea gradiente; -Secondario: sfrutta il gradiente. TRASPORTO PASSIVO La diffusione è un movimento netto e direzionale di molecole che si verifica quando vi è una differenza di concentrazione tra due regioni. Si dice che avvi