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[email protected] FSintesi di Biologia tratta dal Solomon III edizione ( Grilli-Paolini 2008 ) 1° CAPITOLO | UNO SGUARDO SULLA VITA La Biologia è lo studio della vita. l temi alla base della biologia sono l' evoluzione , la trasmissione dell'informazione e il flusso dell'energia negli organismi. Un organismo vivente é in grado di crescere e svilupparsi, gesti re un metabolismo capace di autoregolarsi, muoversi, rispondere agli stimoli e riprodursi. Inoltre le specie si evolvono e si adattano all'ambiente. A Tutti gli esseri viventi sono composti da una o più cellule. B. Gli esseri viventi crescono grazie all'aumento delle dimensioni e del numero delle cellule. C. Per metabolismo si intendono tutte quelle attività chimiche che avvengono in un organismo e che includono tutte le reazioni chimiche essenziali per la nutrizione, la crescita, la riparazione e la conversione dell'energia in forme utilizzabili. L'omeostasi è la tendenza di un organismo a mantenere costante l'ambiente interno. D. II movimento , che non è necessariamente locomozione, è caratteristico degli esseri viventi. Per muoversi da un posto all'altro, alcuni organismi usano delle minuscole estrofles sioni della cellula chiamate ciglia , o più lunghi flagelli . Altri organismi sono sessili e rimangono ancorati ad alcune superfici. E. Gli organismi rispondono agli stimoli , cambiamenti fisici o chimici del loro ambiente esterno ed interno. F. Nella riproduzione asessuata la prole è identica al genitori. Nella riproduzione sessuata invece, la prole è il prodotto dei contributi genetici dei due genitori. C. Le popolazioni si evolvono e si adattano all'ambiente in cui vivono. Adattamento significa possedere dei tratti che aumentano la capacità di un organismo di sopravvivere nel proprio ambiente. Gli organismi trasmettono l'informazione tramite segnali chimico -elettrici e comportamentali. A. Il DNA , che è composto di geni , contiene le istruzioni per lo sviluppo di un organismo e per il controllo dei processi vitali. - L'informazione codificata nel DNA è trasmessa da una generazione all'altra. - Il DNA codifica le proteine , molecole importanti nel determinare la struttura e la funzione delle cellule e dei tessuti. B. Gli ormoni sono messaggeri chimici in grado di trasmettere informazioni da una parte all'altra dell'organismo. C. Molti organismi utilizzano segnali elettrici per trasmettere l'informazione; la maggior parte degli animali ha un siste ma nervoso che trasmette impulsi elettrici e rilascia neurotrasmettitori. L'organizzazione biologica è gerarchica. A. Un organismo complesso è organizzato a livello chimico, cellulare, tissutale, di organo e di sistema. B. L'unità di base dell'organizzazione ecologica è la popolazione , Varie popolazioni formano una comunità . Una comunità e l'ambiente fisico nel quale vive si indica come ecosistema , l'insieme di tutte le comunità e gli ecosistemi presenti sul nostro pianeta formano la Biosfera . Sul nostro pianeta si sono evolute milioni di specie. Una specie è un gruppo di organismi con struttura, funzione e comportamento simili, che in natura si incrociano solo tra di loro. I membri di una specie possiedono in comune un pool di geni e possiedono un antenato comune. A. La classificazione tassonomica è gerarchica ed include la specie, il genere , la famiglia , l'ordine , la classe , il phylum, il regno ed il dominio . Ogni raggruppamento si riferisce a un taxa. B. I biologi utilizzano un sistema di nomenelatura binario, nel quale il nome di ciascun organismo è composto dal no me del genere e da un epiteto specifico. C. I batteri sono cellule procariotiche , tutti gli altri organismi hanno cellule eucariotiche . D. Gli organismi possono essere classificati in tre domini: Archeobatteri , Gubatteri ed Eulcatya e sei regni : Archeobatteri , Eubatteri , Protisti ( protozoi, alghe, muffe ), Funghi ( lieviti e muffe ), Vegetali e Animali . L'evoluzione è il processo attraverso il quale le popolazioni cambiano nel tempo in risposta ai cambiamenti ambientali. A. La selezione naturale , il meccanismo attraverso il quale l'evoluzione procede, favorisce gli organismi dotati di quei caratteri che meglio si adattano ai cambiamenti ambientali. Questi organismi avranno maggiori probabilità di sopravvivere e di riprodursi. B. Charles Darwin basò la sua teoria della selezione naturale sulle osservazioni della variabilità degli individui di una specie. Gli organismi producono più prole di quella che riesce a sopravvivere per riprodursi. Gli individui che sono meglio adattati all'ambiente hanno più probabilità di sopravvivere e di riprodursi. Gli organismi vincenti trasmettono i loro geni alla prole e i loro caratteri saranno più frequenti nella popo lazione. C. La fonte di variabilità in una popolazione è la mutazione casuale . La vita dipende da un continuo apporto di energia dal sole. Le attività delle cellule viventi richiedono energia . A. Le piante, le alghe e certi batteri utilizzano l'energia solare per sintetizzare molecole complesse partendo da anidride carbonica ed acqua; questo processo è chiamato fotosintesi . B. Durante la respirazione cellulare , le cellule utilizzano l'energia immagazzinata negli alimenti. Parte di questa energia è utilizzata per sintetizzare il materiale necessario o per svolgere altre attività. C. Un ecosistema che si automantiene include i produttori , o autotrofi , che generano il loro stesso cibo, i consumatori che mangiano i produttori o gli organismi che hanno mangiato i produttori, e i decompositori che ottengono energia degradando le sostanze di rifiuto e gli organismi morti. Consumatori e decompositori sono eterotrofi , organismi che dipendono dai produttori per l'energia, il cibo e l'ossigeno.

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[email protected] 2° CAPITOLO | ATOMI E MOLECOLE : LA BASE DELLA CHIMICA DELLA VITA La composizione chimica e i processi metabolici di tutti gli es seri viventi sono molto simili tra loro. Le leggi della fisica e della chimica valide per le cose non viventi sono valide anche per i sistemi viventi. Gli organismi sono costituiti sia da composti inorganici semplici e di piccole dimensioni, che da composti organici contenenti carbonio, più complessi e di grandi dimensioni. Un elemento è una sostanza che non può essere scissa in sostanze più semplici per mezzo di reazioni chimiche. Sono quattro ( Carbonio, Idrogeno, Ossigeno ed Azoto ) gli elementi che costituiscono più del 96% della massa di un organismo. Gli atomi sono costituiti da un nucleo contenente protoni (+) e neutroni (±), e da elettroni (-) che si muovono rapidamente negli or bitali disposti su livelli energetici o quantici. nello spazio all'esterno del nucleo. A. Il numero atomico indica quanti protoni sono contenuti in un atomo e si trascrive con un numero posto in basso a sinistra del simbolo dell’elemento ( 1H ) B. Ad ogni numero atomico corrisponde un diverso elemento chimico. C. In un atomo elettricamente neutro il numero dei protoni è uguale a quello degli elettroni. D. Quasi tutto il peso dell'atomo è concentrato nel nucleo. Il numero dei protoni più quello dei neutroni è detto massa o peso atomico relativo , ed indica la quantità di materia contenuta espressa in UMA (Atomica Mass Unit) o Dalton. E. Atomi dello stesso elemento con una diversa massa atomica sono isotopi . F. Le proprietà chimiche di un atomo sono determinate dal numero e dall'organizzazione dei suoi elettroni più energetici ( gli ultimi ), noti come elettroni di valenza . G. Su ognuno dei 3 livelli quantici vi sono 4 orbitali, ad eccezione del primo livello che ne ospita solo 1. Su ogni orbitale vi sono al massimo 2 elettroni. Quindi sul primo livello vi saranno al massimo 2 elettroni. Dal secondo in poi 8 elettroni ( regola dell’ottetto ). Quasi tutti gli atomi presenti in natura si legano fra loro per formare le molecole ( A + A ). I composti sono formati da atomi diversi ( A + B ) tenuti insieme da legami chimici . Tale tendenza deriva dal fatto che tutti gli atomi tendono a raggiungere sull’ultimo livello energetico 8 elettroni. A. Alcuni atomi raggiungono l'ottetto stabile acquistando o cedendo degli elettroni. Ovviamente per un atomo che cede elettroni vi dovrà essere un altro che li acquista. Entrambi perderanno la neutralità e si trasformeranno in ioni ( positivi o negativi ) C. Il legame ionico è formato tra ioni carichi positivamente ( cationi ) e ioni carichi negativamente ( anioni ). I legami ionici sono forti in ambiente non acquoso, ma relativamente deboli in acqua. D. I legami a idrogeno sono legami relativamente deboli che si formano quando un atomo di idrogeno con una carica parziale positiva viene attratto da un elemento con una carica parziale negativa, come l'azoto o l'ossigeno, che si trova in un'altra molecola o in un'altra parte della stessa molecola. B. Nel legame covalente gli atomi tendono a completare l'ultimo livello quantico senza né cedere né acquistare elettroni, ma mettendoli in comune. E’ un legame forte e stabile che comporta la riorganizzazione degli orbitali coinvolti nello scambio, con un processo noto come ibridazione degli orbitali . - I legami covalenti sono apolari o puri quando gli elettroni sono condivisi equamente tra i due atomi. - I legami covalenti sono polari quando uno dei due atomi è più elettronegativo ( attira gli elettroni ). E. Un atomo con l'ultimo livello energetico completo è particolarmente stabile e poco reattivo ( come nei Gas Nobili ). F. Una mole ( la massa atomica o molecolare espressa in grammi ) di qualsiasi sostanza contiene 6,02 x 10 23 unità ( atomi, molecole o ioni ). Questo numero è noto come numero di Avogadro . G. La formula molecolare fornisce il numero effettivo di ciascun tipo di atomo presente in quella molecola. La formula di struttura mostra la disposizione degli atomi ( H – O – H ) * molecola d’acqua. La formula chimica definisce struttura, tipo e numero relativo di atomi che sono presenti in un composto. L'ossidazione e la riduzione sono processi chimici che avvengono contemporaneamente in cui gli elettroni ( e la loro energia ) passano dalla sostanza che si ossida a quella che si riduce. L'acqua costituisce la maggior parte della massa degli organismi, svolge un ruolo importante in molte delle reazioni chimiche che avvengono negli esseri viventi e possiede proprietà peculiari che hanno effetti notevoli sull'ambiente. A. L'acqua, è una molecola polare, poiché un'estremità ha una parziale carica positiva e l'altra una parziale carica negativa. B. Essendo una molecola polare, l'acqua è un ottimo solvente per soluti ( sostanze disciolte attraverso idratazione ) ionici e polari, possiede un’elevata coesività ed una notevole tensione superficiale. C. Ciascuna molecola d’acqua può legarsi a 4 molecole circostanti. Le sostanze che interagiscono con l’acqua sono dette idrofile, quelle che interagiscono con i grassi idrofobe. Gli acidi sono donatori di protoni, mentre le basi sono accettori di protoni. A. La scala di PFI è l'espressione logaritmica della concentrazione di ioni idrogeno in una soluzione. Una soluzione neutra ha un pH di 7. Una soluzione acida ha un pH inferiore a 7 e una soluzione basica superiore a 7. B. Un sistema tampone è costituito da un acido debole oppure da una base debole. I tamponi si oppongono ai cambiamenti di pH di una soluzione qualora vengano aggiunti acidi o basi. C. Un sale è un composto nel quale l'atomo di idrogeno di un acido viene sostituito da un altro catione. I sali forniscono ioni minerali essenziali per le funzioni vitali.

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[email protected] 3° CAPITOLO | LA CHIMICA DELLA VITA : I COMPOSTI ORGANICI Un composto organico è costituito prevalentemente da carbonio. I composti organici più importanti da un punto di vista biologico sono : Carboidrati - Lipidi - Proteine - Acidi nucleici. Le proprietà tipiche degli atomi di carbonio rendono questi composti molto versatili ed in grado di formare le strutture portanti di un gran numero di composti organici indispensabili per la vita. A. Ogni atomo di carbonio ha 4 elettroni di valenza e quindi può formare fino a 4 legami covalenti singoli, o 2 doppi o 1 triplo … B. Il carbonio si lega con il maggior numero di elementi rispetto ad ogni altro atomo. Gli atomi di carbonio possono formare catene lineari, ramificate oppure anelli -------------Gli isomeri sono composti che hanno la stessa formula molecolare ma strutture differenti. A. Gli isomeri strutturali differiscono per la disposizione covalente dei loro atomi. B. Gli isomeri geometrici ( cis-trans ) differiscono per la disposizione spaziale degli atomi. C. Gli enantiomeri sono isomeri speculari I'uno rispetto all’altro. I composti organici sono costituiti generalmente da uno scheletro di carbonio e idrogeno legante qualche altro atomo come

Ossigeno, Azoto, Zolfo. Nelle strutture di questi composti si trovano dei gruppi ricorrenti di atomi e legami che

conferiscono alla molecola proprietà e reattività tipiche. Tali gruppi vengono detti gruppi funzionali . In altre parole, un gruppo funzionale è la porzione più reattiva di una molecola organica, che influisce in modo determinante sul meccanismo delle reazioni a cui essa è suscettibile. I composti vengono suddivisi in classi a seconda del gruppo o dei gruppi che la molecola presenta. Questo tipo di suddivisione prende il nome di

sistematica organica.

A. Gli idrocarburi sono composti organici costituiti solo da carbonio ed idrogeno e sono composti apolari ed idrofobi. Essi possono scambiare uno o più atomi di idrogeno legati allo scheletro carbonioso con i gruppi funzionali. B. Seguono i gruppi funzionali più importanti a livello biologico : Gruppo

Formula

Classe composti derivati

* Ossidrilico elettroni

| R OH

|

Ne derivano gli Alcoli

* Carbonilico

| R C=O

|

Aldeidi e Chetoni

* Carbossilico aminoacidi

| R COOH |

* Aminico nucleici

| R NH2

* Fosfato lipidi

| R PO4H2 |

* Sulfidrilico

| R SH

* Metilico

| R CH3

|

|

Acidi organici

Descrizione

| Gruppo di tipo polare a causa dell’elettronegatività dell’ossigeno che attira | Gruppo di tipo polare. Aldeidi e Chetoni sono presenti negli zuccheri | Gruppo di tipo acido. Questo gruppo è un costituente essenziale degli

Derivano le Amine

| Gruppo di tipo basico. Questo gruppo è presente negli aminoacidi e acidi

Fosfati organici ( ATP ) Ne derivano i Tioli

| Gruppo di tipo acido. Questo gruppo è presente negli acidi nucleici e in alcuni | Gruppo di tipo acido. Questo gruppo è presente negli aminoacidi

| Molti composti organici | Gruppo di tipo apolare. Idrocarburo molto comune

Le Macromolecole sono formate da polimeri, ovvero lunghe catene di composti detti monomeri. * I 20 aminoacidi più comuni, sono monomeri che si legano per formare polimeri noti come proteine. * Il DNA è costituito da 4 tipi di monomeri detti nucleotidi. * I polisaccaridi, le proteine e gli acidi nucleici sono grandi polimeri e sono delle macromolecole. Il processo di sintesi mediante il quale questi monomeri vengono legati covalentemente, si chiama condensazione. Durante il processo viene eliminata una molecola d’acqua, difatti si usa il termine di sintesi per disidratazione. I polimeri possono inoltre essere degradati nei monomeri che li compongono mediante idrolisi. I carboidrati contengono Carbonio (C), Idrogeno (H) ed Ossigeno (O) in un rapporto che è circa 1:2:1 Esempi di carboidrati sono gli zuccheri, gli amidi e la cellulosa. I primi due vengono utilizzati come riserva energetica per le cellule, mentre il terzo è il componente principale delle pareti cellulari. Gli zuccheri possono contenere : uno zucchero ( monosaccaride ), due zuccheri ( disaccaride ) o molti zuccheri ( polisaccaride ). I monosaccaridi, come il Glucosio ( C6H12O6 ), il Fruttosio ( C6H12O6 ) ed il Ribosio ( C5H10O5 ) sono zuccheri semplici. Il glucosio è il monosaccaride più importante nei processi vitali. Durante la respirazione cellulare le cellule rompono i legami della molecola di glucosio, rilasciando l’energia immagazzinata che può essere usata per il lavoro cellulare.

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Due monasaccaridi possono legarsi con un Iegame glicosidico formando un disaccaride, come il maltosio o il saccarosio. La maggior parte dei carboidrati è costituita da polisaccaridi, cioè lunghe catene di unità ripetute di uno zucchero semplice. I carboidrati sono immagazzinati dalle piante sotto forma di amido e dagli animali sotto forma di glicogeno. I Lipidi sono costituiti da carbonio (C), idrogeno (H) ed ossigeno (O), ma rispetto ai carboidrati contengono meno ossigeno. I lipidi hanno consistenza grassa/oleosa e sono relativamente insolubili in acqua ( idrofobi ). Essi tendono ad associarsi in gruppi e barriere non polari definendo sia i confini tra le cellule che la loro compartimentazione. A. I Triacilgliceroli, la principale forma di deposito di grassi nell’organismo, sono costituiti da una molecola di glicerolo legata a 3 acidi grassi, invece i mono-acilgliceroli ed i di-acilgliceroli sono grassi contenenti, 1 e 2 acidi grassi rispettivamente. Gli acidi grassi possono essere saturi o insaturi a seconda se possiedono o meno il numero massimo di atomi di idrogeno (H). A. I Fosfolipidi sono componenti strutturali delle membrane cellulari ---------------B. Le molecole steroidee sono lipidi costituiti da 4 anelli carboniosi condensati. Gli steroidi più importanti sono il colesterolo, cortisolo e sali biliari. ************************************************************************************ Le proteine sono polimeri grandi e complessi costituiti da monomeri di aminoacidi uniti tra loro da legami peptidici ( condensazione / sintesi per disidratazione ). A. Le proteine presentano tra loro svariate differenze per struttura e funzioni. Questa diversità è basata sulle differenti disposizioni in cui si può assemblare un gruppo di amminoacidi B. Le proteine sono il risultato della ricombinazione in se quenza di 20 aminoacidi. Le proteine alimentari non sono utili in quanto tali, ma come fonte di amminoacidi. Infatti l'organismo scinde tramite la digestione le proteine alimentari negli amminoacidi che le costituiscono, per poi ricostruire le proteine necessarie. C. Non tutti i 20 amminoacidi sono necessari, ma solo 9, poiché gli altri possono essere sintetizzati a partire da altre sostanze Gli amminoacidi che l'organismo non è un grado di autoprodurre si chiamano essenziali e sono in tutto 9 : Triptofano, Fenilalanina , Lisina, Treonina, Istidina, Metionina, Leucina, Isoleucina e Valina Due aminoacidi formano un dipeptide, più di due un polipeptide.

Tutti gli aminoacidi contengono un gruppo aminico e uno carbossilico, ma differiscono tra loro nelle catene laterali, le quali determinano le proprietà chimiche dell’aminoacido. Gli aminoacidi generalmente sono presenti nell'organismo come ioni bipolari e funzionano da tamponi biologici ( vedi PH ). La forma delle proteine comprende 4 livelli strutturali : 1. Ogni proteina è costituita da una particolare sequenza di aminoacidi che ne determina la Struttura Primaria. Affinché una proteina svolga la sua funzione specifica, deve avere l’esatto corredo di amminoacidi disposti secondo un ordine preciso ( vedi figura sopra della sequenza aminoacidica ). 2. Nella Struttura Secondaria, alcuni tratti del polipeptide formano delle spirali oppure si ripiegano, dando luogo ad una struttura α-elica o ad una β a foglietto ripiegato. Entrambe queste forme sono dovute alla presenza di legami idrogeno, disposti lungo la catena polipeptidica. 3. La Struttura Terziaria è la forma complessiva delle catene polipeptidiche, determinata dalle proprietà chimiche e dalle interazioni delle catene/gruppi laterali. 4. Molte proteine sono formate da 2 o più catene polipeptidiche. Queste proteine mostrano quindi una Struttura Quaternaria. **************...