La chimica dei viventi, Appunti di Biologia

Scarica La chimica dei viventi e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! Argomento 1 , BIOLOGIA, LA CHIMICA DEI VIVENTI La chimica degli organismi viventi è in poche parole la chimica dei composti organici, cioè dei composti che contengono il carbonio. Il carbonio è adatto in modo specifico a questo ruolo per la sua capacità di formare 4 legami covalenti con altri atomi,. Compresi altri atomi di carbonio, dando origine a catene laterali e catene ramificate, anche molto lunghe. I BIOELEMENTI, sono elementi importanti che sono stati individuati nelle molecole organiche presenti negli organismi. Dal punto di vista molecolare gli organismi sono costituiti dall’ 80% di acqua e il 20 % di proteine, acidi nucleici, zuccheri, lipidi LE INTERAZIONI DEBOLI: -legami di natura elettrostatica, legami di tipo intermolecolare cioè legami che si vanno ad instaurare tra atomi di molecole differenti. Sono interazioni importantissimi per il funzionamento delle molecole biologiche. Se presenti in quantità sono legami stabili - Legame idrogeno : tipo di legame che si instaura tra un H legato ad un atomo molto elettronegativo (F, O, N) -FORZA 1%-10% RISPETTO AL LEGAME COVALENTE I legami a idrogeno sono importanti tra gli acidi nucleici, infatti si formano due legami idrogeno tra la timina e l’adenina, e tre legami idrogeno tra la citosina e la guanina. Sono importanti anche per la struttura terziaria delle proteine PROPRIETÀ DELL’ACQUA - L’acqua è una molecola polare, è il principale solvente polare degli organismi viventi. Gli esseri viventi sono costituiti per il 96% da 6 elementi: - Carbonio - Idrogeno - Ossigeno - Azoto - Zolfo - Fosforo Per ricordare CHONPS Oltre questi sei elementi abbiamo anche la presenza di altri elementi in quantità minori ma con comunque un ruolo importante: - Calcio, fondamentale per la contrazione muscolare , all’interno della cellula è un secondo messaggero , sotto forma di fosfato è il maggior costituente della matrice ossea - Magnesio, anche questo è presente nel tessuto osseo sotto forma di fosfato ed è anche il cofattore di alcuni enzimi - Potassio e Sodio, hanno un ruolo importante nella trasmissione dell’impulso nervoso - Ferro , importantissimo è lo ione che si trova sia nell’emoglobina sia in alcuni citocromi che sono i costituenti della respirazione cellulare - Fluoro, presente nelle ossa e nei denti - Iodio, importante perché entra nelle vie di sintesi degli ormoni della tiroide - Cobalto , costituente di una vitamina importantissima ovvero la VITAMINA B12 - Cloro, sottoforma di Cl- è il principale anione dei liquidi extracellulari , è fondamentale per la formazione di acido cloridrico all’interno dello stomaco , che è responsabile del suo pH - Manganese, zinco, rame ecc.. - Grazie alla presenza dei legami idrogeno l’acqua presenta un elevato punto di ebollizione - Ha anche un elevato calore di evaporazione - Calore specifico, è la quantità di calore necessaria per alzare di un grado la temperatura di un grammo di sostanza , l'acqua ha un calore specifico elevato, ciò vuol dire che ci vuole una quantità elevata di calore per alzare la temperatura dell’acqua, tradotto vuol dire che l’acqua ha una maggiore capacità di mantenere la propria temperatura costante - la Coesione è una forza di attrazione che si instaura tra le molecole di acqua, le molecole si attraggono tra di loro , una conseguenza della coesione è la tensione superficiale - Adesione, l'acqua è in grado di attrarre a se sia molecole molari che molecole cariche - La combinazione di Coesione e Adesione è poi responsabile della CAPILLARITÀ . Capacità dell'acqua di risalire all’interno di tubi molto sottili contro la forza di gravità - Aumenta il volume quando passa da liquido a solido I GLICIDI, carboidrati , costituiscono una delle 4 classi delle macromolecole esistenti I costituenti principali dei glicidi sono il carbonio l’idrogeno e l’ossigeno Sono molecole i cui atomi di carbonio si legano ad atomi di idrogeno e gruppi ossidrile ( H - C - OH ) I glicidi sono anche chiamati zuccheri o glucidi e possono essere classificati in base a diversi criteri 1. classificazione - Monomeri, polimerizzano tra di loro tramite reazioni di condensazione (carboidrati semplici) ( i più importanti sono i pentosi ed esosi) : monomeri che formano i polimeri più grandi - Disaccaridi (carboidrati semplici) - Oligosaccaridi (carboidrati complessi) - Polisaccaridi (carboidrati complessi), servono soprattutto da riserve energetiche e materiali da costruzione MACROMOLECOLE ESOSI ( glucosio , fruttosio, mannosio galattosio) PENTOSI ( ribosio e desossiribosio) Legame peptidico Come si legano tra di loro gli amminoacidi? Tramite il legame peptidico, avviene tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico dell’altro amminoacido. È un legame singolo anche se la sua forza è più forte. Abbiamo la perdita di una molecola di H20 (reazione di condensazione) Al di la del legame singolo, c’è un’interazione importante tra l’ossigeno e l’idrogeno rimasto nel gruppo amminico,è un legame idrogeno a tutti gli effetti, e questo rende più forte il legame peptidico. La proteina è quindi una sequenza di amminoacidi nella catena polipeptidica , questa è chiamata struttura primaria Struttura secondaria Ripetizione di ripiegamenti caratteristici che interessano regioni diverse della proteina. Legame idrogeno tra l’ossigeno del gruppo C=O e l’idrogeno del gruppo N-H Struttura terziaria Ripiegamento complessivo della proteina su se stessa causata dalle interazioni dei gruppi R (legami covalenti, Forze di London, ripiegamenti dovuti a caratteristiche idrofile/idrofobiche) Struttura quaternaria Struttura formata dal legame e dall’interazione tra le diverse sub-unità della proteina struttura alfa elica struttura beta foglietto Al di là delle diverse strutture della proteina noi dobbiamo immaginare questo ripiegamento della proteina come qualcosa di dinamico IL FONDING PROTEICO (ripiegamento) avviene per vari meccanismi dovuti alle catene laterali degli amminoacidi: - Forze idrofobiche - Legami idrogeno e altre interazioni polari - Ponti salini tra aminoacidi carichi positivamente e e negativamente - Ponti disolfuro tra cisteine Possiamo poi dire che laa specificità di una proteina dipende da: -Forma (chiave /serratura) - Proprietà chimiche (gruppi funzionali sulla superficie) La struttura di una proteina è fondamentale, la sua funzione deriva dalla sua struttura, questo rende importante anche il funzionamento che avviene solo in determinate condizioni. Se cambia la temperatura. L’acidità , la salinità , le cose a questo punto possono cambiare, perché ci troveremmo in presenza di valori che sballano le interazioni all’interno della proteina, questo spesso comporta un cambiamento della struttura della proteina, e a sua volta una perdita completa della sua funzione. Questo processo prende il nome di denaturazione. All’interno del nostro corpo la denaturazione delle proteine è qualcosa da evitare. La denaturazione delle proteine molto spesso è irreversibile, avviene poi non si può più tornare indietro. LIPIDI Sono molecole insolubili in acqua a causa dei legami covalenti apolari. I lipidi sono particolarmente importanti perché costituenti principali della membrana plasmatica I lipidi, in particolare i trigliceridi hanno un’importante ruolo di stoccaggio dell’energia all’interno del nostro corpo. Il tessuto adiposo è formato da cellule con all’interno una buona quantità di trigliceridi. I lipidi sono anche vitamine essenziali, e in certi casi ormoni. I lipidi sono principalmente costituiti da carbonio e idrogeno, questi componenti danno loro la caratteristica apolare. Il carbonio e l’idrogeno sono legati in catene molto lunghe o comunque strutture molto abbondanti, ci sono anche altri gruppi funzionali ma non presenti tanto quanto gli atomi di carbonio e idrogeno. Il legame stesso carbonio idrogeno è davvero poco polare. Spesso i lipidi hanno una struttura simmetrica tra di loro, anche questo ci porta a sottolineare l’apolarità della molecola. Trigliceridi : Sono i lipidi più semplici, costituiti da tre molecole di acidi grassi e una molecola di glicerolo. All’interno del nostro corpo hanno un ruolo molto importante perché noi all’interno del nostro corpo riusciamo a depositare quantità di energia sotto forma di grasso. Esistono altre miscele di trigliceridi che noi conosciamo abbastanza bene , basta pensare all’olio Struttura trigliceride: Glicerolo + 3 molecole di acido grasso Il glicerolo non è altro che una molecola con tro gruppi OH. I tre acidi grassi si legano ad ogni gruppo OH del glicerolo. Cos’è un acido grasso, è un acido carbossilico COOH a cui si lega una lunga catena di carboni e idrogeni, in larga parte tra i carboni ci sono legami singoli, ma poi eventualmente possono esserci dei legami doppi. Si lega quindi il gruppo carbossilico dell’acido grasso al gruppo ossidrilico del glicerolo tramite un legame estere, e quindi così si ottiene una molecola di trigliceride. Le catene carboniose degli acidi grassi possono essere più o meno lunghe e quindi più o meno pesante. I trigliceridi con catene carboniose particolarmente lunghe e quindi pesanti tenderanno ad essere solidi anche a temperature più alte. Gli acidi grassi possono essere composti da legami semplici tra gli atomi di carbonio , in questo caso vengono chiamati acidi grassi saturi, sono quindi lineari Oppure possono contenere uno o più doppi legami prendendo il nome rispettivamente di acidi grassi monoinsaturi e polinsaturi , il doppio legame impedisce uno stretto impacchettamento, le ctaene non risultano lineari ma ripiegate. Le membrane biologiche sono fatte da fosfolipidi Nei fosfolipidi troviamo due catene di acidi grassi legate al glicerolo, al posto della terza catena si sostituisce un composto contenente un gruppo fosfato Sono caratterizzati da una testa idrofila ( piace acqua) e code idrofobiche (non piace acqua) In un ambiente acquoso quindi si forma un doppio strato fosfolipidico Conosciamo poi gli sfingolipidi che sono importanti per il cervello in quanto compongono alcune membrane del cervello Lipidi diversi dai trigliceridi : - Carotenoidi : gruppo di pigmenti - Steroidi : ormoni, segnali, costituenti di membrana - Vitamine : piccole molecole che il corpo umano non sintetizza - Cere : un acido grasso legato ad un alcol. Formano catene molto lunghe ACIDI NUCLEICI Gli acidi nucleici sono un gruppo importantissimo di molecole ,sono polimeri che custodiscono, trasmettono e utilizzano l’informazione genetica in particolare analizziamo il DNA l’RNA base azotata. Il legame tra lo zucchero e il gruppo fosfato è un legame fosfodieterico, mentre il legame tra lo zucchero e la base azotata è un legame beta-N-glicosidico I due filamenti di DNA sono filamenti complementari. La struttura proposta da Watson e Crick è chiamata struttura B del DNA ed p considerata la forma più stabile in condizioni fisiologiche. Esistono altre due varianti: la forma A è favorita in soluzioni povere d’acqua , il DNA è avvolto in senso destrorso l’elica invece è un po' più larga; e la forma Z che presenta un avvolgimento sinistrorso e l’elica è un po' più allungata e più sottile. IL CODICE GENETICO Il codice genetico è il linguaggio molecolare utilizzato dal DNA per sintetizzare tutti i tipi di proteine indispensabili alla vita di un organismo. Tale codice si basa su un preciso ordine di successione delle quattro basi azotate, che insieme allo zucchero come già osservato formano i nucleotidi. Quando si parla di codice genetico non si parla di materiale genetico, ma di un insieme di regole universali che specificano al ribosoma come passare dalla sequenza nucleotidica dell’RNA messaggero alla proteina ovvero alla sequenza di amminoacidi, dunque vi è una vera e propria traduzione, si passa dal linguaggio dei nucleotidi a quello degli amminoacidi della proteina. Il codice genetico è un insieme di 64 codoni differenti, ogni codone è formato da tre basi azotate , prende anche il nome di tripletta. Di questi 64 codoni, 61 sono codificanti e 3 sono di stop. 61 codoni sono correlati a uno dei 20 amminoacidi mentre 3 codoni servono a dare ai ribosomi un segnale di stop durante la sintesi proteica. Codoni di stop: UAA, UAG, UGA Il codone che segna l’inizio della traduzione è il codone AUG , che specifica per lun amminoacido; negli eucarioti : la metioniona nei procarioti : la formil-metionina Il codice genetico è DEGENERATO o RIDONDANTE ed UNIVERSALE. I codoni vengono letti dal ribosoma sull’mRNA. Il ribosoma accoppia ad ogni tripletta un amminoacido. Uno stesso amminoacido può essere codificato da più codoni, ecco perché il codice genetico è degenerato o ridondante. Le parole degenerato e ridondante si riferiscono al fatto che diversi codoni possono codificare per lo stesso amminoacido DUPLICAZIONE DEL DNA Ogni cellula del nostro corpo contiene in se la stessa quantità di DNA, e ad ogni divisone cellulare il DNA deve duplicarsi per poi dividersi tra le due cellule, in modo tale che le due cellule abbiano la stessa quantità di DNA Quando avviene la duplicazione? Analizzando il ciclo cellulare della cellula, individuiamo diverse fasi appartenenti al ciclo: Fase M, fase G1, fase S e fase G2. La fase G1 è sostanzialmente la vita della cellula, nella fase S avviene la duplicazione del DNA, nella fase G2 vengono duplicati e sintetizzati tutti gli organelli che verrano poi dividi nella fase M, ovvero nella fase mitotica. Durante la fase G1 , ovvero durante la vita della cellula arriverà un momento in cui la cellula deciderà di dividersi, e per prepararsi a questo dovrà andare incontro ad una replicazione del DNA,cioè dovrà fare una copia del suo DNA. Per fare questo la cellula entra nella fase S, ovvero la fase di sintesi del DNA. Il DNA è una molecola costituita da due filamenti intrecciati tra di loro in una doppia elica . Ogni filamento è costituito da una sequenza di 4 basi azotate . Ogni filamento ha due estremità denominate 5’ e 3’ , e tra di loro hanno direzioni opposte. Il primo passo perché avvenga la duplicazione del DNA è la divisione dei due filamenti , questa separazione avviene ad opera di un enzima chiamato elicasi, l’elicasi separa i due filamenti di DNA creando una forca di replicazione. Ognuno dei due filamenti ormai separati funzionerà da stampo per la sintesi di un nuovo filamento complementare. A questo punto vi è la necessità di un enzima che va a dare inizio al nuovo filamento di DNA, la primasi crea un piccolo frammento di RNA(chiamato primer) indispensabile per attivare la DNA polimerasi che andrà poi a formare il vero e proprio filamento di DNA. La DNA polimerasi spuò aggiungere basi azotrati solo in una direzione, la direzione 5’-3’. Il filamento in direzione 5’-3’ è infatti costruito in modo continuo e viene chiamato filamento leader. L’altro filamento chiamato filamento lento non può essere costruito allo stesso modo a causa della sua direzione inversa. La DNA polimerasi può costruire il filamento 3’-5’, grazie ad alcuni frammenti chiamati frammenti di Okazaki, In questo caso la primasi sintetizza tanti primer che danno alla DNA polimerasi la possibilità di sintetizzare questi numerosi frammenti di filamento. Una volta che tutto il filamento è stato sintetizzato l'enzima esonucleasi rimuove tutti i primer da entrambi i filamenti di DNA , e un altro tipo di DNA polimerasi riempie i vuoti lasciati dai primer rimossi. In fine gli enzima DNA ligasi scorrono lungo i filamenti per formare una doppia elica continua, La replicazione del DNA è un processo semi conservativa LA TRASCRIZIONE Il DNA contiene le informazione per il funzionamento cellulare organizzate in geni, cioè specifiche sequenze di nucleotidi. In un gene è contenuta informatizzazione che serve a sintetizzare un polipeptide. Uno o più polipeptidi formano le proteine. Il tramite tra gene e polipeptide è l’RNA , molecola a singolo filamento ottenuta tramite la trascrizione . Trascrizione negli eucarioti L’RNA sintetizzato attraverso la trascrizione subisce delle modifiche e diventa il messaggero dell’informazione genetica. L’mRNA esce dal nucleo e partecipa al processo di traduzione che si conclude con la formazione di un polipeptide. Dividiamo il processo di trascrizione in tre fasi: 1- Inizio 2- Allungamento 3- Terminazione La trascrizione può iniziare solo in corrispondenza dei promotori . Ciascun promotore è composto da diverse sequenze , una di esse è la TATA box ricca di Adenina e Timina. Ricordiamo che tra Adenina e Timina ci sono due legami a idrogeno e non tre come tra G-C, questo fa si che sia più facile aprire la doppia elica. È proprio dalla TATA box che ha inizio la trascrizione grazie all’intervento dei fattori dei trascrizione. Queste proteine regolatrici legandosi alla TATAbox cambiano forma e inducono dei cambiamenti conformazioni nel DNA. A questo punto si aggiungono altri fattori di trascrizione e l’RNA polimerasi l’enzima che catalizza la sintesi dell’RNA. Si forma così il complesso di inizio della trascrizione. Uno dei fattori del complesso apre la doppia elica del DNA nel punto di inizio, si forma così un complesso aperto. L’RNA polimerasi comincia a unire i nucleotidi formando un filamento di RNA. Viene aggiunto un nucleotide alla volta usando il DNA come stampo. Il criterio di scelta delle basi è quello dell’appaiamento delle basi azotate., Una purina si appaia sempre con una pirimidina. Le basi si legano tra loro in corrispondenza dei rispettivi zuccheri e così i nucleotidi via via aggiunti, il carbonio in posizione 3’ si lega al carbonio in posizione 5’ del nucleotide successivo e si liberano acqua e pirofosfato. Durante la afse di