Biologia Applicata PDF

Biologia applicata La Biologia Cos’è la biologia? È la scienza che studia la vita, si estende da una: Le molecole si vanno a unire per formare: Scala microscopica (molecolare, cellulare) 1. strutture complesse che vanno a costituir...

Biologia applicata La Biologia Cos’è la biologia? È la scienza che studia la vita, si estende da una: Le molecole si vanno a unire per formare: Scala microscopica (molecolare, cellulare) 1. strutture complesse che vanno a costituire le cellule (base della vita) Scala macroscopica (uomo, animali). 2. più cellule costituiscono i tessuti 3. più tessuti formano gli organi 4. più organi formano sistemi e apparati. I sistemi sono formati da organi con la stessa origine embrionale Gli apparati sono insieme di organi con origine embrionale diversa Il sistema nervoso regola l’attività degli altri sistemi e apparati, riceve e rielabora informazioni dall’ambiente esterno e sulla base di queste elabora risposte. Dallo studio della biologia riusciamo a capire le funzioni del nostro organismo. Tutti gli organismi derivano da una protocellula comparsa 4 miliardi di anni fa (LUCA last universal common ancestor). Gli organismi si dividono in 3 domini: Batteri, Archea, Eucarioti (batteri e archea sono i procarioti, quindi organismi unicellulari) Gli archea sono più simile agli eucarioti che ai procarioti. Gli esseri viventi sono definiti dalla copresenza di alcune caratteristiche: 1. Tutti presentano le macromolecole carboidrati, lipidi, acidi nucleici e proteine. 2. Sono costituiti da cellule delimitate da membrane plasmatiche lipidiche (costituita da fosfolipidi). 3. Trasformano molecole ambientali in molecole biologiche. 4. Estraggono energia dall’ambiente e la utilizzano per supportare il loro processi biologici. 5. Contengono un’ informazione genetica che viene scritto in un codice universale 6. Sono costituiti da molti geni uguali per tutti gli esseri viventi che di conseguenza ci fa capire che derivano da un unica origine. 7. Gli organismi formano popolazioni che evolvono nel tempo tramite cambiamenti di frequenze geniche. 8. Hanno un metabolismo che gli consente di ricavare energia mantenendo condizione che gli permettono di sopravvivere (omeostasi) Origine della vita La terra si è formata 4,5 miliardi di anni fa, dopo 600 milioni di anni o più la vita si forma. Biologia applicata 1  I primi fossili risalgono a 3,5 miliardi di anni fa chiamati stromatoliti formati da strati (gli stromatoliti si formano quando piccole particelle di sedimento vengono cementate insieme da comunità di microrganismi, soprattutto cianobatteri). Con la fotosintesi abbiamo la formazione dell’ossigeno 3,5 miliardi di anni fa nascono i primi procarioti Circa 2,5 miliardi di anni fa compaiono i primi esseri viventi grazie all’ossigeno. Dopo 1,5 miliardi di anni nascono gli eucarioti formatosi dalla fusione di batteri tra di loro. 800 milioni di anni fa nascono i primi organismi pluricellulari. La terra era infatti un ambiente inospitale per le radiazioni e per i gas (metano, monossido di carbonio, idrogeno, ammoniaca) Passaggi importanti Si formano a un certo punti gli Nascono le prime membrane biologiche che delimitano le molecole acidi nucleici, molecole in biologiche, formate da acidi grassi che non sono solubili, creando un grado di riprodursi che ambiente interno in cui possono avvenire le reazioni in un ambiente iniziano a fare da stampo per isolato. la sintesi delle proteine. Per 2 miliardi di anni la vita sulla terra era Gli archeobatteri hanno una struttura simile a quella dei rappresentata da batteri e archeobatteri che mitocondri, si pensa quindi che i mitocondri sono vecchi hanno cominciata a interagire fra di loro, alcuni archeobatteri (teoria endosimbiontica). batteri si sono inglobati in archeobatteri e hanno Le cellule eucariotiche hanno iniziato poi a vivere all’interno formato i primi organuli formando così i primi di colonie e a specializzarsi in funzioni differenti come eucarioti. l’assunzione del cibo e il movimento della colonia, sino ad arrivare a organismi multicellulari. Fotosintesi ossigenica 2,5 miliardi di anni fa inizia la fotosintesi clorofilliana che porta alla formazione di ossigeno e glucosio (molecola ricca di energia) partendo da anidride carbonica e acqua. Quando sulla terra il cibo ha cominciato a scarseggiare nascono gli organismi autotrofi che producevano materia organica e quindi fonte energetica per altri organismi eterotrofi. La fotosintesi batterica già esisteva ma rilasciava zolfo nell’aria. Biologia applicata 2  L’atmosfera primordiale non aveva ossigeno, ma iniziò ad aumentare con l’aumento dei procarioti fotosintetici, il suo accumulo nel tempo ha portato alla formazione dello strato di ozono (O3) che assorbe radiazione UV dannose e ha permesso agli organismi di uscire dall’acqua. Alcuni organismi hanno utilizzato l’ossigeno per la formazione di energia tramite il metabolismo aerobico che permette agli organismi di aumentare le dimensioni. Evoluzione del metabolismo 1. Metabolismo anaerobico (glicolisi). Questi organismi consumavano materia organica si incorreva quindi alla riduzione del cibo, per evitarlo la fotosintesi produce risorse nutritive → Eterotrofi 2. Fotosintesi anossigenica (usa H2S e libera S) → Fotoautotrofi 3. Fotosintesi ossigenica (usa H2O e libera O2) → Fotoautotrofi Pro e contro formazione di ossigeno Pro: si viene a creare uno strato di ozono che rende Contro: per alcune forme di vita l’ossigeno era possibile la vita sulla superficie terrestre (gli animali tossico e quindi si sono estinte, i batteri che non si spostano dall’ambiente marino a quello terrestre). utilizzavano l’ossigeno hanno trovato diverse soluzioni per sopravvivere all’ambiente. L’Informazione Biologica Il Genoma è tutto il DNA (acido deossiribonucleico) contenuto in una cellula (tutte le cellule hanno lo stesso genoma) Il DNA è un polimero costituito da tanti nucleotidi (unità), la struttura filamentare è formata da un alternanza di zucchero e fosfato, al centro dei filamenti traviamo le basi azotate (adenina, citosina, guanina, timina) Il Gene è un tratto di DNA con l’informazione per trascrivere un RNA. Il Gene strutturale è un tratto di DNA che contiene l’informazione per fare una proteina. Nucleotide Tutte le cellule di un organismo multicellulare hanno lo stesso genoma ma esistono diversi tipi di cellule in base alla loro funzione (252 tipi cellulari nel nostro corpo) le cellule si distinguono grazie al: Differenziamento cellulare → processo di specializzazione funzionale e strutturale delle cellule. Porta alla formazione di tipi cellulari con funzioni specializzate, questo di verifica già in fase embrionale. Cellula staminale → cellula non specializzata, capace di differenziarsi specializzandosi in uno dei molti tipi di cellule diverse presenti nel nostro corpo. Capacità di autorinnovarsi Classificazione in base al potenziale differenziamento Biologia applicata 3  Le cellule si vanno a formare dallo zigote, cellula non specializzata definita staminale, ovvero una cellula indifferenziata che ha la capacità di generare cellule con funzioni specifiche, ha la capacità di autorinnovarsi. Quando si divide genera: Un’altra cellula staminale Una cellula specializzata. Le cellule staminali si classificano in: 1. Totipotenti → la totipotenza è la capacità di una cellula di originare tutte le cellule di un organismo, perde questa capacità col susseguirsi della divisione cellulare, queste cellule diventano pluripotenti. 2. Pluripotenti → non in grado di formare un organismo per intero, sono in grado di generare tutte le cellule derivate da uno dei tre stati germinali: a. endoderma (rivestimento degli organi interni) b. mesoderma (muscoli, ossa, sangue e tratto urogenitale) c. ectoderma (epidermide e tessuto nervoso) Danno origine a diversi tessuti nel corpo. Queste cellule non sono in grado di generare la placenta e tessuti extra embrionali. 3. Multipotenti → anche dette “progenitrici”, sono cellule staminali adulte e tessuto-specifiche che troviamo ad esempio nel midollo osseo: cellule ematopoietiche (eritrociti, piastrine, leucociti) 4. Oligopotenti → possono generare solo alcuni tipi di cellule. cellule della linea linfoide e mieloide Generano cellule unipotenti, sempre staminali, che generano per tutta la vita solo un tipo di cellule, la cellula differenziata non produce più e vengono sostituite continuamente. La ricerca legata alle cellule staminali viene definita rigenerativa, in Italia non possono essere usate le cellule staminali oligopotenti che si trovano nel sangue cordonale, l’uso non è ancora sostenuto da evidenze scientifiche. Il genoma deve essere replicato quando le cellule si dividono, possono avvenire errori definite mutazioni. Evoluzione Specie: insieme di organismi che sono interfecondi fra di loro, con gameti compatibili che generano prole fertile (es. Il mulo è sterile perchè nasce da una femmina di cavallo e un maschio di asino, il bardotto nasce da un maschio di cavallo e una femmina di asino). ↳ Una popolazione è un gruppo di individui della stessa specie che interagiscono fra di loro. ↳ Una comunità è un insieme di popolazioni di tutte le specie che vivono e interagiscono in un’area definita. ↳ Un ecosistema è costituito dalle comunità con il loro ambiente abiotico. L’evoluzione agisce sulle popolazioni, è il cambiamento genico della popolazione nel tempo. Biologia applicata 4  Teoria dell’evoluzione di Lamarck Il primo a parlare di evoluzione fu Lamarck, zoologo francese, che ha sviluppato una prima teoria basata sull’evoluzione dell’individuo. Legge dell’uso e del disuso → tanto più viene utilizzato un tratto tanto questa parte si svilupperà. Legge dell’ereditarietà dei caratteri acquisiti → un organismo si trasforma per adattarsi all’ambiente in cui vive e poi trasmette alla prole questi cambiamenti (secondo Lamarck le giraffe erano animali dal collo corto che hanno allungato per mangiare le foglie degli alberi, questa caratteristica è stata poi trasmessa alla prole). Teoria dell’evoluzione di Darwin Per Darwin l’evoluzione non riguarda la vita del singolo individuo ma riguarda l’intera popolazione, prende ispirazione da Malthus che sosteneva che vi erano dei meccanismi che utilizzava la specie umana per diminuire di numero e far bastare le risorse. Le osservazioni su cui si basa sono: 1. Le popolazioni mantengono sempre più o meno lo stesso numero di individui. 2. Le risorse naturali sono limitate. 3. Ci deve essere una competizione fra le popolazioni naturali che permette ad alcune specie di sopravvivere e altre no. Darwin osserva che c’è una variabilità fra le popolazioni e queste sono ereditabili, le variabilità conferiscono alle specie dei tratti che aumentano la loro probabilità di sopravvivere e e riprodursi. Per Lamarck si parla di individui tutti uguali mentre per Darwin vi era variabilità fra gli organismi. La selezione naturale conduce ad adattamenti: caratteri strutturali, fisiologici e comportamentali che aumentano la probabilità di un organismo di sopravvivere e riprodursi (es. rane, falena betularia scura e punteggiata). Quando le popolazioni diventano isolate evolvono differenze che portano alla formazione di specie diverse (speciazione) Classificazione della specie Linneo è riuscito a classificare specie animali e vegetali usando un sistema di classificazione gerarchico. Ogni specie ha un nome scientifico bionomiale → Nome generico (Genere) Nome specifico (es: Homo sapiens) Biologia applicata 5  1. Regno 2. Phylum 3. Classe 4. Ordine 5. Famiglia 6. Genere Sistema di classificazione gerarchico, Taxon: unità sistematica 7. Specie Il sistema di classificazione è in continuo divenire, il Più le specie hanno un antenato comune più sono simili più recente è il Cavalier-Smith che parte dal dominio e condividono caratteristiche simili. (eucarioti e procarioti) e non dal regno. L’albero filogentico è un modo di raffigurazione delle discendenze delle specie. Omologia: aspetti simili presenti in specie diverse che hanno la stessa origine, derivate da un progenitore comune (es. arto inferiore dei vertebrati) Le tecniche di genetica confrontano le specie andando a confrontare il loro DNA. Omoplasia: struttura che hanno origine differenti, non originate da un progenitore comune, ma che ricoprono la stessa funzione (es. ali del pipistrello e delle farfalle). Le interazioni delle specie tra loro e con l’ambiente sono il soggetto dell’ecologia Perché la biologia è importante? L’agricoltura dipende dalla biologia. La conoscenza della biologia delle piante ha aumentato la produzione di cibo, permettendo al pianeta di supportare una popolazione umana più grande. Nuovi ceppi di piante da raccolto sono stati sviluppati per resistere a parassiti o per tollerare la siccità. Sistemi modello: utilizzo di un tipo di organismo modello per comprendere gli altri organismi, ciò è possibile in quanto le forme di vita sono collegate ad un progenitore comune (omologia), condividono un codice genetico e consistono di cellule simili. La biologia è cruciale per comprendere gli ecosistemi Le attività umane hanno impatto con cambiamenti a tassi mai raggiunti prima sui sistemi terrestri. L’aumento della CO2 atmosferica è responsabile del riscaldamento del clima, contribuendo all’estinzione di specie e alla diffusione di malattie. La biologia è alla base della pratica medica. Biologia applicata 6  La ricerca biologica spiega come gli organismi funzionino e come essi sviluppino problemi e patologie. Ora sappiamo che alcune malattie derivano da variazioni genetiche. La biologia può informare la politica pubblica. 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, come ad esempio la pesca eccessiva del tonno pinna-blu (tonno rosso). Atomi e molecole Struttura dell’atomo La materia è composta di atomi Atomo significa indivisibile, inseparabile; anche se all’interno troviamo altre particelle. L’atomo è costituito da un nucleo che ha all’interno: Protoni massa 1 e carica positiva. Neutroni massa 1 e non ha carica. Elettroni massa trascurabile e carica negativa. Protoni e elettroni normalmente sono uguali se l’atomo di per sè è neutro. Gli atomi hanno massa (misura della quantità di materia) che si misura tramite: l’Unita di massa atomica (uma) Dalton (Da). 1 Da (o unità di massa atomica) = massa di 1 protone o di 1 neutrone = 1.7 x 10^-24 grammi La massa di un elettrone è 9 x 10 ^-28 grammi (0.0005 Da) ma è solitamente ignorata. Elemento → sostanza pura costituita da atomi dello stesso tipo (es. H, He ecc..). Il numero di protoni ed elettroni dell’atomo ne determina le sue proprietà chimiche e fisiche: la capacità di stabilire legami chimici con altri atomi (Il numero di protoni definisce che atomo abbiamo, il numero degli elettroni e la loro disposizione è fondamentale per capire come quell’atomo si comporterà). Gli elementi sono ordinati nella tavola periodica o (tavola di Mendeleev), sono ordinati secondo il numero crescente dei protoni. Ci sono: 94 elementi naturali (di cui 2 sono stati trovati nelle stelle). 26 sono sintetici. Biologia applicata 7  Gli elementi che si trovano sulla stessa colonna hanno o stesso numero di elettroni nello strato di valenza e hanno proprietà chimiche simili Gli elementi che si trovano sulla stessa riga hanno gli elettroni esterni sullo stesso strato di valenza. Solo 6 elementi rappresentano il 98 % degli esseri viventi idrogeno, ossigeno, carbonio, fosforo, azoto, zolfo. H (ha 1 protone): A = 1, Z = 1 He (2 protoni e 2 neutroni): A = 4; Z = 2 Li (3 protoni e 3 neutroni): A = 6; Z = 3 Isotopi → forme dello stesso elemento che hanno: Stesso numero di protoni Diverso numero di neutroni (es. C14 utilizzato per la datazione dei fossili) Peso atomico (massa atomica relativa) → media dei numeri di massa degli isotopi nelle loro proporzioni in natura. Radioisotopi → usati nella medicina nucleare emanano dal nucleo energia sotto forma di radiazione alfa (nuclei di elio), beta (elettroni) e gamma (fotoni). Questo decadimento radioattivo trasforma l’atomo, talora con cambiamenti nel numero di protoni (l’atomo iniziale diventa un altro elemento). La radiazione emessa può essere usata per individuare la presenza di radioisotopi. I radioisotopi possono essere incorporati in molecole (associazione stabile di atomi) ed agire come marcatori, l’attività cellulare può essere misurata tramite i radioisotopi che misurano la consumazione di glucosio. PRO CONTRO Il Carbonio 14 si combina con l’ossigeno Quando i radioisotopi decadono in atomi più stabili nell’atmosfera (14CO2), il C14 viene incorporato nei rilasciano energia sotto forma di radiazioni, come le composti organici e entra nella catena alimentare, gamma, che danneggiano il DNA. poiché la quantità si dimezza ogni 6000 anni, gli scienziati riescono a capire la datazione dei fossili. La tossicità emessa dai radioisotopi può essere utilizzata per uccidere cellule malate del nostro corpo o per evidenziare cellule tumorali (es. le cellule tumorale della tiroide catturano i radioisotopi di Iodio scambiandolo per quello normale, 131/123I) Orbitali Biologia applicata 8  Il numero di elettroni determina come gli atomi interagiranno (comportamento chimico). A seconda del livello di energia di cui sono dotati gli elettroni di una atomo si distribuiscono sui vari livelli energetici che sono in totale 7 (+ vicino al nucleo - energia). Gli orbitali hanno forme e orientamenti caratteristici (4 diverse tipologie) e sono occupabili da due elettroni con spin (senso di rotazione dell’elettrone sul proprio asse, in senso orario o in senso antiorario) di direzione opposta. Lo spin opposto fa si che elettroni, di carica negativa, non si respingano. Esistono solo due sensi di rotazione per cui solo 2 elettroni possono occupare lo stesso orbitale. Orbitale s (s=sharp): in ogni livello energetico troviamo un solo orbitale s (può contenere fino a 2 elettroni). Orbitali p (p=principal): a partire dal 2° livello, ogni livello presenta 3 orbitali p diversi (con orientamento spaziale diverso), che possono contenere fino a un massimo di 6 elettroni (2 per ogni orbitale). Orbitali d (d= diffuse): presenti nel 3°, 4°, 5° e 6° livello, sono in tutto 5 e possono contenere complessivamente fino a 10 elettroni Orbitali f (f=fundamental): presenti nel 4° e 5° livello, sono 7 e ospitano fino a 14 elettroni Gli orbitali vengono riempiti in una specifica sequenza: Negli atomi con più di 18 elettroni l’aumento del numero dei sottolivelli porta alla sovrapposizione dei livelli che possiedono valori di n diversi. Il livello energetico più esterno di un atomo determina il comportamento chimico dell’atomo. Gli elettroni del livello energetico più esterno dell'atomo sono detti elettroni di valenza. Sono al massimo 8. 1. Gli unici elementi che riempiono di elettroni tutti gli orbitali disponibili sono i gas nobili (l’atomo è stabile). 2. Gli atomi reattivi possono condividere elettroni, perderli o guadagnarli, diventando atomi legati assieme a formare molecole. Fra gli atomi reattivi abbiamo: Gli alogeni tendono a saturare il loro strato di valenza catturando un elettrone. I metalli alcalini tendono a saturare il loro strato di valenza cedendo un elettrone. Biologia applicata 9  I legami chimici Legame chimico: una forza di attrazione che lega atomi insieme, a formare una molecola. Legame covalente Si forma quando due atomi condividono una o più paia di elettroni così da completare gli strati di valenza (così da raggiungere la minima quantità di energia potenziale) L’energia di dissociazione (Kcal/mole) del legame è la quantità di energia che deve essere somministrata perchè quel legame si possa rompere. I legami covalenti sono molto forti à occorre molta energia per spezzarli. Composto: una molecola costituita da due o più elementi diversi legati insieme in un rapporto fisso (es. H20) Il peso molecolare di un composto: la somma dei pesi atomici di tutti gli atomi nella molecola. Es. H20: 18,01 Da (16 per l’O e 2 per i due H) La lunghezza, l’angolo e la direzione dei legami tra due qualsiasi elementi sono sempre i medesimi. Tuttavia, la forma delle molecole può cambiare dato che gli atomi possono ruotare attorno ad un legame covalente (no doppio legame). I legami covalenti sono omeopolari quando legano due atomi identici (es. H2). Legame covalente polare e apolare Elettronegatività: la forza attrattiva che un atomo esercita sugli elettroni in un legame. L’elettronegatività dipende dal numero di protoni (+ protoni + elettronegatività) e dalla distanza tra nucleo ed elettroni (+ gli elettroni sono vicini al nucleo, maggiore è la forza elettronegativa). Legame covalente apolare: gli elettroni sono equamente condivisi (gli atomi hanno elettronegatività simile). Legame covalente polare: gli elettroni vengono attirati verso il nucleo di un atomo, più che verso un altro, data la maggiore elettronegatività di quell’atomo. A causa di una condivisione diseguale, una molecola con legame polare ha una parziale carica negativa (𝛅-) ad un’estremità ed una parziale carica positiva (𝛅+) ad un’altra estremità. Le cariche parziali determinano molecole polari o regioni polari di grandi molecole. Legame ionico Biologia applicata 10  Quando un atomo è molto più elettronegativo di un altro (differenza ≥ 1.7), può avvenire un completo trasferimento di elettroni. Si ottengono due ioni con livelli esterni completi. Ioni: particelle cariche elettricamente, formate quando atomi perdono o guadagnano elettroni. Ioni complessi: gruppi di atomi legati covalentemente, dotati di carica (esempio: NH4, ione ammonio) Atomo di azoto condivide i suoi due elettroni di valenza rimasti con uno ione idrogeno H+ Il composto avrà 11 cariche positive e 10 negative quindi assumerà una carica positiva (NH4+) Attrazioni ioniche: legami che derivano dall’attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta (positivi e negative) I sali sono tipicamente sostanze costituite da ioni di segno opposto (es. NaCl, cloruro di sodio, la formula in questo caso non rappresenta una vera molecola ma un rapporto stechiometrico 1:1 fra gli ioni Na+ e Cl- che costituiscono il cristallo). In forma solida, gli ioni sono vicini tra loro e le attrazioni ioniche sono forti. In acqua, gli ioni sono distanziati e l’attrazione è molto più debole (gli ioni possono interagire con molecole polari) Legame a idrogeno Attrazione tra l’estremità δ– di una molecola e l’estremità δ+ di un atomo di idrogeno di un’altra molecola. I legami a idrogeno si formano tra molecole d’acqua e sono importanti nella struttura di DNA e proteine (stabilizzano la struttura). Sono più lunghi dei legami covalenti. -forti dei legami covalenti + forti delle forze di Van Der Waals Le molecole polari sono idrofile Le molecole apolari sono idrofobiche Forze di Van Der Waals Attrazioni tra gli elettroni e il nucleo di molecole non polari (ma anche polari) vicine tra loro. Le singole interazioni sono brevi e deboli, dovute a variazioni casuali nella distribuzione degli elettroni nelle molecole (attrazione debole temporanea tra δ– e δ+). Biologia applicata 11  In un solido queste forze tengono la molecola saldamente, scaldando la sostanza l’energia cinetica indebolisce le forze e la sostanza passa a uno stato liquido o ancora gassoso. Tanto più grandi sono gli atomi di una molecola tanto più sono forti le forze di Van Der Waals e sono quindi più elevate le temperature di fusione e ebollizione. Le Reazioni chimiche Le reazioni chimiche avvengono quando gli atomi collidono con sufficiente energia da combinarsi o cambiare i loro partner di legame. Questa è una reazione di ossido-riduzione (reazione redox): passaggio di elettroni tra atomi Elettroni e protoni sono trasferiti dal propano (agente riducente, si ossida) ↳ all’ossigeno (agente ossidante, si riduce) per formare acqua. Reazioni chimiche che rilasciano energia → esoergoniche Reazioni chimiche che richiedono energia → endoergoniche L’Acqua Molecola polare (è un dipolo) Forma legami a idrogeno Corpo umano è costituito per più del 70% dal proprio peso da acqua. La maggior parte delle reazioni biochimiche avviene in acqua Proprietà dell’acqua 1. Espansione in seguito a congelamento 2. Elevata capacità termica 3. Coesione, adesione e capillarità 4. Alta capacità di solvatazione 1. Espansione Con l’aumento delle temperature le molecole d’acqua si distanziano sempre di più fra di loro producendo un aumento del volume pari al 4,5%. Stato Liquido: i legami si rompono mille miliardi di volte in 1 minuto (alto movimento molecolare) Stato Gassoso: all’aumento della temperatura aumenta il movimento molecolare. A 100 °C, non si formano più legami e le molecole diventano gassose (si allontanano definitivamente le une dalle altre) Stato Solido: A temperatura ≤ a 0°C, l’energia cinetica delle molecole non è sufficiente per rompere i legami. Ogni molecola d’acqua è legata con legami a idrogeno ad altre quattro molecole in una rigida struttura cristallina. Biologia applicata 12  L’acqua solida è meno densa (> distanza tra molecole) dell’acqua liquida. 2. Capacità Termica Per passare da uno stato fisico a un altro l’acqua richiede una grande quantità di energia. Capacità termica: quantità di calore da fornire a una sostanza per innalzarne la temperatura di un kelvin (K) o di 1 °C. L’alta capacità termica dell’acqua aiuta a mitigare il clima e le temperature oceaniche. L’acqua ha un elevato calore di evaporazione: la quantità di energia richiesta per cambiare l’acqua dallo stato liquido allo stato gassoso Il sudore richiama energia sotto forma di calore e la utilizza per evaporare, la grande quantità di energia richiesta viene sottratta dal corpo con il risultato finale di abbassare la temperatura. 3. Coesione, adesione e capillarità L’adesione e la coesione dell’acqua sono responsabili del fenomeno della capillarità Capillarità: risalita di un liquido all’interno di vasi con diametro ristretto. Menisco: conca superficiale di un liquido presente in qualsiasi contenitore Menisco concavo: forza di adesione del liquido al contenitore è superiore a quella di coesione Menisco convesso: forza di adesione è inferiore a quella di coesione La coesione tra le molecole induce tensione superficiale: una molecola d’acqua in superficie subirà solo la forza attrattiva esercitata dalle molecole sotto o accanto alla molecola considerata (la densità dell’aria è molto più bassa quindi l’attrazione delle molecole d’acqua verso le molecole d’aria è trascurabile). Ne consegue che la molecola in superficie sarà attratta più efficacemente verso l’interno del liquido (omogeneo orientamento verso il basso dei legami ad idrogeno). 4. Alta capacità di solvatazione Una soluzione è una sostanza (soluto) dissolta in un liquido (solvente) L’acqua si lega a sostanze provviste di carica (ioni e molecole polari) solubilizzandole. Mole: la quantità di una sostanza (in grammi) numericamente uguale al suo peso molecolare in dalton. Es. (1 mole di idrogeno molecolare H2 = 2 Da = 2 g, 1 mole di glucosio (C6H12O6) = (12 x 6 + 1 x 12 + 16 x 6) = 180 Da = 180 g) Biologia applicata 13  Molarità (M): numero di moli della sostanza in 1 L di soluzione, è la concentrazione di una sostanza chimica in una soluzione. Esempio: una soluzione 0,1 M di glucosio in acqua contiene 0,1 moli (= 18, 0 g) di glucosio in un litro della soluzione acquosa. Una soluzione 1 μM (micromol) contiene 6,02 x 10 17 molecole di soluto (nei tessuti viventi, le sostanze si presentano in concentrazioni micromolari). Acidi e Basi Gli acidi in acqua liberano ioni H+ (elettrofili) Le basi in acqua accettano ioni H+ (nucleofili) 1. Gli acidi e le basi forti si dissociano completamente in soluzione (es. gli idrossidi si dissociano completamente liberando ioni OH-) 2. Gli acidi e le basi deboli non si dissociano completamente, la doppia freccia indica la contemporanea presenza in soluzione di reagenti e prodotti. L’acqua ha una leggera tendenza a ionizzare È anfotera (si comporta sia da acido che da base) libera sia ioni H+ che ioni OH- Ph pH bassi significano maggior concentrazione di H+, o maggior acidità Il pH influenza la velocità delle reazioni biologiche e può cambiare la struttura 3D delle molecole biologiche, con effetti sulla funzione. Molecola con gruppo – COO- interagisce con regioni polari dell’acqua, se aggiungo H+ ottengo –COOH (no carica, idrofobo): reagisce meno con l’acqua, cambio struttura 3D. Biologia applicata 14  Gli organismi utilizzano svariati meccanismi per minimizzare I cambiamenti di pH nelle loro cellule e nei tessuti e mantenere costanti le condizioni interne (omeostasi). I tamponi (buffer) aiutano a mantenere costante il pH. Un tampone è una miscela di: un acido debole e la sua base coniugata (forte). una base debole e il suo acido coniugato (forte). Molecole biologiche I quattro tipi di macromolecole sono presenti nelle stesse proporzioni in tutti gli organismi viventi ed hanno funzioni simili. Gli organismi possono ottenere le macromolecole necessarie cibandosi di altri organismi. Le molecole che costituiscono i viventi sono: Proteine: combinazioni di 20 amminoacidi Carboidrati: monosaccaridi legati a formare polisaccaridi Lipidi: forze non covalenti mantengono le interazioni tra monomeri lipidici. Acidi nuclei: quattro tipi di monomeri nucleotidici. La maggior parte sono polimeri formati dall’unione di molecole più piccole, i monomeri, tramite legami covalenti. Macromolecole → polimeri con pesi molecolari >1000 Da Gruppi funzionali La funzione delle macromolecole dipende dalle proprietà dei gruppi funzionali: gruppi di atomi con proprietà chimiche specifiche (es. possono rendere una molecola polare o apolare). Una singola macromolecola può contenere diversi gruppi funzionali. Biologia applicata 15  1. Gruppo ossidrilico (OH) 2. Gruppo aldeidico (CHO) → gruppo carbonilico 3. Gruppo chetonico (COR) → gruppo carbonilico 4. Gruppo carbossilico (COOH) 5. Gruppo amminico (NH2) 6. Gruppo fosfato (PO4) 7. Gruppo sulfridrilico (SH) 8. Gruppo metilico (CH3) → gruppo idrofobo (etile, propile, benzile ecc..) Gli isomeri Isomeri: molecole con la stessa formula chimica, ma con atomi disposti in modo diverso. Isomeri di struttura Isomeri cis-trans Isomeri ottici Isomeri di struttura: differiscono nel modo in cui gli Isomeri geometrici (cis-trans): diverso orientamento atomi sono legati tra loro (= formula molecolare, ≠ attorno ad un doppio legame (legame non rotazionale) connettività). tra due atomi di carbonio (= formula molecolare, connettività, ≠ orientamento). Gli isomeri ottici (enantiomeri) si hanno quando un atomo di carbonio ha quattro diversi atomi o gruppi ad esso legati (carbonio asimmetrico detto stereocentro). Si formano due molecole speculari non sovrapponibili tra loro. Alcune molecole biochimiche che possono interagire con un dato isomero ottico non sono in grado di adattarsi all’altro isomero. Ottici: i due isomeri hanno diversa capacità di fare ruotare la luce polarizzata (D, destrogiro; L, levogiro). Condensazione e idrolisi Biologia applicata 16  I polimeri si formano a partire dai monomeri tramite reazioni di condensazione in cui viene rimossa una molecola d’acqua (-H2O), queste reazioni vengono anche dette di disidratazione. I monomeri si uniscono tra loro con legami covalenti La condensazione richiede energia I polimeri vengono scissi in monomeri in reazioni di idrolisi in cui viene aggiunta acqua che reagisce con I legami covalenti separando H+ e OH- L’idrolisi rilascia energia. Proteine Le proteine sono polimeri di 20 diversi amminoacidi. Consistono di una o più catene polipeptidiche, ripiegate in specifiche forme 3-D definite dalla sequenza di aminoacidi. Catena polipeptidica: polimero lineare (non ramificato) di amminoacidi. Gli amminoacidi Sono monomeri dei peptidi e delle proteine (gli α) Sono formati da un gruppo carbossile -COOH (acido) e un gruppo amminico -NH2 (basico) Non svolgono funzione energetica Sono 20 di cui 9 sono detti essenziali Gli amminoacidi esistono in due enantiomeri (tranne la glicina legata a -H): Biologia applicata 17  1. D-aminoacidi (destra) esistono in alcuni batteri e piante. 2. L-aminoacidi (sinistra) – questa è la forma presente negli organismi Gruppi R Il ruolo biologico di un amminoacido dipende dalle caratteristiche del suo gruppo R, o catena laterale. Gli aminoacidi possono essere raggruppati in base alle catene laterali. A: 5 amminoacidi hanno catene laterali dotate di carica elettrica (ionizzate) ai livelli del Ph cellulare. Sono idrofilici e attraggono ioni di cariche opposte. Arginina, Istidina, Lisina → + Acido aspartico, Acido glutammico (neurotrasmettitori) → - B: 5 amminoacidi idrofilici con catene laterali polari, ma privi cariche, formano legami a idrogeno. Serina, Treonina, Asparagina, Glutammina, Tirosina (precursore di alcuni neurotrasmettitori come la dopamina e l’adrenalina) D: 7 amminoacidi idrofobici (in ambiente acquoso, possono raggrupparsi all’interno della molecola) Alanina, Isoleucina, Leucina, Metionina, Fenilalanina, Triptofano (precursore della serotonina), Valina Biologia applicata 18  C: 3 amminoacidi sono casi “particolari” 1. Cisteina: Il gruppo sulfidrilico (–SH) della cisteina può interagire con un’altra cisteina per formare un ponte disolfuro, o legame disolfuro (— S—S—) covalente, importante nel ripiegamento proteico. 2. Glicina (neurotrasmettitore): Il Gruppo R contiene solo un atomo di H. Può stare all’interno delle molecole proteiche dove non stanno catene più voluminose → collagene ( ripiegamenti stretti). 3. Prolina: Il gruppo amminico forma un legame covalente con un carbonio delle catena laterale formando una struttura ad anello (genera un ripiegamento fisso nella proteina. Abbondante in proteine con ripiegamenti) I legami peptidici Gli aminoacidi sono legati covalentemente tra loro in una reazione di condensazione tramite legami peptidici. Il legame peptidico (legame ammidico) porta alla formazione dei peptidi e delle proteine. La “testa” che segna l’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. Il legame viene rotto tramite alcuni enzimi proteasi nel nostro apparato digerente come la pepsina e la tripsina. Rottura del legame con enzimi (proteasi) per ottenere dal cibo gli amminoacidi essenziali (9 aa che non riusciamo a sintetizzare e dobbiamo assumere con il cibo), gli 11 aa non essenziali, vengono invece sintetizzati. 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. L’estremità N-terminale rappresenta l’inizio della catena mentre quella C-terminale ne è il termine. (N-C-C-N-C-C → scheletro assile o peptidico). La sequenza degli amminoacidi, con i loro gruppi R determina la struttura e funzioni di una proteina. Biologia applicata 19  Struttura primaria La struttura primaria di una proteina è la sequenza di amminoacidi (l’alterazione della catena causata da mutazioni può causare patologie) Costituisce il patrimonio genetico dell’individuo La sequenza determina la struttura secondaria e terziaria: come la proteina è ripiegata. Il numero di proteine diverse che possono essere composte a partire da 20 amminoacidi è enorme. Un proteina piccola ha 100 aa → 20^100 possibili combinazioni. Struttura secondaria La struttura secondaria sono le configurazioni spaziali locali della catena peptidica mediate dalla formazione di legami idrogeno tra l’ossigeno del gruppo -COOH di uno e l’idrogeno del gruppo -NH dell’altro. Due tipi di strutture: α elica → avvolgimento destrorso in senso antiorario risultante da legami a idrogeno tra H legato a N nel Gruppo N–H (δ+) di un amminoacido e l’O legato al C nel Gruppo C=O del quarto successivo (δ-). Favorita dai gruppi poco ingombranti e privi di carica (es. cheratina, elastina) Gruppi R sporgono all’esterno foglietto β pieghettato → legami idrogeno tra tratti diversi della stessa catena polipeptidica. Si formano fino a 10 filamenti con ognuno fino a 15 amminoacidi Parallelo → i filamenti decorrono nella stessa direzione (da C a N o da N a C) Antiparallelo → i filamenti decorrono in senso opposto Misto → i filamenti decorrono in ambedue le direzioni Gruppi R sporgono in modo alterno sulle due facce del foglietto Una proteina può avere sia organizzazione ad α elica che foglietto β nella stessa catena, costituendo i motivi della proteine (struttura secondarie che conferiscono proprietà strutturali e funzionali alla proteina). Es. chiusura lampo di leucine, elica-ansa-elica, β-barile, β-sandwich. Struttura terziaria La struttura terziaria è il ripiegamento tramite legami intermolecolari risultante in una macromolecola con una specifica forma tridimensionale da cui deriva l’attività biologica della proteina. Le superfici esterne presentano gruppi funzionali che possono interagire con altre molecole. Le catene laterali idrofobiche si mettono all’interno della struttura Le catene laterali idrofile si mettono all’esterno. La struttura terziaria è determinata da 1. Legami disolfuro covalenti tra le cisteine interazioni: 2. Legami a idrogeno tra le catene laterali tra gruppi R 3. Aggregazione di catene laterali idrofobiche all’interno della tra gruppi R e l’ambiente circostante proteina. Contribuiscono al ripiegamento (forze di van der Waals) Biologia applicata 20  Folding proteico: quando assume la sua 4. Attrazioni ioniche tra catene con carica positive e negative (es. forma definitiva. arginina e acido glutammico) Le strutture secondaria e terziaria delle proteine contribuiscono alla formazione di Domini regioni specializzate della proteina con una struttura tridimensionale ben definita (es. regione variabile degli anticorpi). Struttura quaternaria La struttura quaternaria si ottiene dall’interazione di più catene polipeptidiche (subunità) tramite: interazioni idrofobiche forze di van der Waals attrazioni ioniche legami idrogeno Ogni subunità ha la propria struttura quaternaria unica, es. l’emoglobina è costituita da: 2 catene 𝛂 e 2 catene β, ciascuna legata a un gruppo eme. Denaturazione Le temperature elevate possono rompere i legami deboli che determinano la struttura secondaria e terziaria delle proteina (es. la cottura del cibo permette al corpo di arrivare prima agli amminoacidi). Quando viene raffreddata, la proteina torna alla normale struttura terziaria (rinaturazione), dimostrando che l’informazione che specifica la forma proteica è nella struttura primaria. il processo è reversibile solo per le proteine con una struttura terziaria non molto complessa. Le proteine possono legarsi non covalentemente con specifiche molecole. La specificità è determinate da: Forma: dev’esserci un generale “adattamento” tra le forme 3-D della proteina e dell’altra molecola. Chimica: gruppi R sulla superficie interagiscono con altre molecole tramite legami ionici, idrofobici o a idrogeno. Struttura e forma delle proteine Le condizioni ambientali possono colpire la struttura secondaria e terziaria che dipendono da legami deboli: La forma della proteina può cambiare fisiologicamente come risultato di: Biologia applicata 21  Interazione con altre molecole: Gruppi R si legano a gruppi su un’altra molecola annullando le interazioni dentro il polipeptide causando un cambiamento nella sua forma. Modifica covalente: aggiunta di un gruppo chimico ad un amminoacido può modificarne la posizione e quindi cambiare la forma della proteina (Es. Aggiunta gruppo fosfato carico a un gruppo R poco polare. Il gruppo passa da idrofobico a idrofilico e cambia posizione). Chaperon molecolari Le proteine possono legarsi alle molecole errate dopo denaturazione o quando sono appena prodotte e ancora dispiegate. Gli chaperon (chaperonine) sono proteine che aiutano a prevenire ciò: come le proteine heat shock, circondano una proteina denaturata e le permettono di ripiegarsi. Queste proteine aiutano anche il corretto avvolgimento della catena polipeptidica durante la formazione della sua struttura. Carboidrati I carboidrati (glucidi) sono molecole omogenee dal punto di vista chimico. infatti sono sempre alcoli polivalenti (più ossidrili) con 1 gruppo aleidico (aldosi) o chetonico (chetosi). Struttura fatta da: Atomi di C legati ad atomi di idrogeno (-H) Gruppi ossidrilici (-OH) che le rende idrofile (solubili in acqua) Un gruppo carbonilico > C=O sono aldosi o chetosi in base al gruppo carbonile. In base al numero di C sono classificati in: triosi, tetrosi, pentosi, esosi, eptosi. Con l’aumento dei numeri di carbonio aumenta il numero dei possibili stereoisomeri della molecola. Funzioni: I carboidrati si distinguono in base al numero di monomeri: Biologia applicata 22  Sorgenti di energia immagazzinata Monosaccaridi: zuccheri semplice (glucosio). Usati per trasportare energia immagazzinata Disaccaridi: due zuccheri semplici legati da legami covalenti (saccarosio) Scheletri carboniosi per molte altre molecole Oligosaccaridi: da 3 a 20 monosaccaridi Formano agglomerati extracellulari come le pareti cellulari che danno struttura. Polisaccaridi: centinaia o migliaia di monosaccaridi (amido, glicogeno, cellulosa) Monosaccaridi Tutte le cellule usano glucosio (monosaccaride) come sorgente energetica Esiste come catena lineare o ad anello. La forma ad anello prevale negli esseri viventi. (la ciclizzazione avviene quando gli zuccheri si trovano in ambiente acquoso in cui il 1 può venire a trovarsi nelle vicinanze del C4 nei pentosi e del C5 negli esosi) La forma ad anello esiste come glucosio α o β (diversa disposizione gruppo – OH sul C1 che diventa asimmetrico). La ciclizzazione è reversibile in ambiente acquoso quindi le due forma (ciclica e aperta) si possono trovare una condizione di equilibrio dinamico. Forma ciclica I monosaccaridi possono avere un diverso numero di atomi di carbonio: Triosi: tre carboni (es. gliceraldeide esiste solo nella conformazione a catena aperta) Esosi: sei carboni (presentano isomeri strutturali) Pentosi: cinque carboni Legami glicosidici Per evitare che il glucosio sia metabolizzato durante i processi di trasporto le sue molecole si legano a due a due formando i disaccaridi Biologia applicata 23  I monosaccaridi si legano tra loro in reazioni di condensazione fra due dei loro gruppi ossidrilici per formare legami glicosidici che possono essere α o β in base alla posizione del gruppo ossidrile sul carbonio anomerico (- OH), questo porta alla formazione di un legame etereo (-O-) Nel legame si specificano gli atomi di C coinvolti nel legame: es. 1-4 glicosidico (Carbonio 1 e 4) e il tipo di enantiomero al quale è legato il gruppo -OH Es. legame 1-4, α glicosidico I legami β sono più rari e lo sono anche gli enzimi (β–glicosidasi) per tagliarli, il nostro corpo digerisce solo legami α. Questi legami sono molto forti e possono essere scissi solo tramite l’enzima glicosidasi (alpha o beta) es. il lattosio (legame 1-4 β-glicosidico) ha bisogni dell’enzima lattasi per scindersi, in alcune popolazioni la lattasi si trova solo nei bambini, l’intolleranza al lattosio può anche essere congenita. Oligosaccaridi Gli oligosaccaridi sono spesso covalentemente legati a proteine e lipidi sulle superfici cellulari e possono agire come segnali di riconoscimento (es. glicoproteine) I gruppi sanguigni umani hanno la loro specificità data da catene oligosaccaridiche. Polisaccaridi I polisaccaridi sono giganteschi polimeri di monosaccaridi (con o senza ramificazioni) formati in seguito al processo di polimerizzazione Polisaccaridi di riserva Forme di deposito insolubile di glucosio, generalmente legami ɑ-glicosidici (1→4) e (1→6) Amido: magazzino di glucosio nelle piante. In assenza di acqua: formazione di legami a idrogeno tra le catene che si aggregano (granuli) Glicogeno: magazzino di glucosio negli animali (nel fegato, muscoli) Formazione di depositi nel citoplasma chiamati rosette di glicogeno. La struttura del glicogeno è analoga a quella dell’amido ma più ramificata (ogni 8-14 unità invece che ogni 24- 30 unità) Biologia applicata 24  Polisaccaridi di struttura Cellulosa: molto stabile, ideale come componente strutturale (parete cellulare nelle piante). Legami β (1→4) glicosidici I filamenti si dispongono in fasci paralleli costituendo le microfibrille le quali si avvolgono formando le fibrille che si intrecciano ulteriormente formando le fibre usate per la costruzione della parte cellulare (es. legno). Cellulasi (taglia legami β–glicosidasi) prodotta da batteri, enzimi e funghi. Chitina: polimero di amminozuccheri (N- acetilglucosammina: un gruppo amminico si sostituisce a un gruppo –OH) Legami β (1→4) glicosidici, catene laterali unite da legami a idrogeno La chitinasi è l’enzima necessario per il taglio dei legami Esoscheletro di insetti, molti crostacei e funghi. Lipidi Sono molecole eterogenee nella struttura I lipidi sono idrocarburi (contengono soltanto atomi di carbonio e di idrogeno) Non polari → insolubili in acqua (idrofobici) a causa dell’elevato numero di legami C-H. Se vicini, forze di van der Waals deboli ma additive li mantengono insieme. Funzioni 1. Grassi e oli → immagazzinano energia. 2. Fosfolipidi → ruolo strutturale nelle membrane cellulari. 3. Carotenoidi e clorofille → catturano l’energia luminosa nelle piante. 4. Steroidi e acidi grassi modificati → ormoni e vitamine. 5. Grassi animali → isolamento termico (pannicolo adiposo). 6. Il rivestimento lipidico (mielina) attorno ai nervi fornisce isolamento elettrico. 7. Oli e cere su pelle, pelliccia e penne sono idrorepellenti. Oli e grassi I trigliceridi sono un deposito di energia e sono composti da: Biologia applicata 25  3 acidi grassi (= o ≠) catena apolare, 16-20 C caratteristiche acide (a causa della presenza del gruppo carbossilico) gruppo carbossilico -COOH polare molecole anfipatiche: testa idrofila e corpo idrofobico. glicerolo (3 gruppi ossidrili -OH polari) Formazione dei trigliceridi per estereficazione (formazione di un gruppo estere fra il gruppo alcolico e quello carbossilico) Acido grasso saturo: NON ci sono doppi legami tra Acido grasso insaturo: ci sono uno o più legami carboni. I legami sono saturati da atomi di H. doppi nella catena carboniosa che causano curvature. Molecole rettilinee che si dispongono in modo compatto. No strutture compatte, maggiore ingombro spaziale. (es. grassi animali → solidi a temperatura ambiente) (es. oli vegetali → liquidi a temperatura ambiente) Le margarine sono oli resi solidi mediante l’aggiunta di idrogeno che li rende saturi. Nel nostro organismo i lipidi sono prodotti dalle cellule adipose o adipociti che costituiscono il tessuto adiposo, in casi di eccessiva disponibilità di energia chimica le cellule adipose trasformano il glucosio in trigliceridi accumulandoli nel loro citoplasma. In casi di scarsità di energia chimica avviene il processo opposto. Fosfolipidi Biologia applicata 26  I fosfolipidi sono fosfogliceridi composti da: glicerolo due acidi grassi un gruppo fosfato (carica negativa) legato a una piccola molecola carica da cui prende il nome. In acqua, i fosfolipidi si allineano con le loro code idrofobiche, e con le teste fosfato rivolte all’esterno, costituendo un doppio strato (“bilayer”). Le membrane biologiche hanno tale struttura a doppio strato fosfolipidico. sono molto stabili sono impermeabili alle molecole polari sono fluidi ai normali livelli di temperatura della cellula. Gli sfingolipidi sono altri tipi di fosfogliceridi che costituiscono la guaina mielinica dei neuroni (il glicerolo è legato a un gruppo amminico al quale si legherà la seconda catena di acido grasso). Altri lipidi Steroidi: anelli policarboniosi che derivano dallo sterano (4 anelli che condividono carboni). Il colesterolo è: un importante steroide nelle membrane cellulari in cui aumenta la compattezza e diminuisce la fluidità È prodotto e regolato dal fegato (lo riceve dall’intestino ma può anche produrlo in caso di necessità) Forma le lipoproteine (LDL → che possono depositarsi sulle pareti interne dei vasi sanguigni e HDL) legandosi ad alcune proteine trasportatrici. Precursore di ormoni steroidei (testosterone ed estrogeni) Contiene un gruppo ossidrile che lo rendo un alcol (lipide anfipatico) 1. Cere: altamente non polari e impermeabili all’acqua (ghiandole nella pelle degli uccelli e mammiferi, foglie delle piante). 2. Vitamine: piccole molecole non sintetizzate dal corpo; devono essere assunte con la dieta. 3. Carotenoidi: pigmenti assorbenti luce. Biologia applicata 27  Nucleotidi Un nucleoside consiste di: 1. uno zucchero pentoso 2. una base azotata legata con un legame β-glicosidico Un nucleotide consiste di: 1. uno zucchero pentoso (5 atomi di carbonio) 2. una base azotata 3. un gruppo fosfato (- H2PO4) legato tramite un legame fosfoestere Per convezione, quando entrano a fare parte di in un nucleotide, gli atomi di carbonio assumono il suffisso «primo» (es. C1’: carbonio uno-primo). Due nucleotidi si uniscono tramite un legame fosfodiestere (tramite reazione di condensazione) che si viene a creare fra: il gruppo ossidrile (-OH) sul C-3 di uno il gruppo fosfato (ɑ) sul C-5 dell’altro Esempi di oligonucleotidi (circa 20 monomeri): inneschi (“primer”) ad RNA che iniziano la duplicazione del DNA, RNA che regolano l’espressione genica, etc. Polinucleotidi o acidi nucleici (DNA ed RNA): possono essere molto lunghi fino a milioni di monomeri (DNA: circa 3 miliardi coppie di basi). Acidi Nucleici Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi specializzati nell’immagazzinamento, nella trasmissione e nell’utilizzo dell’informazione genetica. Biologia applicata 28  Esempi: Ribo-adenosin-monofosfato (rAMP) Desossi-citina-difosfato (dCDP) Ribo-adenosin-trifosfato (rATP) ATP Condensazione Idrolisi L’ATP (adenosina trifosfato) è un deposito di energia chimica. Quando si rompe il legame fra due gruppi fosfato si libera una grande quantità di energia. ATP e GTP possono essere trasformate in molecole cicliche (cAMP e cCMP). Due caratteristiche dell’ATP spiegano l’energia libera rilasciata: I gruppi fosfato hanno una carica negativa che li respinge tra loro: serve energia per tenerli legati. L’energia è conservata nel legame P~O. L’energia libera del legame P~O è molto più grande dell’energia del legame O—H che si forma dopo l’idrolisi. RNA Biologia applicata 29  I nucleotidi dell’RNA sono composti da: 1. zucchero ribosio 2. gruppo fosfato 3. basi azotate: adenina, citosina, guanina, uracile L’RNA è a singolo filamento, ma in diverse regioni della molecola possono avvenire degli appaiamenti tra basi. L’appaiamento delle basi (A-U, C-G) determina la forma tridimensionale di alcune molecole di RNA Possono avvenire appaiamenti complementari di basi anche tra DNA ed RNA DNA I nucleotidi del DNA sono composti da: 1. zucchero 2-desossiribosio 2. gruppo fosfato 3. basi azotate adenina, citosina, guanina, timina DNA è a doppio filamento: 2 filamenti ad andamento antiparallelo tenuti assieme da legami idrogeno tra le basi avvolti con avvitamento a spirale destrorso (doppia elica). Tutte le molecole di DNA hanno la stessa struttura; la diversità risiede nella sequenza delle coppie di basi Il DNA è una molecola informazionale: l’informazione è codificata dalle sequenze delle basi La molecola presenta 2 solchi che ne percorrono a spirale la superficie (un solco maggiore e uno minore), che permetto alle proteine di riconoscere le basi azotate presenti in un dato punto. È un acido poichè i gruppi fosfato nei due filamenti sono dotati di un gruppo acido libero di ionizzarsi (rendono la molecola idrofila e quindi solubile in acqua, mentre le basi azotate sono una regione idrofoba). Biologia applicata 30  Il DNA trasmette l’informazione in due modi: Riproducendosi (replicazione). Ogni cellula nuova riceve stesso corredo genetico. Le sequenze di DNA possono essere copiate in RNA (trascrizione). L’RNA può specificare una sequenza di amminoacidi di un polipeptide (traduzione). Trascrizione + traduzione = espressione Il corredo completo del DNA di un organismo vivente è detto genoma. La replicazione del DNA coinvolge l’intera molecola, mentre solo alcune regioni relativamente piccole del DNA vengono trascritte in RNA Non tutta l’informazione è necessaria in tutti i momenti; le sequenze di DNA che specificano un’informazione sono chiamate geni. I geni per le proteine sono chiamati geni strutturali. Il DNA forma delle grosse molecole lineari dette cromosomi che sono 46 in ogni cellula somatica del nostro organismo. Queste caratteristiche riguardano struttura di tipo B del DNA. La cellula 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. 3 miliardi di anni fa esistevano le prime cellule organiche, ne siamo sicuri in quanto sono stati trovati fossili di cellule di cianobatteri, simili ai batteri odierni. Ci sono due ipotesi riguardo alla comparsa della vita sulla terra: 1. Alcuni sostengono che sia stata portata dai meteoriti, infatti sono state trovate su di essi tracce di sostanze organiche. Ipotesi poco plausibile in quanto queste molecole organiche sono un po' diverse dalle nostre ed è difficile si siano mantenute integre nel viaggio verso la Terra. Un'altra ipotesi, dimostrata sperimentalmente, è quella dell'evoluzione chimica, ossia che la vita si sia formata a partire da molecole inorganiche i cui atomi si sono riorganizzati tramite casuali associazioni fisiche per formare le molecole organiche. Biologia applicata 31  Nel 1950 Miller e Urey conducono un esperimento in cui utilizzavano una miscela di gas primordiali (con atomi che costituiscono i viventi: C,H,P,N), vapore acqueo e una fonte energetica dopo un pò di tempo di sono formate le prime macromolecole semplici, hanno poi raffreddato il sistema e le macromolecole sono cadute formando un bacino di molecole biologiche. Questo esperimento venne riprodotto numerose volte manipolando gli elementi presenti nelle miscele gassose, e pian piano si è riusciti ad ottenere tutti e 20 gli amminoacidi, moltissimi zuccheri e anche tutti i nucleotidi dei nostri acidi nucleici. Questi esperimenti hanno dimostrato la formazione di monomeri ma come si siano poi aggregati tra di loro ancora non è noto. Secondo un’ipotesi i polimeri sono stati sintetizzati in pozze di acqua calda, l’evaporazione avrebbe concentrato i monomeri favorendo la polimerizzazione (il “brodo primordiale”). Un'altra ipotesi deriva dal fatto che nelle sorgenti idrotermali dei fondali oceanici ci sono una serie di metalli catalizzatori, che accelerano le reazioni chimiche, questi potrebbero aver portato i monomeri a unirsi tra loro. Mondo a RNA Sembra abbastanza condivisa l'idea del mondo a RNA, cioè che le prime molecole fossero forme di RNA. Nelle reazioni biochimiche ci sono una serie di catalizzatori ed è emerso da una serie di esperimenti che alcune molecole di RNA possono fungere loro stessi da enzimi (catalizzatori). Per cui dopo essersi formate catene di RNA, alcune di esse avrebbero agito su altre per favorirne la duplicazione. In questo modo l'RNA può aver agito anche come catalizzatore per la sintesi di proteine e in un secondo momento avrebbe dato luogo a molecole di DNA. Evidenze a favore → al giorno d'oggi esistono delle molecole di RNA chiamate ribozimi che tuttora aiutano la formazione delle proteine, per cui come lo fanno oggi lo possono aver fatto anche un tempo. Il fatto che da una molecola di RNA si sia formato il DNA è plausibile in quanto anche adesso ci sono dei retrovirus che contengono un enzima chiamato trascrittasi inversa che catalizza la sintesi di DNA. Infine si è visto come l’RNA catalizzi la polimerizzazione di nucleotidi. In sintesi: Biologia applicata 32  1. Le forme 3-D di alcune molecole di RNA (ribozimi) risultano simili agli enzimi. Anche i legami peptidici sono oggi catalizzati da ribozimi. 2. L’RNA potrebbe aver agito come catalizzatore per la propria replicazione e per la sintesi di proteine. 3. Il DNA si sarebbe dunque evoluto dall’RNA 4. Nei retrovirus un enzima, chiamato trascrittasi inversa, catalizza la sintesi di DNA a partire dall’RNA. 5. In condizioni sperimentali, brevi molecole di RNA presenti in natura possono catalizzare la polimerizzazione di nucleotidi. La membrana plasmatica Le reazioni chimiche metaboliche e la replicazione non potrebbero avvenire in un ambiente acquoso diluito. I composti coinvolti devono essere stati concentrati in un compartimento. Attualmente, le cellule viventi sono separate dal loro ambiente tramite una membrana. È impensabile che tutte queste reazioni siano accadute in oceani all'aperto, ci deve essere stato qualcosa che abbia portato ad una compartimentazione, ossia la creazione di ambienti delimitati → cellule con una membrana. In acqua gli acidi grassi formano un doppio strato (“bilayer”) lipidico attorno ad un compartimento. Queste protocellule permettono a piccole molecole come zuccheri e nucleotidi di passare attraverso. Se brevi filamenti di acido nucleico in grado di auto-replicazione sono collocati all’interno delle protocellule, i nucleotidi possono entrare ed essere incorporati in catene polinucleotidiche. Questa compartimentazione avrebbe favorito l’avvento di alcune reazioni biochimiche. 1. È una barriera selettivamente permeabile a causa delle code interne idrofobiche (non fa passare grandi molecole polari, ioni e molecole idrosolubili) 2. Permette alle cellule di mantenere un ambiente interno costante (si crea un microambiente) 3. E’ importante nella comunicazione e nel ricevimento dei segnali. 4. Sulla superficie della membrana sono presenti zuccheri e proteine che consentono alle cellule di riconoscersi tra di loro e di aderire le une con le altre. La teoria cellulare A metà del XVII sec Robert Hooke, osservando al microscopio delle fettine di sughero, vide delle strutture particolari, tante cellette una accanto all'altra. Inizia così l'osservazione di molti tessuti e, dopo la diffusione dell’uso del microscopio, viene confermato il fatto che la materia organica sia formata da unità più piccole. Le cellule sono le unità fondamentali della vita. Teoria cellulare = ogni organismo è formato da unità di base chiamate cellule, queste cellule provengono da altre cellule preesistenti, in tempi più recenti ci si è resi conto che le cellule hanno tutte un antenato comune. Esistono due tipi di cellule: procariotiche ed eucariotiche. Biologia applicata 33  La cellula procariotica Dimensioni: 1 – 10 µm Bacteria e Archaea sono procarioti. Le prime cellule erano probabilmente procariotiche. Gli organismi unicellulari sono individui formati da singole cellule ma spesso questi possono formare catene o gruppi. Non hanno compartimenti interni delimitati da membrana (il DNA si trova sotto forma di piccolo cromosoma di forma circolare, è sparso nel citoplasma in una regione detta nucleoide) ad eccezione dei batteri fotosintetici (cianobatteri) che posseggono dei ripiegamenti, a forma di sacca, dove si vanno ad accumulare tutta una serie di molecole utili alla fotosintesi (cloroplasti). Il citoplasma consiste di citosol (acqua con disciolti ioni, piccolo molecole e macromolecole solubili più filamenti e particelle). 1. La maggior parte dei procarioti ha una rigida parete cellulare all’esterno della membrana plasmatica (mantiene la forma della cellula e dà supporto), (peptidoglicani). La parete cellulare è costituita da: Peptidoglicano: una composizione polisaccaridica e proteica Un’ulteriore membrana esterna fosfolipidica ricca di polisaccaridi di funzione ancora ignota (solo in alcuni batteri) 2. Alcuni batteri hanno una capsula mucosa di polisaccaridi (protezione contro la fagocitosi, resistenza ad essiccamento, riserva in quanto le molecole dei polisaccaridi che la compongono possono essere scisse per la sopravvivenza del batterio) Alcuni batteri hanno delle code chiamate flagelli, strutture tubulari fatte di proteine (flagelline) che servono per spostarsi Altri batteri hanno dei pili, piccoli filamenti fatti di proteine (piline) con funzione di adesione, servono per unirsi tra di loro o per aderire alle superfici. Le cellule procariotiche hanno anche un citoscheletro che consiste in una serie di filamenti proteici, che servono a sorreggere la cellula dall'interno e giocano un ruolo nella divisione cellulare. Sono cellule semplici che si riproducono facilmente e resistono in condizioni ambientali estreme (questi procarioti sono gli estremofili). La cellula eucariote Dimensioni: 10 – 100 µm La cellula eucariote è il prodotto di quella procariotica. Biologia applicata 34  Le cellule eucariotiche hanno compartimenti delimitati da membrane (sistemi di endomembrane detti organelli). La compartimentazione ha permesso alle cellule eucariotiche di specializzarsi e formare tessuti e organi negli organismi pluricellulari. Ribosomi → presenti anche nelle cellule procariotiche, sono molecole costituite da due subunità, in cui si vanno ad assemblare le proteine grazie al processo di traduzione. Non sono dei veri e propri organuli in quanto sono ammassi di proteine e RNA ribosomiale (rRNA) e non sono delimitati da membrana. Negli eucarioti sono presenti sia nel citoplasma, che nei mitocondri o cloroplasti, ma anche attaccati al reticolo endoplasmatico (chiamato per questo rugoso) Nei procarioti sono liberi nel citoplasma. Nucleo → organello più grande della cellula eucariotica, è delimitato da una doppia membrana nucleare, una costituita da un doppio strato fosfolipidico e una più esterna. All'interno del nucleo abbiamo il DNA che però non è isolato, in quanto la membrana nucleare ha tanti pori dai quali può entrare e uscire materiale. Qua il DNA si replica (sede della replicazione del DNA) e inizia la prima fase che porta alla formazione delle proteine (trascrizione). Abbiamo anche una regione chiamata nucleolo, dove si vanno ad assemblare i ribosomi, che poi vengono fatti uscire dal nucleo. Il nucleolo non è delimitato da nessun tipo di membrana. Nel nucleo abbiamo il DNA che è formato da due filamenti molto lunghi, associati a delle proteine (istoniche e non istoniche). Gli istoni (proteine basiche) permettono la formazione di avvolgimenti regolari dei filamenti e il compattamento del materiale cromosomico, insieme formano la cromatina. Al momento della divisione cellulare la cromatina si condensa talmente tanto da formare i cromosomi (visibili al microscopio ottico). La cromatina si attacca a sua volta a una rete proteica (la lamina nucleare) che dà sostegno al nucleo. Questa lamina ha dei pori, fori delimitati da proteine, quest’ultime sono importanti in quanto interagendo con le molecole decidono quali possono entrare e quali no. Biologia applicata 35  Reticolo endoplasmatico → È subito fuori dal nucleo, in quanto è costituito dalla membrana del nucleo che si estroflette formando delle pieghe presenta vescicole, cisterne, tubuli in comunicazione fra di loro e con l’ambiente esterno. È un reticolo di transizione dal quale si formano le vescicole che verranno poi trasportate all’apparato di Golgi. È una struttura molto estesa, e si divide in due: Reticolo endoplasmatico liscio (SER o REL) è definito liscio in quanto non ha i ribosomi attaccati. Ha diverse funzioni per esempio: 1. Modifica chimicamente sostanze potenzialmente tossiche (farmaci e pesticidi) 2. Degrada molecole di glicogeno nelle cellule animali 3. Permette la sintesi di lipidi come gli steroidi. Reticolo endoplasmatico rugoso (RER) è formato da una serie di sacche e tubuli e si definisce rugoso in quanto è ricoperto dai ribosomi. 1. I ribosomi producono le proteine, che entrano nel reticolo endoplasmatico rugoso, qua subiscono una serie di modifiche a seguito delle quali vengono in parte inglobate in vescicole che le trasportano in altre regioni. Apparato di Golgi → formato da una serie di sacculi appiattiti (cisterne) e piccole vescicole membranose. Questo apparato riceve le vescicole con le proteine e lipidi provenienti dal RER Queste proteine vengono smistate in diversi organuli (membrana plasmatica, lisosomi, endosomi, secrezione). Il Golgi è importante anche per le cellule vegetali in quanto i polisaccaridi che formano la loro parete cellulare si formano lì. La regione che riceve le vescicole è chiamata "cis" ed è convessa rivolta verso il RE, a questo punto le proteine passano in una parte intermedia fino a raggiungere una regione definita "trans" meno convessa dove vengono racchiuse in altre vescicole per essere espulse. La clatrina è una proteina citoplasmatica di rivestimento responsabile della formazione delle vescicole Lisosomi → una parte delle vescicole che escono dall'apparato di Golgi prendono il nome di lisosomi, piccole vescicole che contengono delle proteine particolari ossia gli enzimi digestivi che idrolizzano macromolecole in monomeri. Quando le molecole di cibo, attraverso la fagocitosi, entrano nella cellula, si forma una vescicola detta fagosoma, che si unisce con il lisosoma primario a formarne uno secondario. Gli enzimi nel lisosoma secondario idrolizzano le molecole di cibo e i prodotti attraversano la membrana del lisosoma. Biologia applicata 36  A quel punto le molecole utili si disperdono nel citoplasma mentre quelle di scarto vengono rilasciate nuovamente all'esterno (esocitosi). I lisosomi possono digerire anche altri organuli: possono attaccare degli organuli vecchi (autofagia), ciò è un comportamento programmato che si ha solo in alcuni casi. Se questo meccanismo non funziona si va incontro a delle sindromi per cui i lisosomi non funzionano come devono. Patologie come la malattia di Tay-Sachs prevedono un accumulo nelle cellule cerebrali di un lipide (ganglioside) che non viene correttamente digerito dai lisosomi, questo accumulo nella forma infantile porta a una serie di deficit (il neonato diventa cieco, sordo, incapace di ingoiare) fino alla morte entro il 4 anno di vita. Se si presenta successivamente non si arriva alla morte ma a gravi problemi debilitativi. Mitocondri → Nei mitocondri, l’energia delle molecole di cibo è trasformata in ATP (ottenuta mediante il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa), infatti le cellule che richiedono molta energia hanno numerosi mitocondri. I mitocondri hanno due membrane: La membrana esterna è liscia e ha funzione protettiva, delimita la camera mitocondriale esterna. La membrana interna è ripiegata internamente a formare creste mitocondriali. Questo crea una grande superficie per le proteine coinvolte nelle reazioni di respirazione cellulare: la matrice mitocondriale che contiene enzimi, DNA e ribosomi. Nei mitocondri si trova un cromosoma indipendente dal DNA nucleare La teoria endosimbiontica sostiene che i mitocondri si siano generati da una cellula procariote aereobia associata a una cellula anaerobia (quella che sarebbe diventata la cellula eucariote), la teoria è stata sostenuta dalla scoperta di alcune proteine come i citocromi presenti anche sulla membrana plasmatica dei procarioti. Nel caso delle piante si ha una seconda endosimbiosi di batteri capaci di fare la fotosintesi (cloroplasti). Perossisomi → Vescicole molto piccole, con una sola membrana, originato dal reticolo endoplasmatico, diverso dal lisosoma perché non contiene idrolasi acide, bensì perossidasi e catalasi, cioè i suoi enzimi degradanti. La loro funzione è degradare sostanze di scarto del metabolismo della cellula come l’H2O2. Sono molto abbondanti negli organi e cellule destinate alla degradazione di sostanze tossiche come alcol o farmaci (es. epatociti nel fegato, e nelle cellule dei reni). Il citoscheletro Struttura di natura proteica che sostiene e mantiene la forma della cellula. Formato da tre componenti proteiche principali (classificati in base diametro, composizione e funzione): Microfilamenti (d: 7nm) → polimeri costituiti da due filamenti di monomeri di actina, attorcigliati su se stessi. Presentano filamenti con estremità + e -, la crescita per polimerizzazione avviene in maniera veloce dall’estremità positiva e in maniera lenta da quella negativa. Determinano la forma della cellula. Permettono il movimento di una parte di cellula o della cellula stessa (es. cellule sistema immunitario si muovono grazie a questi processi) Nelle cellule muscolari, nei sarcomeri, i filamenti di actina sono agganciati alla “proteina motrice” miosina le interazioni tra le due permettono la contrazione muscolare. 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. Biologia applicata 37  Filamenti intermedi (d: 8-12nm) → forma cilindrica creata da subunità di amminoacidi diversi intrecciati (in base agli amminoacidi si creano 50 tipi diversi). Funzione sostegno e forma della cellula (creano la lamina nucleare che riveste e sostiene la parete nucleare). Muove e mantiene in posizione gli organelli con il citosol. E’ coinvolto nelle correnti citoplasmatiche (la contrazione dei microfilamenti creano queste correnti e velocizzano lo spostamento delle sostanze all’interno del citoplasma) Interagisce con strutture extracellulari per mantenere la posizione della cellula con altre cellule. Microtubuli (d: 26 nm) → lunghi cilindri cavi costituiti da dimeri (due monomeri) della tubulina (a sua volta costituita da dimeri di