Appunti di Biologia: organismi viventi, metabolismo e trascrizione del DNA

Organismi Viventi e Funzioni

1 - Gli organismi viventi e le loro funzioni Un organismo vivente si distingue perché presenta delle specifiche proprietà, tra le quali:

• La capacità di riprodursi e, quindi, di dare origine a nuove cellule;
• La capacità di reagire a qualsiasi stimolo, come ad esempio stimoli chimici, fisici o stimoli che provengono dallo stesso ambiente intracellulare;
• La capacità di metabolizzare, ovvero di riuscire a compiere tutte quelle reazioni chimiche che avvengono all'interno della cellula e che le permettono di svolgere le proprie funzioni;

Metabolismo Cellulare

Il metabolismo si suddivide in:

• Anabolismo -+ insieme di reazioni di sintesi che portano alla produzione di nuovi composti, partendo da composti più semplici e arrivando a composti più complessi. Questa sintesi richiede energia;
• Catabolismo -> insieme di reazioni di degradazione di composti complessi in composti più semplici liberando energia (esempio = dall'idrolisi di zuccheri buona parte delle cellule ricava energia sotto forma di ATP, che utilizzerà per svolgere le sue funzioni o per produrre altri composti).

L'insieme delle reazioni di anabolismo e catabolismo rappresenta il metabolismo cellulare.

• La capacità di crescere e differenziarsi attraverso il differenziamento cellulare, cioè la specializzazione che acquisiscono le cellule durante il corso della loro vita (relativamente al corpo umano troveremo circa 210 citotipi differenti, ovvero cellule, sia uni che pluricellulari, che svolgono tutte funzioni differenti). Tutti quanti infatti, partiamo da una cellula chiamata zigote, inizialmente indifferenziata, che si viene a formare durante il processo di fecondazione, cioè dalla messa in compartecipazione del nucleo del gamete maschile (spermatozoo) con il nucleo del gamete femminile (cellula uovo), che poi inizierà a duplicarsi durante lo sviluppo embrionale acquisendo specifiche caratteristiche, processo che continuerà anche dopo che l'organismo nasce e si accresce. Partendo da una cellula zigote con un suo patrimonio genetico, si formeranno migliaia di cellule, ognuna con un differenziamento diverso a seconda dei geni che attiveranno.
• La capacità di cambiare e perpetuare i cambiamenti, come avviene per il crossing-over e la segregazione durante il processo di meiosi, in cui si formeranno tutti gameti diversi (geneticamente e fenotipicamente) per ricombinazione genetica.

Elementi nei Viventi

1.1 - Elementi presenti nei viventi In un organismo vivente nulla contraddice le leggi della fisica e della chimica, la chimica della vita si basa quasi totalmente sui composti del carbonio, gli elementi maggiormente presenti nel nostro corpo sono 4: ossigeno (65%), carbonio (18%), idrogeno (10%) e azoto (3%) a cui seguono anche altri elementi presenti solo in piccole tracce (nonostante questo, sono fondamentali per la cellula in quanto vanno a costituire i 1coenzimi, ovvero composti necessari al funzionamento degli enzimi. Gli enzimi sono delle proteine che servono alla cellula per permetterle di svolgere le proprie funzioni metaboliche in modo più accelerato, in quanto agiscono per velocizzare le reazioni chimiche). L'acqua rappresenta la quasi totalità nell'organismo, seguita da altre macromolecole altrettanto fondamentali. Per "peso secco" si intende il peso delle macromolecole in assenza di acqua. Le proteine sono quelle maggiormente presenti in quanto svolgono buona parte delle reazioni e perché svolgono svariate funzioni differenziate che rendono identificabile una cellula piuttosto che un'altra, come ad esempio nel globulo rosso buona parte delle proteine che troviamo nell'ambiente citoplasmatico è l'emoglobina (costituita da due catene alfa-globiniche e due beta-globiniche) che ha la funzione di trasportare ossigeno, funzione svolta dal gruppo eme (un coenzima). Per quanto riguarda le dimensioni cellulari, la cellula più grande che troviamo nel nostro organismo è la cellula uovo che raggiunge qualche centinaio di micron, mentre il diametro medio di una cellula è di 50-60 La membrana plasmatica delimita l'ambiente intracellulare da quello extracellulare, si trova sia nelle cellule eucariotiche che in quelle batteriche, così come anche il genoma, cioè l'insieme del materiale genetico all'interno della cellula, che è costituito dai 46 cromosomi (o 23 coppie) e, ogni specie vivente, ha un proprio genoma diverso per numero di cromosomi. Il genoma contiene tutte le informazioni necessarie alla cellula contenute nella sequenza del DNA, che vengono trasferite ad un'altra molecola (RNA) attraverso il processo di trascrizione e successivamente tramite un altro processo chiamato traduzione, vengono tradotte in proteine grazie ai ribosomi. Le proteine formate svolgeranno poi svariate funzioni (enzimatiche, di trasporto, ormonali .. ). La sequenza è quindi: DNA > RNA> PROTEINE. Tutte le informazioni genetiche servono a quello che viene chiamato fenotipo cellulare, ovvero l'insieme delle caratteristiche visibili dell'organismo vivente (esempio = colore dei capelli, degli occhi, altezza, ma anche forma della cellula o del nucleo). L'interazione tra genotipo e fenotipo è anche mediata dall'ambiente extracellulare e ambiente esterno.

Macromolecole Organiche

1.2 - Macromolecole organiche Le quattro classi di macromolecole organiche più importanti sono:

• I lipidi, cioè i grassi, trigliceridi, fosfolipidi, steroidi (esempio = il colesterolo) da cui vengono costruiti gli ormoni steroidi (esempio = il testosterone, gli estrogeni ecc ... );
• I carboidrati che sono zuccheri (esempio = l'amido, il glicogeno), i quali hanno funzione energetica e strutturale;
• Le proteine, costituite da amminoacidi;
• Gli acidi nucleici (esempio = DNA e RNA).

Lipidi

1.2.1 - I lipidi I lipidi costituiscono un gruppo eterogeneo di composti definiti dal fatto che sono solubili nei solventi apolari e relativamente insolubili in acqua. Sono costituiti essenzialmente da carbonio e idrogeno, con pochi gruppi funzionali contenenti ossigeno. Essendo poveri di ossigeno, tendono a essere idrofobici. Essi si suddividono in:

• Grassi semplici, come i trigliceridi che hanno funzione energetica (esempio = olio). I trigliceridi si formano dall'unione del glicerolo, che possiede dei gruppi ossidrili (gruppi OH), e un acido grasso, che possiede un gruppo funzionale acido (COOH). Quindi il gruppo ossidrilico (o alcolico) si unisce con il gruppo acido formando un legame estere. Vediamo:

1. Quando un acido grasso si lega ad un gruppo OH di glicerolo si forma un monogliceride;
2. Quando 2 acidi grassi si legano a 2 gruppi OH di glicerolo si hanno i digliceridi;
3. Quando tutti e 3 i gruppi OH del glicerolo si legano a 3 acidi grassi si formano invece i trigliceridi;

• Grassi complessi, come i fosfolipidi, che rientrano nella composizione della membrana plasmatica. Classi importanti di lipidi complessi sono: - I fosfolipidi -> sono formati due gruppi alcolici di glicerolo legati a due acidi grassi Fosfato (catene idrocarburiche apolari) e uno di 0H3 HJC-N'-CH2-CH2-0-P-O-CH2 O HHHHHH CH2 questi è legato ad un gruppo fosfato 0 (polare, perché ha una carica elettrica) Colina che, a sua volta, è legato ad un amminoalcol. Ricordiamo che le sostanze polari si sciolgono bene; mentre, i Testa polare Scheletro Catene di acidi grassi del glicerolo composti apolari, sono idrofobi. Il fosfolipide ha una parte polare detta "testa polare" e le "code idrofobe"; inoltre, tutte le molecole che hanno questa natura sono dette anfipatiche. Infine, la catena di acido grasso ha un ripiegamento in corrispondenza del doppio legame; HHHHHHHHH HC-0-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-H HHHHHHHHH HHHHHHHH 0 HHHHHHHHHHH H H H H H H H_C-O-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-H HHHHHHHHHHH HHHHHH - Il colesterolo -> è importante perché, intanto, ha delle funzioni energetiche, fa parte delle membrane plasmatiche. Poi è importante perché si trova alla base della sintesi degli ormoni steroidei (testosterone, estrogeni, progestinici), i quali sono degli ormoni particolari in quanto sono di natura lipidica; mentre, tutti gli altri ormoni sono formati da proteine, come l'insulina.

Carboidrati

1.2.2 - I carboidrati Gli zuccheri, gli amidi e la cellulosa sono carboidrati. Gli zuccheri e gli amidi fungono da riserva di energia per le cellule; la cellulosa è il componente principale delle pareti delle cellule vegetali. I carboidrati si distinguono tra loro a seconda del numero di atomi di carbonio che possiedono. Ad esempio:

1. Zuccheri a 3 atomi di carbonio prendono il nome di triosi;
2. Zuccheri a 4 atomi di carbonio sono chiamati tetrosi;
3. Zuccheri a 5 atomi di carbonio prendono il nome di pentosi, come il ribosio presente nell'RNA o il desossiribosio presente nel DNA;
4. Zuccheri a 6 atomi di carbonio sono chiamati esosi, tra cui troviamo il glucosio utilizzato nella glicolisi e nel ciclo di Krebs per produrre energia e il fruttosio, presente nei frutti, il galattosio e il mannosio.

I carboidrati si dividono poi in:

• Monosaccaridi -> sono costituiti da un'unica molecola (esempio = glucosio, eritrosio, treosio ... ) e contengono, generalmente, da tre a sette atomi di carbonio. A ciascun atomo di carbonio è legato un gruppo ossidrilico, tranne a uno, il quale a sua volta è legato a un atomo di ossigeno per formare un gruppo carbonilico: - Se il gruppo carbonilico è in posizione terminale, il monosaccharide è un'aldeide; - Se il gruppo carbonilico si trova in un'altra posizione della catena, il monosaccharide è un chetone;
• Disaccaridi -> sono costituiti da due anelli monosaccaridici legati l'uno all'altro mediante un legame glicosidico, il quale si forma tra il carbonio 1 di una molecola e il carbonio 4 dell'altra molecola (esempi = saccarosio formato da glucosio e fruttosio uniti tramite un legame a-glicosidico, il lattosio formato da glucosio e galattosio);
• Polisaccaridi -> sono i più abbondanti in natura e sono costituiti da più unità ripetute di uno zucchero semplice. Di solito una singola molecola è costituita da migliaia di unità. Vediamo

1. Il glicogeno -> è costituito da una struttura ramificata formata da tante unità di glucosio. Esso è utilizzato dalle cellule epatiche come composto di riserva energetica;
2. L'amido -> si trova nelle cellule vegetali ed è costituito da unità di glucosio tenute insieme da legami glicosidici. Ha struttura elicoidale e anch'esso ha funzione di riserva energetica nelle piante;
3. La cellulosa -> è costituita da unità di glucosio unite da legami ß-glicosidici. Essa ha funzione strutturale in quanto costituisce la parete delle cellule vegetali, può essere digerita solo dagli erbivori poiché sono gli unici che possiedono un enzima che taglia il legame, formando uniche unità di glucosio.

Proteine

1.2.3 - Le proteine Esse hanno numerose funzioni all'interno delle nostre cellule:

• Strutturare il collagene e le cheratine: - Il collagene lo troviamo nei tessuti (come ad esempio nel tessuto connettivo) ed è più abbondante nel nostro corpo. Lo possiamo trovare nelle creme che applichiamo sul viso, le quali riempiono quei "solchi" formati dalle rughe che verranno, momentaneamente, sostituiti dalla molecola; La cheratina la troviamo, invece, nei capelli e unghie;
• Enzimatica (cioè di catalisi) -> come le polimerasi, che sono delle proteine che intervengono nella duplicazione del DNA;
• Trasporto -> basti pensare all'emoglobina, alla mioglobina (che si trova nei muscoli e trova la sua funzione nella contrazione);
• Deposito;
• Movimento delle cellule e dei tessuti -> come ad esempio l'actina e la miosina, che troviamo nei muscoli;
• Difesa -> come gli anticorpi, che sono delle proteine utilizzate dal sistema immunitario;
• Generazione e trasmissione di impulsi nervosi nelle cellule nervose;
• Regolazione -> come l'insulina, che è un ormone la cui funzione è quella di regolare il livello di glucosio nel sangue, prodotta dal pancreas. Cosa fa questa insulina? Essa va a legare, principalmente 4