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LA CHIMICA DEI VIVENTI Le principali proprietà che caratterizzano un essere vivente sono:  Complessità: i viventi sono esseri complessi e altamente integrati. Tra gli esseri viventi più semplici (unicellulari = una sola cellula), il batterio è un esempio della forma di vita più semplice e piccola. Nell'uomo sono stati fino ad ora definiti circa 200 tipi diversi di cellule. Queste piccole componenti si trovano organizzate in tessuti che, a loro volta, si organizzano in organi. Questi ultimi costituiscono i sistemi e gli apparati che s’integrano a formare l’organismo.  Informazione genetica: la struttura e le attività dell’intero organismo, dalla nascita alla morte, sono scritte nei cosiddetti geni. La sede delle informazioni relative a qualsiasi componente strutturale e funzionale dell'organismo è un acido nucleico (DNA o RNA). Il DNA è custodito nel nucleo della cellula eucariotica, in strutture dette cromosomi, di cui si approfondirà successivamente. Non tutti gli organismi viventi, però, seguono questa regola: i batteri ad esempio contengono il loro cromosoma disperso nel citoplasma, o ancora alcuni virus conservano le informazioni genetiche in molecole di RNA.  Metabolismo: significa trasformazione. Ciascun organismo è capace di trasformare le molecole organiche come proteine, zuccheri e grassi in energia, ma anche trasformare la stessa energia da una forma ad un'altra. Scopo ultimo del metabolismo è ricavare l'energia dell'ambiente esterno per rinnovare, accrescere o riparare le strutture interne dell’organismo.  Riproduzione: per garantire la perpetuazione della specie ciascun vivente è in grado di riprodursi, cioè di generare altri organismi simili a sé stesso. Un organismo unicellulare è in grado di duplicare il proprio materiale genetico per dividersi in due cellule figlie identiche alla cellula madre. Negli organismi pluricellulari questo processo è molto più complesso e richiede strutture e apparati specializzati alla riproduzione.  Sviluppo: la crescita è un aspetto caratteristico degli organismi viventi. Lo sviluppo comporta trasformazioni della struttura e della fisiologia dell'organismo.  Evoluzione: tutte le variazioni al materiale genetico (mutazioni) di un organismo che vengono trasmesse dall'organismo genitore a quello figlio, vengono da quest'ultimo ereditate. Questo processo risulta essere complesso e continuo e può a lungo andare comportare la creazione di un nuovo carattere. L’accumulo di tali variazioni può condurre alla formazione di organismi con caratteristiche strutturali molto diverse. Si riassumono di seguito i livelli di organizzazione del mondo dei viventi: ATOMO → MOLECOLA → CELLULA → TESSUTO → ORGANO → SISTEMA/APPARATO DI ORGANI → ORGANISMO → POPOLAZIONE → COMUNITA' → ECOSISTEMA → BIOSFERA

I bioelementi – Le molecole organiche presenti negli organismi viventi e rispettive funzioni

Gli elementi chimici stimati in natura sono 92, ma solamente venti di essi circa entrano nella composizione della materia vivente (molecole organiche). Fra questi, quattro sono i più importanti: ossigeno (O), carbonio (C), idrogeno (H) e azoto (N). Le molecole organiche sono in genere polimeri (cioè catene di uno stesso mattoncino detto monomero) con elevato peso molecolare e si suddividono in metaboliti primari e secondari. I metaboliti primari sono essenziali alla vita racchiudono i carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici. I metaboliti secondari, al contrario, NON sono essenziali per la vita, ma sono deputati a meccanismi biochimici della cellula o dell'organismo. I metaboliti primari si dividono in quattro categorie principali:  Lipidi: queste molecole, perlopiù contenenti acidi grassi, sono sostanze oleose, insolubili in H2O e quindi idrofobi; sono, inoltre, molecole di riserva energetica e possono avere funzione strutturale o di “messaggeri” chimici.  Carboidrati: o zuccheri, sono gli elementi più abbondanti in natura e anche loro rappresentano le molecole di riserva energetica per molti organismi. Sono composti ternari costituiti da carbonio (C), ossigeno (O), idrogeno (H).  Proteine: sono costituite da aminoacidi. Nelle cellule hanno una funzione strutturale, ma anche di catalizzatori di reazioni chimiche (enzimi) e sono importanti per il movimento.  Acidi nucleici: il DNA e l'RNA sono costituiti da catene di nucleotidi, e rappresentano le molecole deputate alla trasmissione del patrimonio genetico.

Parliamo adesso dei Carboidrati

I carboidrati, chimicamente, sono poliidrossialdeidi (zuccheri aldosi) o poliidrossichetoni (zuccheri chetosi). Costituiscono circa il 60-90% del peso secco dei vegetali, mentre solo l'1% dei tessuti animali. Tutti i monosaccaridi sono costituiti da almeno tre atomi di carbonio: uno di questi è il carbonio carbonilico (C=O), mentre gli altri risultano legati all’ossidrile (-OH). Negli aldosi l’atomo di carbonio più ossidato è il C1 e il gruppo carbonilico si trova perciò all’estremità della catena carboniosa; nei chetosi invece l’atomo di carobnio più ossidato è solitamente il C2 per cui il gruppo carbossilico si trova in posizione 2. I monosaccaridi più piccoli sono i triosi, zuccheri a tre atomi di carbonio. I capostipiti delle due famiglie di monosaccaridi e sono rappresentati dalla gliceraldeide (aldoso) e dal diidrossiacetone (chetoso). I carboidrati comprendono gli zuccheri monomerici e i rispettivi polimeri e possono essere classificati in quattro gruppi:  Monosaccaridi: sono costituiti da una sola unità polidrossilica aldeidica o chetonica; hanno un ruolo energetico  Disaccaridi: derivano dall’unione covalente di due monosaccaridi. Ad esempio il saccarosio è composto da glucosio+fruttosio. Il lattosio è dato da glucosio+galattosio, e così via. Possono essere separati mediante idrolisi. Ruolo energetico e veicolazione.  Oligosaccaridi: fino a 10 unità monosaccaridiche condensate. Esempio: amido (riserva), cellulosa (struttura). Parliamo adesso dei Polisaccaridi Vengono classificati in polisaccaridi di riserva e strutturali.

 Polisaccaridi di riserva 

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Amido: forma polimerica costituita da monomeri di α-glucosio. Nel composto, granuloso, si possono distinguere due forme separabili, amilosio a catena lineare o amilopectina a catena ramificata. Glicogeno: è il polisaccaride di deposito in animali e batteri; ha la stessa struttura dell’amido, ma le sue ramificazioni sono molto più presenti e le catene laterali possiedono meno residui di glicogeno. Inulina: oligosaccaride di riserva (vacuoli) tipico delle Asteraceae (Compositae).

 Polisaccaridi strutturali 

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Cellulosa: polimero costituito da monomeri di β-glucosio. I legami fra monomeri di β glucosio conferiscono alla cellulosa una conformazione rigida. La cellulosa costituisce fibre resistenti ed elastiche che la cellula vegetale sovrappone alla sua parete. Chitina: polimero di N-acetilglucosamina, differisce dalla cellulosa soprattutto per il contenuto in Azoto (N); irrobustisce le pareti cellulari dei funghi superiori, e costituisce la cuticola resistente degli artropodi.

Lipidi Si distinguono lipidi semplici e lipidi coniugati ed hanno un ruolo energetico, strutturale, isolamento termico e comunicazione cellulare. Inoltre i lipidi possono essere anche acidi grassi, cioè sono le unità costitutive dei lipidi. Si possono classificare in:  Acidi grassi che come abbiamo detto sono le unità costitutive dei lipidi. Sono differenti per la lunghezza della catena di idrocarburi e per il numero o la posizione di eventuali doppi legami. Si distinguono in:  Acidi grassi saturi che sono privi di doppi legami nella catena (C-C)  Acidi grassi insaturi che hanno in presenza almeno un doppio legame (C=C)  Lipidi di riserva che sono lipidi neutri e non polari. Quando presentano catene lunghe e sature si presentano come solidi, mentre a catena lunga e insatura si presentano come oli a temperatura ambiente.

 Lipidi strutturali (i fosfolipidi) sono i principali costituenti delle membrane biologiche. Sono composti da due molecole di acido grasso legate a L-glicerolo .

Proteine

Le proteine sono molecole polimeriche costituite da tante unità amminoacidiche tenute assieme da legami peptidici. Questo legame tra due aminoacidi si forma dalla condensazione tra il gruppo amminico di un amminoacido e quello carbossilico dell’altro. Inoltre in condizione fisiologiche, ogni proteina assume solo una forma stabile detta conformazione nativa che risulta essere quella favorita dal punto di vista energetico. Sulla base delle caratteristiche fisiche e funzionali possiamo dividere le proteine in due grandi categorie:  Proteine fibrose: insolubili in acqua, resistenti fisicamente.  Proteine gobulari: solubili in acqua, hanno una forma pressoché sferica per via dei ripiegamenti.

Possiamo inoltre dire che le singole molecole proteiche possono essere descritte su quattro livelli strutturali:

 Struttura primaria: Rappresenta la struttura monodimensionale della proteina, mentre quella tridimensionale è descritta dai successivi livelli di organizzazione.  Struttura secondaria: Descrive la disposizione dei residui aminoacidi nello spazio in funzione della rotazione degli aminoacidi attorno al carbonio . Le strutture secondarie più comuni sono l’-elica e il -foglietto.  Struttura terziaria: Deriva dalla combinazione delle strutture secondarie e inoltre la struttura terziaria delle proteine è ottenuta mediante un processo definito folding. Cioè in questo meccanismo intervengono delle proteine, tra cui le chaperonine che aiutano le proteine a raggiungere la loro forma tridimensionale corretta.  Struttura quaternaria: È data dalla presenza di due o più catene polipeptidiche che si associano tramite interazioni non covalenti o legami trasversali covalenti.

Nucleotidi Gli acidi nucleici sono strutture polimeriche in cui l’unità di base è rappresentata dal nucleotide. Ogni nucleotide è costituito da tre elementi:  Una base azotata  Un monosaccaride  Un gruppo fosfato. Le basi azotate appartengono a due famiglie di composti eterociclici, ovvero le pirimidime e le purine. Per quanto riguarda le basi dei pirimidinici sono: la citosina, la timina e l’uracile. Mentre sono basi puriniche l’adenina e la guanina. Per quanto riguarda il monosaccaride presente negli acidi desossiribonucleici è il desossiribosio, mentre negli acidi ribonucleici è il ribosio. La molecola costituita dalla base azotata e dallo zucchero è definita nucleoside, mentre se questo reagisce con una molecola di acido fosforico dà origine al nucleotide. Acidi nucleici

I nucleotidi possono essere legati fra loro a formare dei polimeri detti acidi nucleici. L’alternarsi fra zucchero e fosfato forma lo scheletro covalente degli acidi nucleici. Il nucleotide viene sempre aggiunto all’estremità 3’, seguendo la polarità dell’acido nucleico in direzione 5’ 3’.

LA CELLULA

lLe cellule sono lunità degli organismi. Esse sono minuscole.

Ne deduciamo, così, che gli animali più grossi non hanno cellule più grandi ma solo un numero più grande di cellule.  Studi di Hooke (1665):È il primo ad osservare la cellula, e il termine "cellula" (piccola cella) fu da lui coniato.  (1674): Prima osservazione di una cellula viva.  Scheliden e Schwann (1838-1839): Identificarono nella cellula l'unità presente in tutti gli esseri viventi, piante o animali.

LA CELLULA PROCARIOTA       

Dimensione: 0.25/4 nm Sono UNICELLULARE NON HANNO: Nucleo, Organuli, Citoscheletro NON sono compartimentalizzate SONO: Eubatteri e archeobbateri (Regno delle Monere) HANNO una riproduzione asessuata, ossia sciccione binaria o gemmazione (20 minuti) HANNO il DNA circolare.

I componenti di una cellula procariota:  PARETE CELLULARE: formata da  Peptidoglicano è un polimero ammidozuccheri che sono uniti covalentemente.

A seconda della costituzione della parte che viene evidenziata con la colorazione di Gram, possiamo avere:  Batteri Gran+ che sono muniti di parete cellulari molto spessa e ricca di peptidoglicano (90%)  Batteri Gran – che hanno la parete cellulare più sottili e contenente solo il 15/20% di peptidoglicano. In alcuni casi della cellula procariota vi è un ulteriore stratoviscido di muco polisaccaridico detto capside (conferisce protezione, impedisce la disidratazione e permette l’adesione ad altre cellule). MEMBRANA CELLULARE: Ha un doppio strato fosfolipidico. Se lo strato interno si ripiega si forma il mesosoma che è importante perché all’interno troviamo enzimi respiratori e fotostintetici.

CITOPLASMA: Composta da:  Citosol (H20, Ioni, Piccole Molecole)  Particelle insolubili  Ribosomi 70S Qui ho la sintesi dell’RNA, ossia la sintesi delle proteine nei ribosomi.

NUCLEOTIDE: Contiene DNA

FRANGELLI E PILI:  Frangelli servono per il movimento rotatorio  Pili si occupano dello scambio di materiale genetico.

DIFFERENZA TRA CELLULE PROCARIOTE IN ARCHEBATTERI E EUBATTERI Gli archebatteri:  NON HANNO PEPTIDOGLICANO  HANNO LA MEMBRANA FOSFOLIPIDICA MA È COMPOSTA DA CATENE ISOPRENICHE  HANNO RNA E PROTEINE  HANNO INTRONI.

DIFFERENZA TRA CELLULE PROCARIOTE E EUCARIOTE Gli eucarioti:  SONO PIÙ GRANDI  HANNO UN NUCLEO  SONO COMPARTIMENTALIZZATI E HANNO ORGANULI  HANNO IL CITOSCHELETRO

 NON HANNO MESOSOMI, PILI, PLASMIDI, CAPSULA  NON HANNO FRAGELLI DI FRAGELLINA  QUELLI ANIMALI NON HANNO LA PARETE CELLULARE.

LA CELLULA EUCARIOTA  Dimensioni: 10-100 nm  Possono essere: Unicellulari (protisti); Pluricellulari (animali/piante)

NUCLEO È di dimensione di 5 nm, ha una doppia membrana (separata dallo spazio perinucleare). Le due membrane sono attraversate da pori nucleari (complesso 8 proteine globulari dove passano gli RNA). La selezione di passaggio è data dall’importina. Il materiale genetico è nel nucleolo. Abbiamo DNA+ Istoni. Possiamo conoscere 5 tipi di proteine istoniche:  H1 CHE MANTIENE UNITI ISTONI  H2A,H2B,H3,H4 CHE SONO ASSOCIATE AL DNA

Abbiamo anche la cromatina che prima della divisione cellulare si aggrega formando i cromosomi. Inoltre la cromatina è circondata dal nucleoplasma che è una soluzione di acqua e sostanze disciolte, dove all’interno vi è una rete proteica, detta matrice nucleare, che si occupa di organizzare la cromatina. In periferia la cromatina è attaccata ad una rete di proteine, detta lamina nucleare che permette il mantenimento della forma tondeggiante del nucleo e fa sostegno per i telomeri durante la meiosi.

RIBOSOMI  Dimensione di 20 nm  Sono PRIVI di membrana  Le possiamo trovare sia negli eucarioti che nei procarioti I ribosomi sono importanti perché sono i siti di sintesi delle proteine provenienti dal m-RNA. Nelle cellule procariote possiamo trovare solo galleggianti nel nucleo, mentre nelle cellule

eucariote le possiamo trovare nel citoplasma e sono attaccati al reticolo endoplasmatico rugoso (RER), sono attaccati sulla membrana nucleare, nei mitocondri o nei cloroplasti. Nelle cellule eucariotiche la maggior parte del volume cellulare è occupata da un SISTEMA ENDOMEMBRANOSO che comprende due componenti principali: il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi.

IL RETICOLO ENDOPLASMATICO

Lo possiamo trovare:  RETICOLO ENDOPLASMATICO RUGOSO (RER): Sono presenti i ribosomi e si occupa della sintesi delle proteine, dopo di che si ri-modifica a livello dell’apparato di Golgi.  RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO (REL): Non sono presenti i ribosomi, ma è in connessione con il RER. Inoltre si occupa anche di detossificazione, funge da deposito e rilascio di ioni di calcio.

L’APPARATO DI GOLGI

È formato da cisterne (sacchetti) ed è in comunicazione col RER. La zona diretta verso il RER si chiama cis-golgi, mentre la parte rivolta verso la membrana è detta trans-golgi. Le funzioni principali di questo sistema sono quelle di modificare le proteine che derivano dal RER. Dopo la modifica, si occupa anche dello smistamento delle proteine e dei lipidi.

I LISOSOMI

Hanno dimensione di 0.1 nm e hanno una singola membrana. Si staccano dall’apparato di Golgi per poi formarsi a partire da vescicole idrolasi. Hanno una funzione a pH acido, questo perché se il pH non è acido, gli enzimi demolirebbero tutti i contenuti cellulari. Un tipo di lisosoma è il proteasoma, che demolisce le proteine.

I MITOCONDRI

Hanno una dimensione di 0.5-3 nm e hanno una doppia membrana. I mitocondri sono formati, come abbiamo detto, da due membrane che sono separate da uno spazio intermembrana:  MEMBRANA ESTERNA: È più permeabile, liscia e con poca resistenza al passaggio di sostanze e inoltre ha funzione protettiva.

 MEMBRANA INTERNA: È meno permeabile, non è liscia e infatti si ripiega formando delle creste. Infatti presenta il 70% di proteine deputati al controllo di ciò che entra ed esce. Hanno un DNA circolare a doppia elica.

I PEROSSISOMI

Hanno una singola membrana e sono di tipo microsomi. Sono ricchi di enzimi per la sciccione degli acidi grassi con produzione di ATP. Altri enzimi che possiamo trovare sono le ossalasi che fanno trasferire idrogeno all’acqua formando acqua ossigenata H2O2.

CITOSCHELETRO

All’interno del citoplasma troviamo delle fibre che prendono nome di citoscheletro. Queste fibre hanno la funzione di sostenere, permettere il movimento e l’interazione con lo spazio extracellulare.

3 tipi di fibre:  Filamenti di actina o microfilamenti: Sono singoli filamenti di circa 7 nm e aiutano a stabilizzare la forma della cellula. Questi sono monomeri di G-ACTINA che con il consumo di ATP creano filamenti lunghi di F-ACTINA. Si trovano anche nell’intestino.  Filamenti intermedi: Sono filamenti di circa 8-12 nm, sono composti da numerose proteine fibrose disposte in fasci robusti a forma di fune. Sono importanti per la forma e l’adesione tra cellule.  Microtubuli: Sono strutture cilidriche cavi di circa 25 nm, sono formati da tubulina, nel dettaglio da 13 filamenti di -tubulina e -tubulina. La tubulina ha un’estremità + e una -. Sono anche importnante per lo spostamento dei cromosomi successivo all’accorciamento. I microtubuli sono anche importante perché collegati a proteine motrici permettono il movimento di cigli e fragelli  sono più lunghi e si trovano o soli o in coppia.  L’unica differenza tra le due strutture è che le ciglia sono più corte e numerose.

La loro struttura interna è fatta così:  Membrana plasmatica  Insieme di “ 9+2” microtubuli: 9 microtubuli formano un cilindro attorno ad una coppia centrale, mentre i +2 formano l’assonema.  Alla base vi è un corpo basale dove poggiano le 9 coppie e ha la stessa struttura del centriolo.

MATRICE EXTRACELLULARE (ECM) È un rivestimento esterno alla membrana plasmatica.

Questa matrice è costituita da:  Proteine fibrose  Proteoglicani Inoltre tutte queste proteine sono secrete da cellule dentro o vicino la matrice.

GIUDIZIO CELLULARI

Possono essere:  Giudizioni occludenti o strette: Sigillano membrane e non permettono passaggi;  Adesive o di ancoraggio: Permettono adesione tra cellule;  Comunicanti o serrate: Permettono il passaggio di piccole molecole o ioni.

DIFFERENZE TRA CELLULE EUCARIOTE ANIMALI E VEGETALI  Le cellulari vegetali HANNO parete cellulare mentre le animali NO;  Le cellullari vegetali HANNO un vacuolo centrale mentre quelle animali hanno vacuoli con diversa funzione;  Le cellule vegetali HANNO plasmodesmi e desmotubuli, le animali NO;  Le cellule vegetali HANNO plastidi, le animali NO;  Le cellule vegetali NON HANNO lisosomi.

PARETE CELLULARE

È una parete semirigida delle cellule vegetali ed è composta da cellulosa e proteine. È importante perché:  Fornisce supporto e sostegno alla pianta  Da forma alla pianta  Barriera nei confronti di organismi patogeni.

Nella parete cellulare possiamo trovare:  I plasmodesmi che permettono la connessione di citoplasma di cellule ...