( 1 ) teoria cellulare e chimica dei viventi

TEORIA CELLULARE
Molti secoli sono trascorsi da quando gli studiosi dell'antica Grecia formularono la
teoria della generazione spontanea della vita, secondo cui insetti ed altri piccoli
animali avrebbero avuto origine spontaneamente dal fango e dalla materia organica in
decomposizione. La teoria della generazione spontanea rimase tanto radicata nella
mente degli studiosi dei secoli successivi da resistere fino al diciassettesimo secolo,
quando lo studio della natura cominciò ad essere affrontato con maggiore rigore
scientifico. Fu infatti grazie agli esperimenti di Redi, Spallanzani e Pasteur che la
teoria della generazione spontanea venne smentita.
Al giorno d'oggi, pur sapendo in maniera approssimativa quando si sia formata la prima
cellula nella storia della Terra, non si conosce ancora con precisione l'esatta sequenza
di come ciò sia avvenuto. Tuttavia, i recenti, grandi progressi conseguiti nella
conoscenza della natura biochimica e molecolare della struttura e delle funzioni della
cellula permettono agli studiosi di proporre modelli specifici, verificabili in
laboratorio, di come abbia potuto originarsi la prima cellula.
La Terra si sarebbe formata circa 4,6 miliardi di anni fa, su un arco di tempo
dell'ordine di milioni di anni: le molecole organiche si sarebbero organizzate dando
origine al cosiddetto brodo primordiale, da cui in seguito si sarebbero sviluppate le
molecole base della vita. In base a queste teorie è perciò plausibile supporre che la
prima cellula si sia formata per aggregazione di macromolecole organiche.
Le cellule furono osservate per la prima volta nel 1665 da Robert Hooke, che studiò
con un microscopio rudimentale sottili fettine di sughero e vide che esse erano
formate da elementi di forma regolare. Egli chiamò cellule questi elementi (dal latino
cellula, "piccola stanza"), perché esse avevano l'aspetto di piccole scatole. Ciò che egli
vide erano in realtà pareti di cellule vegetali morte. Nel 1830 Theodor Schwann compì
studi al microscopio sulla cartilagine di animali e vide che questa era formata da
cellule simili a quelle delle piante, e ipotizzò che le cellule sono gli elementi costitutivi
fondamentali di piante e animali.
I due studiosi tedeschi, Jacob Schleiden e Theodor Schwann, formularono la
cosiddetta "teoria cellulare". Brevemente essa afferma che la cellula è:
•
L'UNITA' MORFOLOGICA degli esseri viventi, la cui stragrande maggioranza è
formata da molta di esse (esseri pluricellulari), mentre altri, più semplici, si
accontentano di una soltanto: sono gli esseri unicellulari, o formati da una sola
cellula.
•
L'UNITA' FUNZIONALE degli esseri viventi. Ciò significa che tutte le funzioni
vitali di un organismo avvengono nella cellula. Pertanto, l'essere vivente
pluricellulare non è un mero agglomerato di cellule, bensì il risultato
dell'attività coordinata di tutte quante.
•
L'UNITA' ORIGINARIA. In altri termini, tutte le cellule che compongono un
essere vivente provengono, a loro volta, da altre cellule. Le cellule, cioè, si
riproducono per divisioni successive.
CELLULA VIVENTE
Una cellula vivente è un complesso sistema chimico. Le caratteristiche che la
distinguono da un essere non vivente sono:
1 ) Nutrizione
( alimentazione autonoma ). Le cellule assumono i nutrienti dall’ambiente, le
trasformano, producono energia e le eliminano
2) Crescita
( riproduzione autonoma ). La cellula cresce e utilizza le sostanze chimiche assunte
dall’ambiente per la sintesi di nuove cellule. La cellula si divide in 2 cellule identiche
a quella originale
3) Differenziamento
molte cellule vanno incontro a un cambiamento di forma e funzione, producendo
nuove strutture o nuove sostanze che non era in grado di formare in precedenza.
Questo processo fa parte del ciclo vitale
ES: formazione di spore per la sopravvivenza in condizioni sfavorevoli
4) Comunicazione chimica
le cellule interagiscono con altre cellule tramite la generazione di segnali chimici,
tali segnali chimici possono essere rilasciati nell’ambiente circostante o assunti da
esso
5) Evoluzione
tutte le cellule possono evolvere, cioè i cambiamenti vengono ereditati e possono
ripercuotersi sia positivamente che negativamente sull’adattamento complessivo
della cellula all’ambiente in cui vive. Gli alberi filogenetici mostrano le relazioni
evolutive tra le cellule
LA CHIMICA DEI VIVENTI: LE MACROMOLECOLE ORGANICHE
Di tutti gli elementi chimici della tavola periodica solo una piccola parte è presente in
quantità notevoli nella struttura degli organismi viventi. Gli elementi presenti in
maggiore quantità nei viventi sono: C, H, O, N, P, S (carbonio, idrogeno, ossigeno,
azoto, fosforo, zolfo).
Le molecole che costituiscono gli organismi viventi, dette macromolecole organiche,
hanno tutte una caratteristica in comune: sono composti del carbonio.
Ciascun atomo di carbonio può formare 4 legami covalenti con altri atomi di carbonio o
con atomi di altri elementi. In questo modo si formano lunghe catene (lineari,
ramificate o cicliche) in cui sono presenti anche atomi di idrogeno, ossigeno, azoto ed
altri.
monomero
polimero
Le molecole organiche sono costituite unendo insieme un gran numero di molecole più
piccole, uguali o simili tra loro. Queste unità più piccole sono dette MONOMERI.
Tali monomeri sono sempre brevi catene di atomi di carbonio uniti ad altri atomi e si
uniscono a formare le grandi molecole organiche tramite un processo detto
“polimerizzazione” ed i prodotti che si formano si possono definire POLIMERI.
Esistono 4 gruppi di molecole organiche:
 Glucidi
 Lipidi
 Proteine
 Acidi nucleici (DNA, RNA)
GLUCIDI (CARBOIDRATI, ZUCCHERI)
Sono composti ternari, perché le loro molecole sono formate da atomi di carbonio,
idrogeno ed ossigeno. I carboidrati più semplici sono denominati “saccaridi”
STRUTTURA
la formula base di tutti i carboidrati è : Cn H2n On
in questo modo possiamo nominare i vari carboidrati in base da quanti atomi di
carbonio sono composti e poi risalire alla formula.
Il carboidrato più comune è GLUCOSIO, formato da 6 atomi di carbonio (esoso)
tenuti insieme da legami coovalenti:
FUNZIONE
la principale funzione è quella di deposito di energia chimica, poiché in ogni legame
chimico si accumula energia che può essere liberata con la rottura del legame stesso.
A seconda del tipo di carboidrato si libera una quantità diversa di energia:
1) monosaccaridi --- sono unità semplici che possono unirsi a formare unità più
complesse tramite una reazione detta “sintesi per disidratazione” poiché 2 molecole si
uniscono a formarne una con la perdita di una molecola di acqua
ES:
2 glucosio
monosaccaride
1 fruttosio + 1 glucosio
1 maltosio
disaccaride
+
1 molecola acqua
1 saccarosio + 1 molecola acqua
2) polisaccaridi --- sono unità complesse formate da catene di monosaccaridi. I tre
principali polisaccaridi degli esseri viventi sono:
- amido ( largamente contenuto negli alimenti come cereali, legumi )
- cellulosa ( componente base della parete cellulare delle piante)
- glicogeno ( sintetizzato nel fegato e nel muscolo come riserva energetica )
DEGRADAZIONE DEL GLUCOSIO ( glicolisi )
1) respirazione aerobica
il glucosio viene degradato in presenza di ossigeno.
Quasi tutti gli organismi viventi compiono la respirazione cellulare: piante, funghi,
animali, organismi unicellulari, batteri.
Nel corso della respirazione cellulare il glucosio viene completamente demolito e
trasformato nelle molecole semplici di H2O e CO2. Questa demolizione libera una
grande quantità di energia.
La demolizione del glucosio in realtà non avviene in un'unica reazione, perché se tutta
l'energia fosse liberata in una volta le molecole organiche della cellula perderebbero
da speciali proteine dette enzimi.
Praticamente in tutte le cellule, attraverso questa via passa il flusso più consistente di
atomi di carbonio. La respirazione cellulare nelle cellule eucariote avviene all'interno
di particolari organuli cellulari, i MITOCONDRI.
2) fermentazione anaerobica
Alcuni organismi unicellulari (esempio batteri o lieviti) vivono in assenza di ossigeno,
sono detti ANAEROBI. In questi organismi il glucosio non è demolito completamente fino
a H2O e CO2, ma è trasformato in molecole più grosse, come acido lattico
(fermentazione lattica) o alcol etilico e CO2 (fermentazione etilica). Dato che la
degradazione del glucosio non è completa l'energia liberata è minore. La reazione
effettuata dal lievito è:
C6H12O6 ------- 2C2H5OH
+ 2CO2
Glucosio ------ Alcool etilico + Anidride carbonica
3) formazione dell’ ATP
L'energia liberata dal glucosio non è dispersa come calore, che è una forma di energia
inutilizzabile per la cellula, ma viene in gran parte immagazzinata come ENERGIA
CHIMICA. L'energia chimica è l'energia contenuta nei legami chimici.
Le reazioni sequenziali della glicolisi ( demolizione del glucosio ), sia durante la
respirazione che durante la fermentazione, portano all’utilizzo di una parte
dell'energia libera dal glucosio per convertire l’ADP (adenosia difosfato) in ATP
(adenosina trifosfato), poiché ogni atomo di fosforo agganciato è un trasportatore di
energia che può essere rilasciata al momento opportuno, infatti l'energia è contenuta
nell'ultimo legame con il gruppo fosfato.
Quando la cellula ha bisogno di energia, un gruppo fosfato si stacca dall'ATP, la
rottura del legame libera energia e l'ATP torna ad essere ADP.
La vita cellulare è determinata da reazioni chimiche che avvengono all'interno della
cellula. L'insieme di queste reazioni si chiama metabolismo cellulare, dove si accumula
e si spende energia sottoforma di ATP e ADP in due processi opposti tra loro
denominati:
catabolismo ---------l’insieme dei processi di disintegrazione delle sostanze nutritive.
anabolismo ----------l’insieme dei processi di assimilazione delle sostanze nutritive
LIPIDI
( GRASSI )
Hanno la caratteristica di non essere solubili in acqua, e sono un gruppo chimico
altamente eterogeneo, ma le due classi principali sono:
1 ) lipidi semplici ----- trigliceridi
colesterolo
hanno residui idrofobici e sono formati per
esterificazione di alcooli
( in questo caso il glicerolo ) con lunghe
catene di acidi grassi. Il legame estereo si
forma con la perdita di una molecola di acqua
2 ) lipidi complessi ---- fosfolipidi
hanno residui idrofilici e sono formati dall’uni
one di un residuo fosfato con un acido grasso
che conferisce polarità alla molecola, infatti in
acqua tali molecole tendono a formare gocce
denominate “micelle”
fosfolipide
micella
PROTEINE
STRUTTURA:
Le proteine sono composte da C, O, H, N e S.
I monomeri che costituiscono le proteine si
chiamano AMINOACIDI.
Gli aminoacidi che possono formare le proteine sono
20.
Una proteina è un polimero formato da una
sequenza di aminoacidi che si legano tra loro con un
legame detto peptidico, che impegna il gruppo
carbossilico (-COOH) di un A.A. con quello amminico
( -NH2 )di un A.A. successivo, poiché tali gruppi si
trovano ai 2 estremi di ogni amminoacido.
Per ogni legame peptidico formato si elimina una molecola d'acqua.
Tale legame è quindi il prodotto di una condensazione e potrà essere rotto tramite
un’idrolisi da parte di enzimi specifici
Ogni proteina ha un numero ed una sequenza di aminoacidi ben precisa e caratteristica
della proteina stessa
FUNZIONE:
Le proteine sono delle le “molecole funzionali di tutte le cellule .
Esse svolgono, infatti, la maggior parte delle funzioni cellulari: trasporto, regolazione
delle reazioni cellulari (enzimi), sostegno (citoscheletro).
La catena di aminoacidi si ripiega su se stessa formando una struttura tridimensionale
che la rende capace di svolgere le proprie funzioni.
Le caratteristiche biologiche (la capacità di svolgere la sua funzione) di una proteina
dipendono dalla sequenza secondo la quale sono allineati i suoi aminoacidi.
Una variazione anche minima in questa sequenza può alterare la funzione propria
della proteina (es. globuli rossi di un malato di anemia falciforme).
.
ACIDI NUCLEICI
Gli acidi nucleici sono presenti nelle cellule di tutti gli esseri viventi. Contengono le
informazioni necessarie per sintetizzare tutte le proteine, sia strutturali che
funzionali, necessarie per il mantenimento della vita in ogni singola cellula.
Gli acidi nucleici sono due:
Acido desossiribonucleico (DNA)
Acido ribonucleico (RNA)
STRUTTURA:
I monomeri che costituiscono il DNA e l’RNA si chiamano NUCLEOTIDI.
NUCLEOTIDI
Ogni nucleotide è formato da 3 elementi:
 gruppo fosfato
 zucchero (desossiribosio e ribosio )
 base azotata (composto organico contenente carbonio, idrogeno, ossigeno,
azoto).
Esistono 5 nucleotidi possibili, che differiscono solo per la base azotata presente
che può essere: Adenina, Timina, Guanina, Citosina e Uracile
Le due molecole di DNA e RNA sono formate dall’unione di numerosissime unità
semplici di nucleotidi. I due acidi nucleici differiscono però in base alla composizione
chimica per due composti fondamentali:
1 ) zucchero --------- DNA ( deossiribosio )
RNA ( ribosio )
2 ) basi azotate ------ DNA (Adenina, Timina, Guanina, Citosina )
RNA (Adenina, Uracile ,Guanina, Citosina ) U al posto di T
3 ) filamento -------- DNA ( doppio ) I due filamenti sono poi avvolti su se stessi per
formare una DOPPIA ELICA
RNA ( singolo )
RNA
DNA
Questi nucleotidi si legano l'uno all'altro e formano una sequenza detta Filamento.
L’elica che si forma è composta da due filamenti uniti da deboli legami idrogeno che si
instaurano SOLO TRA BASI AZOTATE COMPLEMENTARI.
A si lega solo con T e U
G si lega solo con C

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