Invito alla biologia, Dispense di Biologia

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ESAME DI

BIOLOGIA APPLICATA

LA STRUTTURA DELLA MATERIA

1. Gli atomi

La più piccola particella di un elemento che possiede le proprietà di quell’elemento è un atomo. Ogni atomo ha un nucleo, che contiene particelle cariche positivamente dette protoni , insieme a particelle di massa analoga ma elettricamente neutre detti neutroni. Tutti gli atomi di un determinato elemento hanno lo stesso numero di protoni ( numero atomico , generalmente indicato con Z ). La somma di protoni + neutroni corrisponde al numero di massa (generalmente indicato con A ). Il peso di un atomo di ciascun elemento (massa atomica) è la massa media di un atomo di quell’elemento. Esternamente al nucleo si muovono, alla velocità della luce, particelle cariche negativamente dette elettroni (scoperti da Thomson nel 1897), attratti dalla carica positiva dei protoni. Se due atomi appartengono allo stesso elemento chimico, hanno perciò lo stesso numero di protoni, ma hanno diverso numero di neutroni nel nucleo sono detti isotopi. Gli isotopi hanno quindi stesso numero atomico, ma differente numero di massa. In un atomo la distanza media di un elettrone dal nucleo è determinata dalla quantità d’energia posseduta dall’elettrone ; maggiore è l’energia, maggiore è la sua probabile distanza dal nucleo. Perciò un elettrone con una scarsa quantità di energia si trova vicino al nucleo, a un livello di energia più basso, mentre un elettrone con una maggiore quantità di energia è più lontano dal nucleo, a un livello di energia più alto. Se si vuole portare l’elettrone ad un livello di energia più alto, bisogna fornire a quell’atomo una quantità di energia pari a quella che esiste tra i due livelli energetici. Se l’energia non è sufficiente l’elettrone non si muove, perché non esiste la possibilità di raggiungere un livello energetico intermedio. Quando l’elettrone ritorna al suo livello di energia, libera la stessa quantità di energia che aveva assorbito nel passare ad un livello energetico superiore.

2. Modelli atomici

1803 J. Dalton (1766 – 1844 ) per primo cercò di descrivere l'atomo e lo fece basandosi su due delle tre leggi fondamentali della chimica (la terza la formulò lui stesso nel 1808 ). Dalton, per creare il suo modello atomico, si baserà su dei punti fissi; ognuno di essi sarà in accordo con le due leggi fondamentali (e ovviamente anche con quella che formulerà Dalton stesso). In particolare, i primi tre punti implicano che in una reazione chimica gli atomi rimangono invariati in numero e in massa e ciò è in accordo con la legge di conservazione della massa di Lavoisier, mentre il punto quattro è in accordo con la legge delle proporzioni definite di Proust.

1. La materia è formata da atomi piccolissimi, indivisibili e indistruttibili.
2. Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno uguale massa.
3. Gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi.

3. La tavola periodica degli elementi

1870 D. Mendeleev (1834 – 1907) costruì una tabella che tenesse conto delle analogie nei comportamenti chimici dei vari elementi; Mendeleev osservò che, disponendo gli elementi secondo un certo schema e in base al loro peso atomico crescente, i comportamenti chimici si riproponevano in modo ripetitivo o periodico. Oggi giorno questa tabella, basata sulle proprietà della struttura atomica, è ormai completa e prende il nome di tavola periodica degli elementi , in cui gli elementi sono ordinati secondo il loro numero atomico crescente e riportati con il proprio simbolo, nome e peso. La disposizione degli elementi nella tavola periodica permette di ricavare delle informazioni utili sulle loro caratteristiche; per esempio, lungo una stessa riga orizzontale, o periodo , si susseguono elementi che via via riempiono di elettroni lo stesso livello energetico, mentre tutti gli elementi che appartengono alla stessa colonna, o gruppo , hanno lo stesso numero di elettroni nel livello di energia più esterno e, di conseguenza, un comportamento chimico analogo. In particolare gli elementi dell’ottavo gruppo, i cosiddetti gas nobili, sono molto stabili e hanno una scarsa reattività; poiché tutti gli atomi di questo gruppo hanno il livello energetico più esterno completo, i chimici compresero che doveva esserci una relazione tra questa caratteristica e la maggiore stabilità della struttura atomica. Risulta quindi, che un atomo è stabile quando il suo livello energetico più esterno è completamente riempito di elettroni. Dunque, poiché, in generale ogni sistema tende ad andare spontaneamente verso il suo stato di massima stabilità, gli atomi tendono a riempire il loro livello energetico più esterno. Questo può avvenire solamente, acquistando, cedendo o mettendo in comune uno o più elettroni, e quindi attraverso i legami chimici.

4. Legami chimici e molecole

Quando gli atomi reagiscono tra loro, ciascuno per completare il proprio livello di energia più esterno, si formano nuove particelle costituite da due o più atomi tenuti insieme da legami chimici: le molecole. Una sostanza che contiene atomi di due o più elementi chimici differenti, tenuti insieme da legami chimici, in una proporzione definita e costante è detta composto chimico (es. acqua, glucosio, metano, anidride carbonica…). Un atomo che cede o acquista elettroni perde la propria neutralità elettrica e si trasforma in uno ione. I legami che comportano una reciproca attrazione tra ioni di carica opposta si dicono legami ionici. Un altro modo per completare il livello energetico più esterno di un atomo è quello di condividere, cioè mettere in comune, elettroni con un altro atomo. I legami chimici formati da coppie condivise di elettroni sono detti legami covalenti. In un legame covalente gli elettroni condivisi trascorrono parte del proprio tempo intorno a un nucleo e parte intorno all’altro; perciò la condivisione degli elettroni completa il livello energetico più esterno di entrambi gli atomi e neutralizza la carica positiva dei loro nuclei. I legami covalenti possono essere semplici (condivisione di 2 elettrone), doppi (condivisione di 4 elettroni) o tripli (condivisione di sei elettroni). Nei legami covalenti che si formano tra due atomi diversi, gli elettroni messi in comune non sono equamente condivisi, perché, in genere, uno dei due atomi ha maggiore tendenza dell’altro ad attrarre verso di sé gli elettroni di legame.

Questa tendenza definita di elettronegatività , è caratteristica di ogni elemento e dipende dall’energia con cui gli elettroni sono legati al nucleo. Dunque, l’atomo più elettronegativo riesce ad attrarre con forza maggiore gli elettroni di legame che, perciò si trovano a passare più tempo nei pressi di questo nucleo atomico. L’elettronegatività cresce lungo un periodo da sinistra a destra, e decresce dall’alto in basso lungo un gruppo. I legami covalenti in cui gli elettroni non sono ugualmente condivisi sono detti legami covalenti polari , per distinguerli da quelli non polari che si instaurano tra atomi uguali. I legami polari coinvolgono spesso gli atomi di ossigeno, i quali hanno una forte attrazione per gli elettroni.

5. Le reazioni chimiche

Le reazioni chimiche , ossia i processi mediante cui si formano o si rompono i legami chimici, possono essere rappresentate da equazioni chimiche. Nell’equazione la freccia sta per “forma” oppure “produce” e indica la direzione della trasformazione chimica.

Per esempio l’equazione per la formazione del cloruro di sodio è:

Na + Cl ( reagenti ) → NaCl ( prodotto )

Come le equazioni algebriche le equazioni chimiche devono essere bilanciate ; ciò significa che il numero e il tipo di atomi presenti nei prodotti devono corrispondere a quelli iniziali dei reagenti.

Un esempio leggermente più complesso del precedente è quello in cui l’idrogeno gassoso (H 2 ) si combina con l’ossigeno gassoso (O 2 ) per produrre acqua. In questo caso tuttavia sappiamo che in ogni molecola d’acqua vi sono due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, e quindi la proporzione deve essere di due a uno:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Il numero posto davanti a ciascuna molecola è il coefficiente , cioè il numero di molecole nella reazione. Un esempio di bilanciamento in una reazione chimica, si osserva nella reazione di formazione dell’ammoniaca a partire da azoto e idrogeno:

N 2 + H 2 → NH 3

Appare evidente che il numero di atomi presente nei prodotti non corrisponde a quello iniziale dei reagenti; per scrivere in modo corretto la reazione occorre quindi calcolare i coefficienti:

N 2 + 3H 2 → 2NH 3

idrogeno; questa attrazione, se si verifica tra molecole della stessa sostanza, è detta coesione , mentre se si verifica tra molecole di sostanze diverse è detta adesione. Un’altra proprietà dell’acqua è la capillarità , risultato dell’azione combinata della coesione tra le molecole d’acqua e della loro adesione ad una superficie. L’ imbibizione invece, consiste nel movimento capillare delle molecole d’acqua all’interno di sostanze come, per esempio, il legno e la gelatina che, di conseguenza, aumentano di volume. La quantità di calore richiesta da una sostanza perché si verifichi un determinato aumento della temperatura è detta calore specifico (o capacità termica). Si definisce caloria la quantità di calore necessaria per aumentare di 1°C la temperatura di un grammo d’acqua. L’elevato calore specifico dell’acqua è una conseguenza dei legami ad idrogeno che si istaurano tra le sue molecole in quanto essi tendono a limitarne il movimento. Quando scaldiamo una pentola d’acqua, gran parte dell’energia termica somministrata è usata per spezzare i legami ad idrogeno tra molecole d’acqua. Soltanto una quantità relativamente piccola di energia termica è, perciò, disponibile per scaldare l’acqua. L’ evaporazione è il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso; l’acqua ha un elevato calore di evaporazione. A 100°C e alla pressione di un atmosfera occorrono 540 calorie per fare passare un grammo d’acqua dallo stato liquido a quello gassoso. Il legame ad idrogeno è responsabile anche dell’elevato calore di evaporazione dell’acqua, perché una molecola d’acqua si stacchi dalle altre ed evapori, infatti, devono essere spezzati i legami ad idrogeno: ciò richiede energia termica. Per la maggior parte dei liquidi, la densità aumenta con il diminuire della temperatura, poiché aumenta la vicinanza tra le molecole; ciò dipende dal fatto che le molecole si muovono più lentamente e, quindi, diminuiscono gli spazi tra loro. A 0°C, cioè al punto di solidificazione dell’acqua, si forma un reticolo cristallino nel quale ogni molecola d’acqua si lega mediante legami ad idrogeno permanenti con altre quattro molecole d’acqua. Formando questi legami, le molecole nel ghiaccio si trovano tra loro più distanti che nell’acqua allo stato liquido: perciò, a differenza della maggior parte delle sostanza, l’acqua allo stato solido occupa un volume maggiore di quando si trova allo stato liquido, ha perciò una minore densità.

9. L’acqua come solvente

La sostanza presente in maggior quantità, generalmente un liquido, è chiamata solvente , mentre quella presente in minor quantità è detta soluto. L’acqua è un ottimo solvente grazie alla polarità delle sue molecole, si può quindi definire in modo più completo una soluzione, come la condizione in cui sono presenti un solvente, la componente che dissocia, e un soluto, la componente che si dissocia in ioni. Molte molecole importanti sono polari, cioè hanno regioni di carica parziale positiva e negativa; a causa della loro polarità, queste molecole si sciolgono facilmente nell’acqua e perciò sono dette idrofile. Le sostanze come i grassi invece, le cui molecole non hanno regioni polari, tendono a essere insolubili e sono detto perciò idrofobe.

10. La ionizzazione dell’acqua

A una data temperatura e in un dato volume di acqua pura avviene sempre la ionizzazione di un piccolo ma costante numero di molecole d’acqua. Durante questo processo, un atomo di idrogeno

tende a staccarsi dall’ossigeno a cui è legato e passare in soluzione sotto forma di ione H+. Questo ione si lega poi con l’ossigeno di un’altra molecola d’acqua dando origine a uno ione idronio H 3 O+. In questo modo si formano due ioni, lo ione idronio e lo ione ossidrile secondo la reazione:

2H 2 O → H 3 O+^ + OH-

Sebbene lo ione positivo che si forma quando l’acqua si ionizza sia lo ione idronio, esso viene di solito rappresentato per convenzione con uno ione idrogeno (H+).

Nell’acqua pura, la concentrazione degli ioni H+^ è esattamente uguale a quella degli ioni OH-. Deve essere necessariamente così dal momento che, quando siano presenti solo molecole d’acqua, nessuno dei due ioni può formarsi senza l’altro. Tuttavia, la dissociazione in acqua di una sostanza ionica o di una sostanza con molecole polari può modificare la concentrazione degli ioni H+^ e OH-. Una soluzione acquista proprietà acide quando la concentrazione degli ioni H+^ supera quella degli ioni OH-; al contrario, una soluzione è basica (o alcalina), quando la concentrazione degli ioni OH- supera quella degli ioni H+. Perciò un acido è una sostanza che provoca un aumento della concentrazione relativa degli ioni H+ in una soluzione e una base è una sostanza che provoca un aumento della concentrazione relativa di ioni OH-. I chimici esprimono il grado di acidità mediante la scala del pH. I valori di questa scala sono compresi tra 0 e 14. A pH 7 la concentrazione degli ioni H+^ e OH-^ è identica, così come avviene nell’acqua pura. Questa è la condizione di neutralità; ogni pH inferiore a 7 è acido e ogni pH superiore a 7 è basico. La maggior parte delle reazioni chimiche che avvengono nei sistemi viventi ha luogo all’interno di un ristretto intervallo di pH che è prossimo alla neutralità. Il pOH , invece, è una scala di misura della basicità di una soluzione acquosa. La somma di pH e di pOH è uguale a 14 per cui conoscendo l’uno si risale all’altro e viceversa.

Carboidrati

Sono formati da carbonio, idrogeno e ossigeno e rappresentano il materiale di base per la formazione di molte componenti strutturali delle cellule, nonché la risorsa primaria di energia chimica degli organismi viventi. Si dividono in monosaccaridi (1), disaccaridi (2), oligosaccaridi ( a 10) e polisaccaridi (10 ….).

• I monosaccaridi , sono “zuccheri semplici” costituiti da una molecola, e rappresentano, pertanto, i monomeri di base di cui sono costituiti gli zuccheri più complessi; le proporzioni sono di un atomo di carbonio ogni due di idrogeno e uno di ossigeno, come indicato nella formula grezza Cn (H 2 O) (^) n. Gli zuccheri che hanno 5 atomi di carbonio (n = 5), sono detti zuccheri pentosi , ( es. ribosio e deossiribosio ) con formula C 5 H 10 O 5. Gli zuccheri che hanno 6 atomi di carbonio (n = 6), sono detti zuccheri esosi , (es. glucosio e fruttosio) con formula C 6 H 12 O 6.
• I disaccaridi , sono zuccheri formati da due monosaccaridi, ad esempio: saccarosio = fruttosio + glucosio trealosio = glucosio + glucosio lattosio = glucosio + galattosio
• I polisaccaridi , sono formati da monosaccaridi legati in lunghe catene, e sono ad esempio: l’amido, il glicogeno, la cellulosa, la chitina…

Lipidi

Sono composti ternari di carbonio, idrogeno e ossigeno, e vengono utilizzati sia come componenti strutturali sia come riserva di energia. I lipidi sono un gruppo di sostanze organiche molto diverse tra loro, ma con due importanti caratteristiche comuni. La prima è essi sono insolubili nei solventi polari come l’acqua, la seconda caratteristica è che i lipidi sono le molecole organiche che ha parità di peso, liberano la maggior quantità di energia. I lipidi si dividono in: grassi e oli, fosfolipidi e glicolipidi, cere, e steroidi.

• Grassi e oli = un tipo comune di grasso è il trigliceride , la cui molecola si forma per condensazione di 3 molecole di acidi grassi con una molecola di glicerolo. Un acido grasso in cui non compaiono doppi legami tra gli atomi di carbonio che formano il suo scheletro è detto saturo (grassi), al contrario un acido grasso in cui compaiono doppi legami è detto insaturo (oli). La natura fisica di un trigliceride è determinata dalla lunghezza dello scheletro carbonioso dei suoi acidi grassi e dal fatto che essi siano saturi o insaturi. Le dritte catene di acidi grassi saturi consentono alle molecole dei trigliceridi che li contengono di compattarsi le une con le altre e di solidificare anche a temperatura ambiente; è questo il caso dei grassi di origine animale. Gli acidi grassi insaturi, invece, in corrispondenza dei legami covalenti doppi presentano dei ripiegamenti che rendono più complessa la compattazione delle molecole; pertanto, essi tendono a essere liquidi a temperatura ambiente, come tutti gli oli di origine vegetale.

• Fosfolipidi e glicolipidi = come i trigliceridi, anche i fosfolipidi e i glicolipidi sono costituiti da catene di acidi grassi legate attaccate ad uno scheletro di glicerolo. Nei fosfolipidi il terzo atomo di carbonio della molecola di glicerolo, non è occupato da un acido grasso, bensì da un gruppo fosfato, al quale è generalmente legato un altro gruppo polare R. I gruppi fosfato carichi negativamente costituiscono quella parte della molecola chiamata testa che è idrofila; e la parte costituita dagli acidi grassi è detta coda ed è idrofoba. Quando i fosfolipidi si trovano in soluzione acquosa, tendono a disporsi in superficie l’uno accanto all’altro con le teste idrofile polari rivolte verso l’acqua e le code idrofobe, costituite dagli acidi grassi, rivolte in direzione opposta. I fosfolipidi possono anche formare doppi strati, disponendosi con le code di acidi grassi orientate una contro l’altra e le teste contenenti fosfato rivolte verso l’esterno acquoso. Questa particolare diposizione a doppio strato costituisce la struttura di base di molte delle membrane cellulari. Nei glicolipidi (“zuccheri + grassi”) il terzo atomo di carbonio della molecola di glicerolo non si lega ad un gruppo fosfato, ma ad una corta catena idrofila di carboidrati; in soluzione acquosa i glicolipidi si comportano perciò come i fosfolipidi e sono anch’essi componenti importanti delle membrane cellulari.
• Cere = sono lipidi strutturali, costituiscono un rivestimento esterno protettivo ed impermeabile del tegumento, del pelo, del piumaggio degli uccelli, ma sono anche presenti sulle foglie delle piante e sull’esoscheletro di molti insetti.
• Steroidi = il colesterolo appartiene agli steroidi; ha una struttura con 4 anelli carboniosi legati tra loro e parecchi hanno una coda di natura idrocarburica. Il colesterolo è sintetizzato dal fegato a partire dagli acidi grassi saturi. Anche alcuni ormoni sono di natura steroidea; tra questi ci sono il cortisolo e gli ormoni sessuali (estrogeni e testosterone). Gli ormoni steroidei sono sintetizzati a partire dal colesterolo.

Proteine

I monomeri costituenti le proteine sono gli amminoacidi che si legano tra loro mediante legame peptidico. Più amminoacidi legati tra loro vanno a formare i polipeptidi, e più polipeptidi legati tra loro danno origine alle proteine.

Vi sono vari livelli di organizzazione proteica:

• struttura primaria = nelle cellule le proteine sono assemblate in lunghe catene polipeptidiche in cui gli amminoacidi si susseguono uno dopo l’altro come i vagoni di un treno. Questa sequenza lineare di amminoacidi, che viene dettata dalle informazioni ereditarie presenti nel nucleo della cellula, è detta struttura primaria ed è rigorosamente precisa per ogni proteina.
• struttura secondaria = una volta assemblata, lungo la catena polipeptidica incominciano ad aver luogo delle interazioni tra i vari amminoacidi che la fanno in parte ripiegare su sé stessa in una configurazione semplice detta struttura secondaria. Una comune struttura secondaria è quella a spirale o elica : la forma di questa struttura è mantenuta dai legami ad idrogeno. Poiché i legami ad idrogeno si spezzano e riformano facilmente, la struttura di queste

ORIGINE ED EVOLUZIONE DELLE CELLULE

1. Nascita dell’Universo

Secondo le moderne teorie, il nostro Universo ha avuto inizio da un’enorme esplosione, il Big Bang. Si ritiene, che prima di questo evento, tutta l’energia e la materia dell’attuale Universo fossero compresse all’interno di un punto infinitamente piccolo. Con il Big Bang questa energia fu liberata e tute le particelle di materia si allontanarono rapidamente le une dalle altre. Si stima che al momento dell’esplosione, che sarebbe avvenuta intorno a 13,7 miliardi di anni fa, la temperatura fosse di circa 100 miliardi di gradi Celsius. A tale temperatura non potevano esistere atomi, perciò tutta la materia si trovava sotto forma di particelle elementari subatomiche. A causa della loro enorme velocità, queste particelle si scontravano violentemente e avevano una vita breve; solo in seguito, con il progressivo raffreddamento dell’Universo, la quantità di materia presente cominciò ad aumentare. A un certo punto, protoni e neutroni (due tipi di particelle stabili, ma presenti ancora in quantità ridotta) iniziarono ad aggregarsi tra loro formando dei nuclei. Quando l’Universo raggiunse all’incirca i 2500 °C, questi nuclei, grazie ai loro protoni carichi positivamente, cominciarono ad attrarre elettroni, piccole particelle cariche negativamente che si muovevano rapidamente intorno a loro; si formarono così gli atomi. È a partire da questi atomi che si sono originate col passare del tempo tutte le stelle e i pianeti del nostro Universo, compresi il Sole e la Terra. Secondo gli studiosi di cosmologia, il Sole è nato circa 5 miliardi di anni fa e, come le stelle, ha avuto origine da un ammasso di polvere e gas (idrogeno ed elio) che ruotavano nello spazio tra le stelle più vecchie. L’immensa nube che sarebbe diventata il Sole si condensò gradualmente a mano a mano che gli atomi di idrogeno e di elio vennero attirati verso il centro della nube dalla forza di gravità. I gas della nube diventarono caldi; con l’aumento della temperatura le collisioni si fecero progressivamente più violente fino a che gli atomi di idrogeno cominciarono a scontrarsi con tale forza da fondere i loro nuclei, formando altri atomi di elio e liberando energia nucleare. Queste reazioni termonucleari si svolgono tuttora all’interno del Sole e sono la fonte dell’energia che si irradia dalla sua turbolenta superficie. Secondo le attuali teorie, i pianeti si formarono da gas e polvere in movimento intorno alla stella appena nata. All’inizio le particelle si ammassarono a caso ma, una volta diventati più grossi, tali ammassi attrassero per gravità altre particelle dando origine in questo modo ai pianeti. L’orbita più vicina al Sole fu percorsa da Mercurio, quella successiva da Venere, la terza dalla Terra, la quarta da Marte e così via fino ad Urano e Nettuno, i pianeti più distanti. Si calcola che i pianeti, compresa la Terra, si siano formati circa 4,6 miliardi di anni fa. È probabile che sulla Terra l’atmosfera primitiva fosse costituita principalmente di idrogeno ed elio, ma questi elementi si dispersero rapidamente nello spazio perché, essendo due gas molto leggeri, la forza di attrazione era troppo debole per trattenerli. In seguito, a partire dai gas sprigionati dai vulcani, si sarebbe formato un secondo tipo di atmosfera, differente sia da quella primitiva sia da quella attuale. L’acqua che fuoriusciva dai geyser sotto forma di gas arricchì l’atmosfera di vapore acqueo; al diminuire della temperatura queste nubi di vapore si sarebbero condensate e avrebbero formato i primi oceani caldi e poco profondi. Fu proprio in questo tipo di ambiente che si svilupparono i primi sistemi di viventi. Attualmente la vita esistente sulla Terra è presente in una fascia denominata biosfera, che comprende tutta la superficie terrestre e si estende per circa 8 – 10 km nello spazio e nelle profondità marine.

2. L’origine della vita

La prima interessante teoria riguardo all’origine della vita fu elaborata dal biochimico russo A.I. Oparin (1894 – 1980) e venne ripresa dal genetista scozzese J.B. Haldane (1892 – 1964). Secondo questi scienziati la comparsa della vita sulla Terra fu preceduta da una lunga serie di eventi che prende il nome di evoluzione chimica. Gli scienziati sono d’accordo su due punti fondamentali: 1) l’ossigeno libero era pressoché assente (atmosfera riducente); 2) i quattro elementi (idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto), che oggi costituiscono il 95% dei tessuti degli organismi viventi, erano in qualche modo già disponibili nell’atmosfera e nelle acque della Terra primitiva. Oltre a questi materiali grezzi, sul nostro pianeta c’era moltissima energia. Oparin ipotizzò che, in tali condizioni, dai gas dell’atmosfera si sarebbero potute formare grandi quantità di molecole organiche che in seguito si sarebbero raccolte nei mari e nei laghi del pianeta, dando origine a un “brodo primordiale”. L’assenza di ossigeno libero faceva sì che tali sostanze non subissero trasformazioni. In questi ambienti, le piccole molecole organiche avrebbero reagito tra loro a formare molecole più grandi. Oparin pubblicò quest’ipotesi nel 1922, ma la comunità scientifica non gli diede molto credito. Verso la metà del secolo scorso, tuttavia, si ebbe la prima conferma sperimentale dell’ipotesi di Oparin grazie a Stanley Miller, un giovane laureato dell’Università di Chicago. Nel suo esperimento Miller simulò in laboratorio le condizioni ambientali ritenute probabili sulla Terra primitiva, facendo circolare, fra un “oceano” posto in basso e una sovrastante “atmosfera”, gas come l’idrogeno, il vapore acqueo, il metano e l’ammoniaca. L’ “oceano” veniva scaldato per far evaporare l’acqua e per spingere i gas dentro l’ “atmosfera”, attraverso cui si facevano passare scariche elettriche che simulavano l’azione dei fulmini. Quando i gas passavano lungo la parte di tubo che era circondato d’acqua di raffreddamento, il vapore acqueo si condensava e tornava allo stato liquido portando con sé qualsiasi molecola organica si fosse formata. Queste molecole si accumulavano in basso, nella porzione di tubo che si ricollegava con l’ “oceano”. Dopo 24 ore, circa metà del carbonio presente inizialmente nel metano era stato incorporato in amminoacidi e in altre molecole organiche. Esperimenti di questo tipo, ormai ripetuti più e più volte, hanno confermato che le fonti energetiche disponibili avrebbero potuto trasformare le molecole probabilmente presenti sulla superficie terrestre in composti organici complessi. Con alcune variazioni delle condizioni sperimentali e del miscuglio dei gas posti nei recipienti usati in laboratorio, sono stati prodotti quasi tutti i comuni amminoacidi e anche i nucleotidi, che sono i componenti essenziali del DNA e dell’ RNA. Col passare del tempo le molecole organiche sarebbero diventate via via più numerose nei mari e, sempre più vicine a causa della maggiore concentrazione, si sarebbero combinate dando luogo a piccoli sistemi. A questo punto, all’evoluzione chimica avrebbe fatto seguito una nuova fase del processo, che Oparin chiamò evoluzione prebiologica. Un’ po’ alla volta questi sistemi avrebbero imparato a scambiare materia ed energia con l’ambiente e a ottimizzare, al loro interno, l’efficienza di alcune reazioni. Nei sistemi chimici attuali, sia in laboratorio sia negli organismi viventi, le molecole e gli aggregati molecolari più stabili tendono a perdurare nel tempo, mentre i meno stabili scompaiono. Analogamente, sulla Terra primitiva i sistemi costituiti da aggregati molecolari che avevano maggior stabilità chimica o maggior possibilità di riprodursi, sarebbero, col trascorrere del tempo, aumentati di numero rispetto ad altri sistemi meno efficienti. Questo meccanismo, al quale Oparin diede il nome di protoselezione naturale (per le analogie con la selezione naturale di Darwin) avrebbe favorito un aumento della complessità biochimica che, un’po’ alla volta, avrebbe portato alla acquisizione di un semplice metabolismo, punto di partenza di tutto il mondo vivente. Successive ricerche portarono lo

funzioni protettive. Molti procarioti, per aderire meglio alle superfici delle altre cellule, sono dotati di corti filamenti chiamati pili , mentre per muoversi utilizzano in genere lunghe appendici chiamate flagelli. I batteri vengono classificati anche in base al loro aspetto: i bacilli hanno una forma allungata, i cocchi sono sferici e disposti in sequenza, gli spirilli hanno una forma a spirale.

Cellula procariotica Cellula eucariotica È delimitata da una parete cellulare che riveste esternamente la membrana cellulare.

È delimitata dalla membrana cellulare.

È priva di organuli cellulari, eccetto i ribosomi che si trovano dispersi nel citoplasma.

Sono presenti numerosi organuli cellulari delimitati da membrane. Presenta la singola molecola di DNA circolare libera nel citoplasma in una zona più e meno centrale detta nucloide. Non è quindi provvista di membrana nucleare.

È provvista di un nucleo ben definito, delimitato d una doppia membrana che contiene i cromosomi (DNA complessato con proteine).

Sede della respirazione cellulare è il mesosoma , struttura legata alla membrana cellulare contenente gli enzimi respiratori.

Sede della respirazione cellulare sono i mitocondri.

Si riproduce per scissione binaria. Si riproduce per mitosi. Costituisce organismi unicellulari. Costituisce organismi uni o pluricellulari.

STRUTTURA E FUNZIONI DELLA CELLULA

Strutture della cellula vegetale: membrana cellulare; parete cellulare ; citoplasma; vacuolo ; mitocondri; lisosomi e perossisomi; plasmodesmi ; cloroplasti ; apparato di Golgi; ribosomi; reticolo endoplasmatico; nucleo; nucleolo.

Strutture della cellula animale: membrana cellulare; citosol e citoscheletro ; mitocondri; lisosomi e perossisomi; apparato di Golgi; centrioli ; ribosomi; reticolo endoplasmatico; membrana nucleare ; nucleo; nucleolo; cromatina.

Membrana cellulare = la membrana cellulare avvolge la cellula e la separa dall’ambiente circostante, regolando lo scambio di materiali con l’esterno (filtro selettivo). È costituita principalmente da due strati di fosfolipidi disposti con le code idrofobe verso l’interno e le teste idrofile verso l’esterno, oltre che da proteine , glucidi e molecole di colesterolo che la stabilizzano.

Parete cellulare = costituita di fibra di cellulosa, conferisce forma alla cellula vegetale, la sostiene e la protegge. Quando una cellula vegetale si divide, tra le membrane delle due nuove cellule si forma un sottile strato di materiale colloso che darà origine alla lamella mediana. La lamella mediana, formata da pectina e da altri carboidrati , tiene unite le cellule adiacenti. Poi su ogni lato della lamella mediana, ciascuna cellula vegetale costruisce la propria parete primaria. La crescita delle piante è in gran parte dovuta all’allungamento cellulare. Le pareti controllano sia la velocità sia la direzione di crescita: infatti le cellule non si espandono in tutte le direzioni, ma si allungano in un’unica dimensione. A mano a mano che matura, la cellula può formare una parete secondaria , che ha una capacità di espansione minore rispetto a quella primaria in quanto spesso contiene molecole che le conferiscono rigidità.

Nucleo = è il centro direzionale della cellula, è immerso nel citoplasma, contiene il DNA ed è delimitato da una membrana nucleare. La membrana nucleare è costituita da due membrane ognuna delle quali è a sua volta formata da un doppio strato fosfolipidico. La membrana nucleare è costellata di fori detti pori nucleari a livello dei quali avvengono gli scambi con il citoplasma. All’interno del nucleo si può individuare una regione, detta nucleolo, in cui vengono assemblati i ribosomi.

Citoplasma = nella cellula animale è formato dal citosol + il citoscheletro. Il citosol è la parte fluida del citoplasma, sostanza acquosa colloidale che, oltre a contenere i ribosomi coinvolti nella sintesi proteica, è una soluzione concentrata di ioni, di piccole molecole (come amminoacidi, zuccheri e ATP) e grosse proteine. Nelle cellule eucariote circa metà del citoplasma oidale che contiene gli organuli e alcuni sistemi di membrane. Il citoscheletro è la struttura di sostegno e movimento costituita da un intreccio di filamenti proteici ( microtubuli , microfilamenti e filamenti intermedi ). Nelle cellule eucariotiche circa metà del citoplasma è occupato da piccole strutture chiamate organuli, gran parte delle quali è circondata da membrane.

Mitocondri = organuli sede del metabolismo cellulare che avviene attraverso la respirazione cellulare, per mezzo della quale sostanze organiche vengono demolite ad anidride carbonica e acqua, liberando energia immagazzinata in ATP.

lisosomi, tuttavia, i proteasomi non sono dotati di membrana, ma sono semplici polipeptidi formati da tre subunità. La necessità di eliminare le proteine inutili è legata al fatto che molte di queste proteine, come gli enzimi, hanno una funzione regolatrice e, quindi, devono essere rapidamente sintetizzate per favorire o per inibire una data reazione ma, altrettanto velocemente, devono essere eliminate appena la loro funzione è terminata.

Perossisomi = sono speciali vescicole rivestite da una membrana, che contengono almeno 50 tipi di enzimi ossidativi. I perossisomi esercitano molteplici funzioni che vanno dall’ossidazione delle lunghe catene degli acidi grassi, alla sintesi del colesterolo, al metabolismo degli amminoacidi e delle basi azotate dei nucleotidi, fino allo smaltimento dei composti metabolici tossici.

Mesosomi = organuli contenenti enzimi digestivi in grado di demolire sostanze contenenti periossido d’idrogeno. I mesosomi sono la sede della respirazione cellulare nelle cellule procariotiche.

Ribosomi = sono le strutture in cui vengono uniti tra loro gli amminoacidi per costruire le proteine; in una cellula più proteine vengono sintetizzate e più numerosi sono i ribosomi. Queste strutture prive di membrana sono costituite per due terzi da RNA e per la restante parte da proteine.

Centrioli = organuli produttori dei filamenti costitutivi del fuso mitotico, indispensabili quindi per la divisione cellulare.

Vacuoli = molte cellule eucariote, soprattutto quelle vegetali, contengono strutture dette vacuoli. Un vacuolo è una cavità citoplasmatica delimitata da una membrana fosfolipidica e contenente acqua e soluti.

Vescicole = le vescicole si trovano in tutte le cellule eucariote metabolicamente attive, hanno la stessa struttura dei vacuoli, ma sono molto più piccole. Una delle principali funzioni delle vescicole è il trasporto, esse, infatti, partecipano sia al trasporto delle sostanze da una regione all’altra della cellula sia agli scambi di sostanze con l’esterno.

Cloroplasti = il cloroplasto è una struttura che si trova solamente nelle cellule vegetali e che contiene la clorofilla, elemento fondamentale per la fotosintesi clorofilliana.

Flagelli e Ciglia = appendici cellulari capaci di movimento, quasi tutte presentano la stessa struttura interna, ovvero nove coppie di microtubuli, l’uno aderente all’altro, formano una specie di cilindro che circonda altri due microtubuli centrali. Il movimento delle ciglia e dei flagelli deriva dall’interno delle strutture stesse. Le ciglia e flagelli si originano dal corpo basale.

COMUNICAZIONE TRA CELLULA E AMBIENTE

1. Movimento delle molecole d’acqua

La membrana cellulare mostra una certa asimmetria; le due superfici, una rivolta verso l’interno e una rivolta verso l’esterno della cellula, presentano infatti considerevoli differenze nella composizione chimica. In generale, si può dire che una cellula differisce dalla materia non vivente per la qualità e la quantità degli elementi chimici che contiene; se non fossero capaci di mantenere questa differenza, i sistemi viventi non sarebbero certamente in grado di garantire stabilità alle proprie strutture e alla propria organizzazione interna, dalle quali dipende la loro esistenza. Nelle cellule il compito di mantenere queste differenze viene svolto appunto dalla membrana esterna, che deve assolvere a due complesse funzioni: da una parte deve tenere fuori alcune sostanze facendone entrare delle altre, dall’altra deve trattenere all’interno delle sostanze, facendone uscire delle altre ancora. La capacità di una membrana di svolgere entrambi questi compiti non dipende soltanto dalle proprietà fisiche e chimiche della sua struttura, ma anche dalla proprietà chimiche e fisiche degli ioni e delle molecole che interagiscono con essa. Fra tutte le molecole che si spostano all’interno e all’esterno della cellula, quella più comune è sicuramente quella d’acqua che funge da solvente per numerose altre molecole e ioni molto importanti per la vita della cellula. Le molecole d’acqua, nel mondo vivente come in quello non vivente, si spostano da una zona all’altra a causa della differenza di energia potenziale. L’energia potenziale è una forma di energia accumulata da un corpo (e dalle particelle che lo compongono) per effetto della sua posizione. L’energia potenziale dell’acqua è detta potenziale idrico. L’acqua si sposta da una regione a potenziale idrico maggiore a una regione a potenziale idrico minore. Nelle soluzioni il potenziale idrico è influenzato dalla concentrazione delle particelle in esso disciolte, cioè dal soluto. In assenza di altri fattori, quali per esempio la pressione, che agiscono sul potenziale idrico, le molecole d’acqua presenti nelle soluzioni si muovono, quindi, da regioni a minore concentrazione dei soluti (cioè di maggiore potenziale idrico) a regioni a maggiore concentrazione di soluti (cioè di minore potenziale idrico).

2. Trasporto passivo

Il trasporto passivo avviene secondo gradiente di concentrazione , per cui una sostanza si sposta da dove la sua concentrazione è maggiore a dove la sua concentrazione è minore, ed è un processo spontaneo che non richiede energia. Tipi principali di trasporto passivo sono:

- La diffusione semplice , ovvero il passaggio di una sostanza secondo gradiente di concentrazione possibile per piccole molecole apolari come O2 e CO2, piccole molecole polari come H20 e urea, mentre non è possibile per grosse molecole polari come il glucosio o gli ioni. - La diffusione facilitata , per cui il passaggio avviene grazie a proteine di trasporto integrate nella membrana cellulare ( proteine vettrici = specifiche per una sostanza alla quale si legano cambiando la loro conformazione; proteine canale = che formano pori attraverso la membrana che si aprono in seguito a segnali elettrici o al legame con una molecola specifica).