Viventi Flashcards
Organizzazione gerarchica
La vita è organizzata gerarchicamente a partire dagli atomi (unità base della materia, sia inorganica che organica) fino alla biosfera (porzione di crosta terreste, acque e atmosfera abitata da forme viventi). L’unione di due o più atomi dà vita alla molecola. Le molecole, a loro volta, costituiscono le cellule. La cellula è l’unità strutturale e funzionale tipica di ogni organismo vivente. Cellule con struttura e funzione comuni, formano il tessuto. L’insieme di tessuti organizzati per lo svolgimento di funzioni specifiche è detto organo. Un sistema di organi è dato da organi che lavorano insieme per svolgere funzioni complesse. Procedendo in questo modo, abbiamo l’organismo (individuo singolo). L’insieme di organismi della stessa specie che vivono insieme in una determinata area è detto popolazione. Popolazioni che interagiscono in una determinata area costituiscono una comunità. L’ecosistema comprende la comunità dei viventi e l’ambiente fisico. Dall’ecosistema poi, si passa alla biosfera.
Teoria riduzionista
Tutto può essere scomposto in elementi più semplici. Ha i suoi limiti in quanto è necessaria una relazione tra struttura e funzione (es: elemento preso singolarmente non ha una funzione, la acquista nell’insieme)
Classificazione dei viventi
Dominio > Regno > Phylum > Classe > Ordine > Generi > Specie
Processo evolutivo
L’origine della vita si fa risalire a circa 4,5 miliardi di anni fa a partire da organismi molto semplici sia come struttura che metabolismo; la loro complessità è andata aumentando nell’arco di alcuni miliardi di anni subendo la naturale selezione evolutiva fino a raggiungere le attuali forme di vita le quali mostrano sia complessità che specializzazione notevoli. Nel corso dell’evoluzione, alla maggior complessità strutturale andava associandosi di pari passo una maggior complessità fisiologica.
Biodiversità
Varietà e il differenziamento degli organismi viventi. L’elevata diversità dei viventi è dovuta principalmente alle differenze genetiche e alla presenza di ambienti molto diversi tra loro. Nel complesso deriva dagli effetti della selezione naturale (non esiste un unico adattamento perfetto)
Tips: piante: evoluzione e biodiversità
Si ipotizza che le piante si siano a mano a mano organizzate e diversificate a partire dalle alghe marine fino alle attuali piante terrestri. Ad oggi, sono note più di 400000 specie vegetali ed un numero imprecisato di specie estinte. Ciò comporta 400000 adattamenti possibili.
Selezione naturale
Influisce notevolmente sul processo evolutivo. Quando un organismo si riproduce, la sua progenie mostra una certa variabilità di caratteri. Gli individui che hanno una minore capacità di adattamento cresceranno stentatamente e produrranno pochi discendenti (se riusciranno a vivere abbastanza a lungo da riprodursi); al contrario, la progenie con ottime capacità adattative, si riprodurrà abbondantemente e passerà i caratteri positivi ai suoi discendenti.
Tips: evoluzione fotosintesi
Ha fatto la sua prima comparsa circa 2,8 miliardi di anni fa in un cianobatterio; in seguito, la struttura cellulare è diventata più efficiente grazie alla comparsa di organuli subcellulari.
Ipotesi L.U.C.A.
Tutti gli organismi hanno un antenato comune, chiamato appunto L.U.C.A. (acronimo di Last Universal Common Ancestor)
Filogenesi
Ramificazione delle linee di discendenza nell’evoluzione della vita (albero filogenetico)
Tips: dinosauri e Homo sapiens
- i dinosauri vivevano nel Giurassico e si sono estinti a causa di un asteroide caduto nel Golfo del Messico, a Cixulub, 66 milioni di anni fa
- l’Homo sapiens è apparso sulla terra 200000 anni fa
Ecosistema
Organismi interagiscono tra loro e con l’ambiente attraverso un rapporto produttore-consumatore. Questa relazione è regolata da trasformazioni di energia: i produttori (le piante) assorbono energia dall’ambiente (en. solare) e la trasformano in sostanza organica che verrà poi sfruttata dai consumatori (animali).
Ipotesi Gaia
Tutto è interelazionato, tutto fa parte di un grande organismo, tutto influisce
Tips: antropocene
L’impatto dell’uomo ha influito a tal punto da iniziare una nuova era chiamata antropocene.
Elementi
In natura esistono più di 90 elementi, solo 25 sono indispensabili per la vita, solo 4 (C, O, H, N) costituiscono il 97.5% della biomassa degli organismi
Tips: elementi essenziali per le piante
Oltre C, H, O; N (concimazione), Mg (fondamentale nel processo fotosintetico)
Atomi
Unità base della materia (sia organica che in organica). Costituiti da un nucleo e una nube elettronica. Nel nucleo abbiamo neutroni e protoni la cui somma fornisce la massa atomica. Una variazione in numero di protoni, dà come risultato delle forme isotopiche (variazione di peso, ma non delle proprietà chimiche). La nube elettronica è diffusa su livelli energetici.
Decadimento radioattivo
Gli isotopi sono molto spesso instabili e tendono a trasformarsi in un altro elemento con rilascio di radiazioni.
Tips: radioisotopi e biologia
I radioisotopi sono utili in biolgia. Es: con il C14 è possibile datare i fossili: quando un organismo muore non incorpora più C14 e inizia il decadimento con la trasformazione di C14 in N, conoscendo il tempo di dimezzamento si possono datare i fossili
Elettroni e livelli energetici
L’atomo presenta livelli energetici in cui è diffusa la nube elettronica. Gli elettroni posseggono energia potenziale in funzione del livello energetico in cui si trovano. Gli elettroni, se eccitati (viene fornita energia), possono passare da un livello a quello superiore; può accadere anche il contrario (con rilascio di energia).
Tips: eccitamento clorofilla A
Quando l’elettrone cambia livello (acquisendo energia dai fotoni) innesca il processo di fotosintesi.
Elettroni di valenza
Sono gli elettroni sull’orbitale più esterno. Gli atomi tendono a raggiungere l’ottetto nell’orbitale più esterno (configurazione più stabile).
Legami chimici
- Legame covalente: interazione tra atomi con elettronegatività simile: atomi condividono elettroni di valenza allo scopo di completare l’ottetto (possono essere polari o apolari)
- Legame ionico: interazione tra atomi con differente elettronegatività: l’atomo più elettronegativo strappa gli elettroni di valenza a quello meno elettronegativo
- Legami deboli: ponti idrogeno, interazione tra molecole fra atomo di idrogeno e un elemento molto elettronegativo (come O, N, F); interazioni idrofobiche tra molecole polari e apolari; forze di van der Waals
Valori legami chimici: distanza ed energia
- L. covalente: 0.1 nm; 50-110 kcal/mol
- L. ionico: 0.28 nm; 5-10 kcal/mol
- L. a idrogeno: 0.28 - 0.31 nm; 3-7 kcal/mol
- Interazioni idrofobiche: 1-2 kcal/mol
- Forze di van der Waals: 0.24 - 0.4 nm; 1 kcal/mol
All’aumentare della distanza diminuisce il quantitativo di energia necessaria a creare/distruggere legame.
Acqua
E’ alla base della vita; infatti le prime forme di vita si sono sviluppate in ambiente acquoso. Gli organismi viventi sono composti al 70% di acqua. L’acqua ha caratteristiche chimico-fisiche peculiari.
3 stati dell’acqua
L’acqua - sulla Terra - si può trovare in 3 stati molecolari differenti: st. solido, st. liquido, st. gassoso. Fornendo o perdendo calore si hanno i passaggi di stato. La forma liquida è molto importante; è quella sfruttata dagli organismi viventi.
Quella della Terra è una condizione particolare, infatti su Venere l’acqua è presente solo sotto forma di gas, mentre su Marte o gas o ghiaccio (a seconda che sia il lato esposto al Sole o non)
Punto triplo dell’acqua
Condizione in cui coesistono i 3 stati di aggregazione. In natura, a basse temperature e a bassa pressione (es: alta quota)
Forze di coesione e adesione (acqua)
Nel caso dell’acqua, per esempio, con il termine “coesione” si indica la capacità delle molecole d’acqua di aggregarsi in gocce (grazie ai legami idrogeno), mentre l’adesione indica la capacità delle gocce d’acqua di rimanere “attaccate” alla superficie verticale di un contenitore. La capillarità è un fenomeno dovuto all’effetto combinato di forze di adesione e coesione grazie al quale l’acqua può risalire le pareti di uno stretto recipiente, violando il principio dei vasi comunicanti. Grazie alla capillarità l’acqua può raggiungere la cima anche degli alberi più alti. Con l’adesione le molecole dell’acqua stabiliscono un contatto con le molecole della parete del recipiente, grazie al legame idrogeno queste molecole riescono ad “arrampicarsi” lungo le pareti, mentre la forte coesione consente alla massa d’acqua di rimanere unita salendo.
Tensione superficiale (acqua)
Una molecola d’acqua tende sempre a restare legata alle sue simili (forza di coesione). Le molecole che sono sulla superficie dell’acqua interagiscono solo con quelle di lato e di sotto. Queste hanno meno vicine da tirare quindi possono tirare più forte le poche che hanno a disposizione costruendo uno strato di molecole in superficie che si tengono per mano saldamente. Questo velo di molecole “abbracciate” quasi, permette il galleggiamento di oggetti che sulla carta dovrebbero affondare perché più densi dell’acqua.
E’ necessario che essi abbiano una forma particolare che permetta a questo strato di molecole di liquido di reggere il loro peso.
Calore specifico dell’acqua
L’acqua ha un elevato calore specifico (ciò dipende dai legami idorgeno). Rispetto ad altre sostanza, occorre molta energia per innalzare di 1°C la temperatura di 1g di sostanza (questa quantità di energia necessaria è detta caloria). Quindi l’acqua può assorbire molto calore senza scaldarsi eccessivamente; una conseguenza di questo fenomeno è che l’acqua - rispetto ad altre sostanze - si scalda/raffredda più lentamente. Ciò fa dell’acqua un ottimo liquido refrigerante e termoregolatore, capace di ammortizzare gli sbalzi termici. Un effetto importante sugli esseri viventi: raffreddamento per evaporazione che aiuta a mantenere equilibrio termico (es: uomo elimina calore in eccesso attraverso la sudorazione che altro non è che l’evaporazione dell’acqua)
Volume e densità dell’acqua
Altro comportamento anomalo dell’acqua è l’aumento del volume di congelamento. Nell’acqua liquida agiscono due forze opposte, i legami a idrogeno da una parte tendono ad organizzare il reticolo di tetraedri mentre il movimento caotico delle molecole ne impedisce la perfetta formazione. Quando l’acqua congela i tetraedri sono obbligati a formarsi e la struttura complessiva assume la configurazione più aperta e meno densa. Questo è il motivo per cui, stranamente, il ghiaccio galleggia. Quindi la densità del ghiaccio è minore della densità dell’acqua (1000kg/m^3) poiché allo stato solido le molecole sono più distanti rispetto allo stato liquido.
Acqua come solvente
L’acqua è un solvente semi-universale sia per composti organici che per composti inorganici. Questa caratteristica è fondamentale per gli organismi viventi in quanto le reazioni metaboliche avvengono in soluzioni acquose. In soluzione si dissocia spontaneamente in H+ e OH-
Composti idrofili e idrofobi
- idrofili: NaCl, cotone, proteine
- idrofobi: oli, cere
Concentrazione molare e pH
Molarità = numero di moli / 1L di soluzione (es: H20)
pH = - Log [H+] misura acidità soluzioni
da 0 a 14 (s. acida = 0 [H+] > [OH-] ; s. basica = 14 [H+] < [OH-]; s. neutra = 7 [H+] = [OH-])
- pH citoplasma = 7
- pH vacuoli = 5.5
- pH lisosomi < 5
Tips: piogge acide
Fenomeno dovuto ad abbassamento pH delle precipitazioni causato dall’aumento di sostanze tossiche nell’atmosfera in gran parte emesse dalle attività umane. Queste sostanze sono SO2, SO3, NO, NO2, CO2. La conseguenza del fenomeno delle piogge acide e la morte e il danneggiamento degli organismi.
Mole e Numero di Avogadro
Il Numero di Avogadro = 6,02 x 10^23 esprime il numero di atomi in 1 mole di sostanza. Come si arriva a questo numero? Se dividiamo il peso atomico di un qualsiasi elemento per il peso dell’elemento stesso - dato da peso atomico x peso di un protone (= 1,7 x 10^-24) - si ottiene una costante che è proprio il Numero di Avogadro.
Macro-molecole
Sono composti del carbonio che derivano principalmente da organismi fotoautotrofi; questi organismi producono le macro-molecole per sè ma queste vengono utilizzate anche dagli eterotrofi come fonte di nutrimento.
Le macromolecole sono formate tutte da monomeri che legandosi tra loro, attraverso una reazione di deidratazione (costruttiva: anabolica), danno vita a polimeri. Attraverso una reazione di idrolisi (opposta alla deidratazione - distruttiva: catabolica) si ottengono dai polimeri i monomeri.
Peculiarità del carbonio
- ha 4 elettroni di valenza e tende a stabilizzarsi tramite legami covalenti
- varietà degli scheletri carboniosi: lineari (più o meno lunghi), ramificati, ad anello
- forma isomeri (in biologia sono importanti gli enantiomeri - es: aminoacidi)
- forma gruppi funzionali legandosi a O, N, H, S, P
Gruppo ossidrile
-OH
gruppo alcolico
forma legami idrogeno
solubile in acqua
Metile
-CH3
bassa reattività
liposolubilità
Gruppo carbossilico
-COOH
alta reattività
in acqua si comporta come un acido
Gruppo amminico
-NH2
altamente reattivo
in acqua si comporta come una base
Aldeide (gruppo carbonile)
-CHO
moderatamente reattivo
solubile in acqua
Chetone (gruppi carbonile)
-COR
moderatamente reattivo
Gruppo fosfato
-OPO(OH)2
altamente reattivo
Sulfidrile
-SH
può stabilizzare la struttura delle proteine facendo un ponte disolfuro -S-S-
Lipidi: generalità
I lipidi sono un gruppo eterogeneo di molecole idrofobe. L’unità base di queste molecole sono gli acidi grassi. Gli acidi grassi sono catene carboniose con un gruppo carbossilico -COOH. A seconda che le catene carboniose presentino legami covalenti semplici o doppi, gli a. g. si dividono in saturi e insaturi (a temperatura ambiente gli a. g. saturi sono solidi, gli a. g. insaturi liquidi). Gli acidi grassi si legano ad una molecola di glicerolo per formare i gliceridi, tra questi sono molto importanti i trigliceridi (glicerolo + tre catene di a. g.). Un’altra classe di lipidi molto importante sono i fosfolipidi la cui struttura è molto simile a quella dei trigliceridi con l’unica differenza che una delle catene di a. g. è sostituita da un gruppo fosfato. Quest’ultimo costituisce la testa idrofila del fosfolipide; nella testa è presente anche un altro gruppo (può essere colina, inositolo, etanolammina, serina). Le due catene di acidi grassi invece costituiscono le code idrofobe. Grazie a queste caratteristiche, i fosfolipidi sono i componenti fondamentali delle membrane biologiche. Un’altra classe di lipidi sono gli steroli, ovvero i derivati dello sterolo. Questi si dividono in zoosteroli - come colesterolo, ormoni sessuali, precursori vitaminici - e fitosteroli - come camposterolo, sitosterolo, stigmasterolo.
Lipidi e piante
Nelle piante un importante acido grasso poli-insaturo è il linolenico precursore dell’acido Jasmonico, la cui funzione è la regolazione delle risposte delle piante a stress (sistema di difesa), nonché la crescita e lo sviluppo delle piante (fito-ormone).
Le piante secernono acidi grassi attraverso l’epidermide. Esse inoltre sono rivestite di uno strato impermeabilizzante: la cuticola; è formata da due lipidi: le cere (18+ C) e la cutina (16-18 C). Abbiamo poi l’isoprene che è il precursore di lipidi molto importanti: i terpeni; questi costituiscono resine e oli essenziali.
DNA
STRUTTURA (singolo nucleotide): scheletro fosfocarbonioso: zucchero pentoso (desossiribosio) e gruppo fosfato + base azotata (purinica: A, G; pirimidinica: C, T)
Un nucleotide > più nucleotidi, un gene > più geni, un organismo
La struttura che si forma dall’unione di più nucleotidi è una struttura elicoidale a doppio filamento. I due filamenti scorrono verso direzioni opposte (antiparalleli) dal fosfato allo zucchero (direzione 5’-3’). Un’altra particolarità della struttura tridimensionale del DNA è la presenza di solchi.
I due filamenti sono uniti tra loro mediante legami a idrogeno tra le basi azotate; in particolare, le basi sono complementari: A si accoppia sempre con T, C si accoppia sempre con G. Nonostante il doppio filamento sia legato da ponti idrogeno, la struttura del DNA è molto stabile.
RNA
Il suo nucleotide è molto simile a quello del DNA, ciò che cambia è lo zucchero - non desossiribosio ma ribosio (il quale differisce dal desossiribosio per la presenza di un gruppo -OH; questo influisce molto sulla stabilità della molecola, infatti l’RNA è instabile) - e una delle basi - invece di T abbiamo U.
Un ulteriore differenza tra RNA e DNA sta nella struttura tridimensionale: mentre il DNA è a doppio filamento, l’RNA è a singolo filamento (direzione 5’-3’); ciò determina un’ulteriore instabilità della molecola. Ciò nonostante l’RNA acquisisce diverse strutture.
Diversi tipi di RNA
- mRNA: trasferisce copie del genoma
- rRNA: ha una struttura ribonucleoproteica; costituisce i ribosomi: 18s, 5.8s, 28s, 5s
- tRNA: ha una struttura a “quadrifoglio” o doppia elica; la sua funzione è quella di trasferire gli aminoacidi (nella sua struttura è infatti presente un anticodone)
Altri nucleotidi importanti
ATP: trasduttore di energia
GTP: fonte di energia nella sintesi proteica (permette lo scorrimento del ribosoma sull’mRNA)
cAMP: mobilita glicogeno epatico
Tips: DNA ed evoluzione
La patata e il peperone sono “parenti” (famiglia solanacee). Gli storni e gli stordi sono “parenti”. L’uomo condivide il 98% del suo genoma con lo scimpanzè; sono dunque parenti (diversificati 1 milione di anni fa)
Proteine: aminoacidi e polipeptidi
Sono catene di aminoacidi. Gli aminoacidi tradizionalmente considerati sono 20; ultimamente ne sono stati scoperti altri 2: uno è la silenocisteina, l’altro invece, la pirrolisina, è un aminoacido del dominio degli archeobatteri.
Gli aminoacidi sono formati da un C centrale, un gruppo carbossilico, un gruppo amminico e un gruppo R. Quest’ultimo differenzia gli amminoacidi e può essere di varica positiva o negativa, polare o apolare, ecc.
Nella formazione dei polipeptidi - attraverso reazioni di disidratazione - il gr. amminico si legame al gr. carbossilico formando un legame peptidico. La catena peptidica quindi ha una direzionalità amminocarbossilica.
Proteine: strutture
La proteina è caratterizzata da 4 strutture; ogni struttura determina la successiva.
La struttura primaria è la sequenza univoca degli aminoacidi: questa è dettata dal gene e determina la funzionalità e la forma (che acquisirà con la struttura terziaria). Errori e variazioni nella sequenza alterano funzionalità e forma della proteina (es: variazione della sequenza nell’emoglobina porta anemia falciforme).
La struttura secondaria è ripetitiva e regolare (alfa-elica o foglietto-beta) non presente necessariamente in tutte le proteine; si instaurano LEGAMI IDROGENO tra H (del gr. amminico) e O (del gr. carbossilico) della stessa catena, non sono quindi coinvolti i gruppi R.
La proteina assume forma tridimensionale nella str. terziaria (folding: globulare o fibrosa) data da interazioni tra i gruppi R (le interazioni possono essere di ogni tipo, in genere legami deboli; nel caso della cisteina si formano ponti disolfuro che sono legami covalenti e quindi forti). La forma che la p. assume è molto importante in quanto ne determina la funzione.
La struttura quaternaria, come la secondaria, non è sempre presente, talvolta però è necessaria affinché la proteina sia funzionale. La str. quaternaria è l’aggregazione di più catene polipeptidiche. Esempi sono l’emoglobina, il collagene, il rubisco (opera nei plastidi)
Reversibilità proteica
La proteina, in base alle condizioni in cui si trova (salinità, pH, calore), altera la propria forma denaturandosi (es: albumina quando si cuoce l’uovo). Talvolta la denaturazione può essere reversibile e la proteina ristabilisce le interazioni tra gruppi R, avviene cioè la rinaturazione.
Maturazione proteine
Le proteine sono frutto di un processo di maturazione. La proteina nasce con una “sequenza segnale” che veicola e indirizza la proteina nella sua formazione. Talvolta una proteina può nascere come molto grande, ma poi, maturando, per essere funzionale, si riduce (es: insulina)
Funzioni delle proteine
- strutturale: collagene
- deposito: ovalbumina
- trasporto: emoglobina
- ormoni
- recettori
- contrattile: actina e miosina
- difesa: anticorpi
- catalizzatori
Cellula
Unità base degli organismi viventi. Fu osservata per la prima volta da R. Hooke (1600) tramite l’uso di un microscopio. Il campione era un pezzo di sughero. Le cellule hanno questo nome perché la loro forma, secondo Hooke, ricordava le celle dei monaci.
Antoni van Leeuwenhoek migliorò il microscopio (1700) e poté osservare cellule non visibili ad occhio nudo.
Schleiden e Schwann capirono che le cellule fossero l’unità base dell’organismo vivente e formularono la prima teoria cellulare (1800)
La cellula è formata da atomi, molecole, macromolecole, organuli e contiene al suo interno il materiale genetico (DNA - osservato per la prima volta da Watson, Crick e Franklin)
Carboidrati
Molecole formate da C, H e O legate dalla formula (CH2O)n i cui monomeri di base sono i monosaccaridi.
Monosaccaridi
Zuccheri semplici. Variano per il numero degli atomi di carbonio presenti da cui prendono il nome (triosi, pentosi, esosi, eptosi…).
Lo zucchero più semplice a 3 atomi di carbonio è il gliceraldeide.
Ribosio e desossiribosio sono zuccheri pentosi molto importanti per la formazione degli acidi nucleici; differiscono per la presenza di un gruppo OH (presente nel ribosio, assente nel desossiribosio).
La presenza di due gruppi funzionali distingue i monosaccaridi in aldosi (gr. aldeico) e chetosi (gr. chetonico).
Disaccaridi
Due monosaccaridi si legano dando origine ai disaccaridi.
Esempi di disaccaridi sono:
- maltosio, dato da alfa-glucosio + alfa-glucosio
- cellobiosio, precursore della cellulosa dato da beta-glucosio + beta-glucosio
- saccarosio, estraibile da canna da zucchero, dato da glucosio + fruttosio
Glucosio
Il glucosio in soluzioni acquose ha una struttura ad anello. Presenta degli enantiomeri: alfa-glucosio e beta-glucosio. Una catena di alfa-glucosio costituisce l’amido e il glicogeno, una di beta-glucosio costituisce la cellulosa.
Amido
Insieme alla cellulosa, è una delle macromolocole più abbondanti presenti sul nostro pianeta.
E’ costituito da amilosio e amilopectina ed è il carboidrato di riserva della piante (immagazzina fonte energetica a partire dal glucosio prodotto attraverso la fotosintesi).
La differenza tra amilosio e amilopectina è che i legami nella catena di amilosio sono del tipo 1-4 alfa (lineari), mentre quelli dell’amilopectina sono 1-6 alfa (ramificazione). Inoltre l’amilosio presenta meno residui di glucosio rispetto all’amilopectina (rispettivamente 300-3000 e 200000)
Glicogeno
E’ la riserva energetica degli animali, è contenuto soprattutto a livello epatico e muscolare; è ramificato (più dell’amido, legami 1-6 alfa)
Cellulosa
Molto abbondante in natura, è una catena lineare di beta-glucosio e costituisce la base principale per la struttura della parete delle cellule vegetali (è quindi un polisaccaride con funzione strutturale). I legami sono di tipo 1-4 beta e rendono la struttura lineare.
Circa 80 molecole di cellulosa si associano a formare una microfibrilla (principale unità strutturale della parete delle c. vegetali). Le molecole di cellulosa, parallele, sono tenute assieme da legami idrogeno tra i gruppi ossidrilici legati agli atomi di C 3 e 6.
Forme di zuccheri modificati
- zucchero fosfato: gli atomi di carbonio legano gruppi fosfato
- amminozuccheri: al posto di un gruppo ossidrilico abbiamo un gruppo amminico
- chitina: polisaccaride azotato che costuisce scheletro degli artropodi
