PERCHE’? La biologia può essere considerata una scienza adatta a soggetti dotati di spirito di avventura perché osservare, esplorare, capire un ambiente e le sue relazioni, le sue varietà di forme di forme di vita è un avventura difficile che, può essere anche portata in laboratorio, dove è possibile osservare da vicino come funzionano i sistemi viventi (gli organismi). Modulo Botanica • Approcciare, le unità fondamentali della vita nel mondo microscopico, le cellule, o nel submicroscopico, i costituenti della vita, le molecole. La biologia del passato. La biologia moderna. • Riconoscere ed unificare i concetti e gli argomenti della biologia, disponibili oggi. • Studiare la vita a molteplici livelli, da quello molecolare a quello cellulare, dal microscopico al macroscopico come risulta essere l’ambiente in cui viviamo: l’ecosistema terrestre. La biologia è una scienza multidisciplinare, che richiede conoscenze di chimica, fisica, matematica. Richiede versatilità. Indagine scientifica La prassi scientifica, comprende l’acquisizione di dati tramite osservazioni e/o misure, la formulazione di un’ipotesi e la verifica di questa mediante il meccanismo ipoteticodeduttivo. Il grado di attendibilità di un’ipotesi dipende dal livello di ripetibilità delle osservazioni e degli esperimenti. Osservazioni quesito ipotesi previsione verifica Introduzione Ciascun vivente nasce, cresce, genera progenie a lui simili e muore. Tutto ciò rappresenta la più evidente manifestazione della vita. Perché un vivente può realizzare questi eventi ? Tutti i viventi possiedono delle caratteristiche comuni Le proprietà della vita Organizzazione 1 apparato organo tessuto cellula organulo molecola biosfera ecosistema comunità popolazione particelle subatomiche organismo Tutti i viventi sono formati da materia, organizzata in molecole, come i non viventi. La composizione chimica del vivente è, tuttavia, qualitativamente diversa rispetto a quella dell'ambiente che lo circonda. Le molecole dei viventi, inoltre, sono organizzate in “impalcature” che costituiscono sistemi altamente complessi. La vita è organizzata su più livelli di complessità crescente Le proprietà della vita 2 Capacità di trasformare materia ed energia Attraverso la nutrizione il cibo Per mantenere la loro particolare organizzazione i viventi devono assumere materia e “spendere” energia. L’energia è indispensabile per trasformare la materia in strutture viventi. viene trasformato in materia vivente Le proprietà della vita 3 Capacità di rispondere agli stimoli Un vivente può muoversi per afferrare la preda, per sfuggire al pericolo, o, come nel caso delle piante, per “inseguire”la luce. Un vivente è inoltre in grado di trasformarsi per sopravvivere anche in condizioni avverse (evoluzione). 4 Un vivente è in grado di reagire di fronte al pericolo e di adattarsi ai cambiamenti ambientali Adattamento Le proprietà della vita 5 Capacità di moltiplicarsi Qualsiasi organismo vivente è destinato presto o tardi a scomparire: con la riproduzione la vita passa da un individuo all’altro, permettendo la perpetuazione della specie. La riproduzione consente di mantenere la vita nel tempo Riassumendo… • Organizzazione • Capacità di trasformare materia ed energia • Capacità di rispondere agli stimoli • Adattamento • Capacità moltiplicarsi. Il protoplasma La materia vivente Acqua, Sali e componenti minerali Amminoacidi e proteine Acidi nucleici Glucidi Lipidi Metaboliti secondari L’ACQUA…la sorgente della vita È il costituente chimico più abbondante della materia vivente Sembra semplice l’acqua... Dal punto di vista chimico l’acqua è un composto di idrogeno ed ossigeno La sua molecola consiste di due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno …ma non lo è Sono state elencate almeno 37 anomalie dell’acqua, cioè comportamenti anomali che l’acqua ha rispetto ad altri composti chimicamente simili: •alto punto di fusione •alto punto di ebollizione •alto punto critico •alta tensione superficiale •alta viscosità •si contrae quando fonde •la sua densità aumenta all’aumentare temperatura (fino a 3.984°C) •bassa compressibilità •alto calore specifico •…ecc…ecc…………… della Le proprietà fisiche e chimiche dell’acqua sono straordinariamente complicate e non ancora completamente note e capite Nel “range” delle Temperature ordinarie sulla Terra (-40°C - +40°C ) Idrogeno e Ossigeno... ...sono dei gas …ma se si legano danno origine ad un liquido raffreddando il quale si ottiene un solido …nella cellula È indispensabile per le attività metaboliche della cellula, in quanto le reazioni enzimatiche avvengono in un mezzo acquoso L’idratazione varia a seconda degli organismi, può essere in forma : Libera, rappresenta il 95% dell’acqua cellulare totale e serve come solvente per ioni minerali e come mezzo disperdente delle macromolecole del protoplasma. Combinata, legata a proteine e zuccheri mediante legami idrogeno o altre forze I sali inorganici Sono presenti nella materia vivente dissociati in ioni. I cationi più importanti sono: Alcuni metalli pesanti, come il ferro, sono presenti in piccola Na+, K+, Ca++,Mg++; quantità. anioni più importanti Il manganese,gli il rame, il vanadio, lo zinco, ilsono: nichel, il -, SO44-, CO3molibdeno e loCl stagno sono in, piccolissime quantità , POpresenti NO3-. che tuttavia sono indispensabili per il normale svolgimento delle attività cellulari. Proprietà fondamentale del protoplasma è che la concentrazione dei esempio, diversi ioni all’interno cellula è diversa da quella dei Per gli ioni K+ e Mg++della , predominano nell’interno della cellula, mentre gli ioni Na+e liquidi Cl-, sono soprattutto localizzati nei liquidi interstiziali. interstiziali. Aminoacidi e proteine Esistono decine di migliaia di diverse proteine. In ciascun essere vivente esse svolgono funzioni fondamentali che nessun altro tipo di molecola potrebbe svolgere. Nella cellula catalizzano migliaia di differenti reazioni chimiche (Enzimi) Permettono il passaggio selettivo di molecole attraverso la membrana (Canali Ionici e Pompe). Trasportano specifiche molecole sia nelle cellule che nei fluidi esterni Attaccano selettivamente gli agenti esterni. Regolano lo sviluppo e orchestrano il funzionamento dell’intera cellula Hanno funzione strutturale sia all’interno della cellula (citoscheletro) che al di fuori. Fungono da messaggeri chimici (Ormoni) Presiedono al movimento sia all’interno della cellula (cilia, trasporto assoplasmatico) sia a livello di sistema. Struttura chimica delle proteine Ciascuna proteina è un polimero costituito da una serie di componenti di base, gli aminoacidi legati tra loro Sono praticamente gli stessi in tutti i viventi Esistono circa 20 diversi aminoacidi legati tra loro con un legame (che si chiama legame peptidico) Ciascuna proteina e costituita da un numero variabile di aminoacidi. Le più piccole sono costituite da pochi aminoacidi (in realtà quelle più piccole vengono chiamate polipeptidi) Arginina valina triptofano Lisina Alanina valina Prolina triptofano valina Le più grandi possono essere costituite anche da 5.000 aminoacidi Proteine Ciascuno dei 20 aminoacidi ha: una parte comune agli altri e una parte che è specifica per quell’aminoacido H NH2-C-COOH R È la porzione dell’aminoacido che serve a formare il legame peptidico (con gli altri aminoacidi) Residuo aminoacidico Chiamato anche con i termini: Catena laterale Gruppo R Il residuo aminoacidico nei 20 aminoacidi differisce per il numero di atomi di C e per la presenza di gruppi funzionali Esso fornisce proprietà diversa a ciascuno dei 20 aminoacidi I 20 aminoacidi differiscono tra loro in quanto: I residui sono carichi oppure elettricamente neutri I primi possono avere carica positiva o negativa Alcuni hanno residui idrofobici mentre altri hanno residui polari I residui hanno ingombri molto diversi Alcuni residui hanno gruppi funzionali peculiari Questa differenza nelle caratteristiche dei Residui Aminoacidici determina sia la struttura tridimensionale della proteina che le sue funzionalità I venti aminoacidi Elettricamente carichi ES: L’acido glutammico o glutammato ES: L’Istidina Proteine Polari ma non carichi Aminoacidi particolari Idrofobici Proteine Proteine Il legame peptidico La porzione comune ad ogni aminoacido è costituita da un C cui sono legati il gruppo R, un idrogeno e due gruppi funzionali: un gruppo aminico H NH2 NH2 un gruppo carbossilico C R COOH Il legame peptidico è un legame covalente e si forma tra il gruppo aminico NH2 di un aminoacido e il gruppo carbossilico COOH dell’altro H NH2-C-COOH R H NH2-C-COOH R COOH R R R R Proteine E’ utile definire 2 angoli torsionali: •: rotazione intorno a C-N •: rotazione intorno a C -C’ In una proteina sono individuabili 4 livelli strutturali: 1. Struttura primaria = sequenza lineare di aminoacidi 2. Struttura secondaria = struttura locale della catena (-elica, -sheet, …) 3. Struttura terziaria = struttura 3D globale 4. Struttura quaternaria = disposizione spaziale di subunità diverse Acidi Nucleici Gli acidi nucleici rivestono un ruolo importante. PERCHE’? Sono presenti in tutti gli organismi viventi Portano l’informazione genetica e quindi sono depositari dei caratteri ereditari e dirigono le sintesi proteiche della cellula Cosa sono? Sono biomolecole formate da C, H, O, N, P organizzati in catene di nucleotidi, infatti questo tipo di macromolecola è la più complessa che ci sia. I due tipi di acidi nucleici più importanti e conosciuti sono il DNA (acido desossiribonucleico) e l’RNA (acido ribonucleico). Nucleotidi Il nucleotide è l’unità di base degli acidi nucleici, esso è formato dall’acido fosforico (H3PO4 ), da un monosaccaride pentoso che è il ribosio (C5H10O5) per l’RNA ed è invece il deossiribosio (C5H10O4) per il DNA e infine da basi azotate che sono adenina, guanina, citosina, uracile per l’RNA e da adenina, guanina, citosina, timina per il DNA. Come sono legate queste molecole tra di loro negli acidi nucleici? Gli acidi nucleici, sono formati dall’associazione secondo un ordine specifico (sequenza o struttura primaria) di numerosi mononucleotidi appartenenti a 4 classi diverse che, differiscono appunto per la base purinica e pirimidinica. Nel nucleotide, la molecola di pentosio lega lateralmente la base purinica o pirimidinica con l’atomo di carbonio in posizione 1’ e, con l’atomo di carbonio in posizione 3’ o 5’ l’acido fosforico. Catena nucleotidica L’acido fosforico collega i nucleosidi mediante legami diestere-fosforici tra il C in 3’ del pentoso di un nucleoside e l’atomo di C in 5’ del pentoso del nucleoside contiguo. In questo sono utilizzati 2 dei gruppi acidi dell’acido fosforico; il gruppo acido rimanente può essere utilizzato per formare legami ionici con proteine basiche. Questo gruppo acido libero è responsabile della basofilia degli acidi nucleici. La molecola di pentosio lega lateralmente con l’atomo di carbonio in posizione 1’ la base purinica o pirimidinica Catena nucleotidica Una lunga serie di nucleotidi si possono associare in questo modo a formare una catena polinucleotidica, con un orientamento caratteristico. La catena è costituita da uno scheletro di residui fosforici e pentosici alternati dal quale si irradiano lateralmente le basi puriniche e pirimidiniche Dove sono? Nella cellula procariotica Il materiale genetico si trova sotto forma di una grossa molecola di DNA circolare, cui sono debolmente legate varie proteine. La molecola è chiamata cromosoma ed è localizzato in una regione detta nucleoide. Nella cellula eucariotica Il DNA è lineare, strettamente associato a speciali proteine(gli istoni) e forma numerosi complessi cromosomici. Sono contenuti in un organulo, il nucleo, che li mantiene separati dagli altri componenti cellulari. Inoltre è presente un DNA mitocondriale circolare, ed in particolare nelle cellule vegetali, un DNA cloroplastico. Struttura del DNA Nel 1953 in seguito agli studi di diffrattometria di Wilkins e Franklin, i due futuri premi Nobel, Watson e Crick, proposero un modello spaziale di struttura del DNA (struttura secondaria) che meglio di ogni altro spiega le proprietà fisicochimiche e biologiche del DNA. Il DNA è composto da 2 catene polinucleotidiche affrontate, che decorrono in direzione opposta e sono avvolte a spirale a formare una doppia elica. Le due catene sono collegate tra di loro mediante legami ad idrogeno fra le basi affrontate. I 2 assi laterali sono formati da residui fosforici e di deossiribosio alternati e da una porzione interna costituita dalle basi appaiate. Ciascuna catena termina ad un’estremità con l’atomo di carbonio in posizione 3’ del pentosio libero, cioè non impeganto nel legame diestere-fosforico, ed alla estremità opposta con l’atomo di carbonio libero in posizione 5’. Le 2 catene sono di polarità opposta(antiparallele), quindi l’estremità 3’ di una catena si affronta all’estremità 5’ della catena complementare. Legame Guanina-Citosina Legame Adenina-Timina Da cosa è formato l’RNA? La struttura primaria, cioè la sequenza dei nucleotidi, dell’RNA contiene RIBOSIO al posto del desossiribosio ed uracile invece di timina. Struttura secondaria dell’RNA Le molecole di RNA sono costituite da una singola catena polinucleotidica. Questa catena può ripiegarsi su se stessa e costituire segmenti a doppio filamento, mantenuti da ponti ad idrogeno tra basi appaiate. Classi di RNA + importanti mRNA rRNA Porta l’informazione per le sintesi proteiche dal DNA ai ribosomi; Si associa a proteine forma organuli submicroscopici presenti nel citoplasma, i ribosomi che sono la sede delle sintesi proteiche della cellula; tRNA Trasferiscono sui ribosomi gli aminoacidi attivati corrispondenti ai messaggi contenuti nell’mRNA. Altri tipi di RNA sono: Catalytic RNAs (cRNA): catalizzano molte reazioni nel citoplasma della cellula. Small Nuclear RNA (snRNA): I snRNAs hanno vai ruoli nei processamenti, come lo splicing (la rimozione degli introni dall'hnRNA), la regolazione dei fattori di trascrizione o della stessa RNA polimerasi II (B2 RNA) o il mantenimento dei telomeri. Small Nucleolar RNA (snRNA): ce ne sono circa 100 e si trovano nel nucleolo dove sono coinvolti in molte funzioni inclusa quella di costruzione dei ribosomi. La molecola di ATP I nucleotidi liberi rivestono un ruolo importante come blocchetti da L’energia presente nei nucleotidi costruzione, ma quando vengono modificati, modificati,è immediatamente in seguito all’aggiunta disponibile. di 2 gruppi fosforici, diventano i trasportatori dell’energia che serve Il principale trasportatore alla cellula per numerosi processi e dell’energia è rappresentato reazioni. dall’ATP, che con l’idrolisi dei suoi legami deboli, fornisce immediatamente energia. Glucidi dal greco "glucus" che significa dolce I carboidrati o idrati di carbonio appartengono a 3 classi: Monosaccaridi o zuccheri semplici che possono essere a • 3 atomi di carbonio, triosi • 5 atomi di carbonio, pentosi 6 atomi, esosi 7 atomi di carbonio, eptosi. È una condivisione di e- tra Disaccaridi, costituiti da atomi, 2 monosaccaridi adche anello, in modo tale ognilegati con legame glicosidico ( unabbia ossigeno centrale legato atomo un guscio di valenza covalentemente a 2 atomi di carbonio). completo Polisaccaridi, formati dalla condensazione di molte molecole di monosaccaridi con la perdita corrispondente di molecole di acqua. Sono quindi polimeri di monosaccaridi. I polisaccaridi più importanti sono il glicogeno, l’amido, la cellulosa. Il glicogeno e l’amido sono sostanze di riserva, rispettivamente nelle cellule animali e vegetali. Il glicogeno è un omopolimero ramificato del glucosio con legami α(1,4) e ramificazioni con legame α -(1,6) presenti ogni 8-10 residui La cellulosa, polisaccaride insolubile, è presente nelle cellule vegetali dove costituisce l’elemento chimico più importante nella struttura della parete cellulare esterna. L’amido, carboidrato di riserva, dove le subunità di a-glucosio, sono unite da legami α-1-4, ha tutte le unità ripetitive orientate nella stessa direzione. Ogni unità ripetitiva di β-glucosio, della catena principale è ruotata di 180° rispetto all'unità che la precede, formando legami b1-4 I lipidi dal greco lipos-grasso •A differenza delle proteine, degli acidi nucleici e dei polisaccaridi, I LIPIDI non sono polimeri composti di monomeri con proprietà simili come amminoacidi, nucleotidi, o monosaccaridi. •Piuttosto, i lipidi hanno una comune proprietà fisica: essi sono insolubili in acqua e solubili in solventi organici. •Due delle maggiori funzioni dei lipidi sono di servire come •Forma di deposito di energia •La base strutturale delle membrane cellulari. •Molte molecole lipidiche sono molecole anfipatiche: esse contengono un gruppo di testa polare ed una coda apolare. In un solvente acquoso le molecole dei lipidi si associano per mezzo delle interazioni di Van der Waals per formare strutture sovramolecolari quali monostrati, micelle, doppiostrati o vescicole. I lipidi Sono sostanze organiche insolubili in acqua e, sono un'importante fonte di energia per la cellula. La base chimica è rappresentata da acidi grassi a catena più o meno lunga (acido acetico, acido butirrico, acido propionico…fino agli acidi stearico e palmitico a oltre 10 atomi di carbonio) esterificati. Acido acetico in ogni reazione diè formazione legame, si forma esterificazione la reazione didel preparazione di un 1estere molecola d’acqua ossidrilico dell’alcool per reazione traquando un alcolun edgruppo un acido. La reazione fu reagisce coneilmessa gruppo carbossilico di un Nobel acido grasso scoperta a punto dal premio Hermann Emil Fischer nel 1895 I triacilgliceroli - noti come trigliceridisono costituiti da glicerolo(alcool a 3 atomi di cabonio con 3 gruppi -OH) unito a 3 acidi grassi (catena idrocarburica non ramificata alla cui estremità si trova un gruppo carbossilico-COOH). Non contengono gruppi polari, quindi poste in acqua, tendono a raggrupparsi(idrofobia). Acidi grassi: saturi o insaturi? Saturo- non ci sono Le proprietàdoppi fisichelegami di un tra gli di Carbonio grasso sonoatomi determinate dalla lunghezza delladelle sua molecola. catene di atomi di Insaturo- quando gli carbonio degli acidi grassi di Carbonio e dal grado atomi di saturazione. della molecola di acido grasso sono unite da doppi legami.quindi maggiore ingombro; si Si ripiegano, abbassa il punto di fusione del grasso e quindi essi hanno la tendenza ad essere liquidi a T° ambiente. Fosfolipidi I fosfolipidi, sono molecole caratterizzate dal fatto di avere un’estremità idrofoba ed una idrofila. Hanno un importante ruolo strutturale soprattutto nelle membrane cellulari. Testa idrofila Coda idrofoba Cutina Suberina Cere Sono dei lipidi che fanno parte dei componenti La suberina è il principale componente delle strutturali della parete cellulare di molte piante. pareti delle cellule del sughero, di quelle Formano una matrice dove si trovano incluse le cere, cellule, cioè, che formano lo strato più esterno della corteccia. Al micr. Elettronico, composti lipidici a lunga catena. le pareti suberificate, hanno un aspetto Le ceredove insieme cutina lamellare, le bandealla chiare sono ed alla suberina formano delle costituite le scurebarriere da suberina.che impediscono la perdita, in veredaecere, proprie particolare dell’acqua, dalle superfici vegetali. Le pareti esterne delle cellule epidermiche, delle foglie e dei fusti, sono spesso ricoperte da 1 strato di cuticola, che è cera racchiusa nella cutina (cera cuticolare) questa è spesso ricoperta da uno strato di cera epicuticolare (es lucida una mela). Foglia di Eucalyptus cloeziana in cui si osservano depositi epicuticolari di cera. Metaboliti secondari Nelle piante è possibile trovare altre biomolecole di solito in bassa percentuale, che hanno un ruolo importante: metaboliti secondari. Sono indicati anche come composti allelochimici e micromolecolari, data la limitata grandezza delle loro molecole; non sono esclusivi dei vegetali e, non sono necessari per le funzioni cellulari generali, ma sono importanti ecologicamente per la pianta. La loro produzione richiede un dispendio energetico da parte della pianta, quindi vengono accumulati in specifiche parti della pianta. Alcaloidi Morfina, nicotina, teofillina, caffeina, atropina, colchicina….ce ne sono circa 6500… Metaboliti secondari delle piante, sono sostanze metabolicamente attive nelle piante superiori e la loro biosintesi e il loro catabolismo giocano un importante ruolo nell'ecologia e nella fisiologia vegetale. Recentemente sono stati isolati anche in animali, insetti, batteri, funghi e muschio. Sono inoltre tra i più antichi farmaci e tuttora rivestono una grande importanza nella medicina moderna. Anche nel campo della fisiologia delle piante lo studio degli alcaloidi è importante sia per capire quali siano le loro esatte funzioni nelle piante, sia come aiuto tassonomico. Non esiste ad oggi una definizione soddisfacente e completa di alcaloide ma in genere si classificano come: veri alcaloidi, sono quei composti che sono basi azotate organiche, usualmente eterocicliche, di origine vegetale, elaborate da amminoacidi, con limitata distribuzione e con attività farmacologica. Esistono numerose eccezioni a questa definizione, cioè alcaloidi neutri, prodotti da funghi come la Claviceps purpurea, di origine animale pseudoalcaloidi o criptoalcaloidi sono quei composti che non sono derivati da amminoacidi (alcaloidi steroidei e terpenici) protoalcaloidi sono quei composti che hanno l'atomo di azoto in una struttura aciclica e non sono basici (efedrina); genalcaloidi si definiscono quei derivati che sono N-ossidi di (genatropina, geneserina, genostricnina). alcaloidi Gli alcaloidi sono comunemente: sostanze quaternarie (contenenti carbonio, idrogeno, ossigeno ed azoto) solide, cristallizabili, mentre si possono avere anche derivati ternari (privi di ossigeno) in genere liquidi, volatili ed odorosi (nicotina, sparteina, coniina) e qualche composto quinario. idrosolubili si accumulano nei vacuoli e non sono reperibili nei tessuti morti; presenti in svariati organi della pianta: radici, corteccia, foglie, frutti, semi, steli, ecc., anche se principalmente sono concentrati nei semi. incolori basici con pKb compreso tra 6-12 ma principalmente concentrato tra 7-9. difficilmente si trovano allo stato libero, ma sono per lo più salificati. Correntemente il numero di alcaloidi conosciuti è di circa 100.000 principalmente derivati dalle Angiosperme, da funghi e da animali. Nel regno vegetale la loro distribuzione è piuttosto ampia infatti in 34 ordini su 60 (circa il 40% delle famiglie e il 9% dei generi) sono state riscontrate specie che producono alcaloidi. Le più importanti famiglie sono: Amarillidaceae, Compositae, Lauraceae, Papaveraceae, Rutaceae e Solanaceae. Leguminosae, Liliaceae, CLASSIFICAZIONE chimica che si basa sull'uso della struttura chimica più semplice alla quale gli alcaloidi possono essere ricondotti; botanica che si basa sulla loro provenienza botanica, cioè sulla famiglia di appartenenza; chemiotassonomica che si basa contemporaneamente su criteri botanici morfologici classici e su criteri chimici; nasce dalla considerazione che la distribuzione degli alcaloidi nelle piante è strettamente correlata a strutture citologiche ed anatomiche simili; biosintetica che si basa sull'identificazione dell'amminoacido o il composto da cui derivano; farmacologica che si basa sulla loro principale azione farmacologica. RUOLO BIOLOGICO NELLE PIANTE Non è ancora chiaro quali siano il ruolo biologico degli alcaloidi e perché vengano prodotti. Alcune delle motivazioni, che meglio lo spiegano, sono: difesa chimica contro attacchi di predatori; riserva di azoto; prodotti finali del metabolismo e/o prodotti di rifiuto; regolatori di crescita. La cellula : espressione minima della vita Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule: è la cellula la più piccola porzione organizzata di materia che possiede le caratteristiche della vita. si autoregola scambia materia ed energia CELLULA con l’ambiente si può evolvere si riproduce FINE [email protected] [email protected]