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Biomolecole e struttura cellulare, Dispense di Scienze e tecnologie applicate

Una panoramica dettagliata sulla composizione e la struttura delle biomolecole presenti nelle cellule, come carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. Vengono descritte le caratteristiche e le funzioni di queste macromolecole organiche, inclusi i legami chimici che le costituiscono, la loro classificazione e il loro ruolo fondamentale nei processi cellulari. Inoltre, il testo approfondisce la struttura e il funzionamento degli acidi nucleici, dna e rna, evidenziando il loro ruolo cruciale nella trasmissione e nell'espressione dell'informazione genetica. Questo documento rappresenta una risorsa preziosa per gli studenti di biologia, chimica e discipline affini, fornendo una solida base di conoscenze sulle biomolecole e sulla loro importanza per la comprensione della struttura e del funzionamento delle cellule.

Tipologia: Dispense

2018/2019

Caricato il 26/08/2024

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lia-toledo-1 🇮🇹

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BIOMOLECOLE:
La cellula contiene migliaia cellule di molecole organiche di dimensioni diverse suddivise in 2 classi:
-molecole a basso peso molecolare costituiscono i metaboliti cioè prodotti intermedi o finali delle reazioni
che avvengono nell’ambiente cellulare. Ad esempio, il glucosio, amminoacidi, glicerolo, le piante producono
metaboliti speciali detti metaboliti secondari che hanno funzione di difesa dai predatori o di attrazione
degli impollinatori e sono responsabili del colore della frutta e dei fiori o del loro profumo. Alcuni
metaboliti secondari hanno un’attività biologica come la caffeina e la teina che sono stimolanti del SNC.
-molecole ad alto molecolare, dette macromolecole che sono in gran parte polimeri costituiti dalla
ripetizione di composti di basso peso molecolare, detti monomeri. Sono composti da macromolecole i
carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici (RNA e DNA)
Il nostro corpo utilizza come reagenti le biomolecole e alcune sostanze inorganiche come ossigeno e acqua
per il funzionamento delle nostre cellule.
CARBOIDRATI:
Sono detti monosaccaridi sia come macromolecole dette polisaccaridi. Sono fonte di energia in tutti gli
organismi e componenti strutturali della cellulosa nelle piante, inoltre sono elemento costitutivo della
molecola degli acidi nucleici. L’energia che fornisce è di 4000 kcal/kg. Il corpo umano utilizza i carboidrati
sotto forma di glucosio, composto che è l’unica fonte di energia per il cervello, globuli rossi e bianchi che
non possono utilizzare a tale scopo i grassi, le proteine o altri nutrienti.
Chiamati anche glucidi, zuccheri o saccaridi sono le biomolecole più diffuse nel regno vegetale e animale;
ad esempio latte è una fonte di lattosio, le patate e i cereali di amido, legno, lino e cotone di cellulosa. Sono
composti ternari formati da carbonio, idrogeno, ossigeno di formula Cn(H2o)m. Si dividono in:
-monosaccaridi i più semplici
-oligosaccaridi contenenti da 2 a 10 unità monosaccaridiche
-polisaccaridi polimeri le cui unità ripetitive sono i monosaccaridi
I polisaccaridi e monosaccaridi possono essere scissi in molecole semplici per rottura di acqua->idrolisi
Le molecole più complesse derivano da reazioni di condensazione, i carboidrati sono molecole organiche
polifunzionali contenenti sia molecole organiche polifunzionali contenenti il gruppo carbonilico (aldeidico o
chetonico) sia gruppi alcolici –OH. α-D-GLUCOSIO
MONOSACCARIDI :
Chiamati anche zuccheri semplici perché non si scindono per idrolisi in molecole più piccole. Il glucosio e il
fruttosio sono monosaccaridi nella frutta e miele, i monosaccaridi sono costituiti in genere da catene di 3,
4, 5, 6 atomi di carbonio e sono denominati-> triosi (3 carboni), tetrosi (4 carboni), pentosi (ribosio,
desossiribosio troviamo acidi nucleici->RNA e DNA) ed esosi (glucosio, fruttosio e galattosio sono isomeri
quindi stessa formula bruta ma formula di struttura diversa C6H12O6.
GLUCOSIO:
Può essere sintetizzato solo da organismi fotosintetici (piante, alghe unicellulari eucariote e cianobatteri),
che vengono detti autotrofi. Si trova nella frutta, linfa delle piante, tessuti e sangue degli animali; esso è
utilizzato nella respirazione cellulare come fonte immediata di energia per l’ATP, che funge da
trasportatrice di energia nella cellula. Nel sangue di un uomo adulto vi sono 5 grammi di glucosio, che
coprono il fabbisogno energetico solo per 15 minuti, quindi l’organismo attinge sempre glucosio dal
glicogeno immagazzinato nel fegato. Il glucosio assunto con gli alimenti in eccesso rispetto alle esigenze
energetiche viene in parte convertito in grassi dal fegato (trigliceridi) del tessuto adiposo e in minor
quantità in glicogeno.
DISSACARIDI :
Gli oligosaccaridi più diffusi in natura sono i disaccaridi che derivano dalla condensazione di 2 molecole
dello stesso monosaccaride o di 2 diversi monosaccaridi; i più comuni sono formati da 2 esosi; fra questi vi
sono il saccarosio comune zucchero da tavola di origine vegetale.
LEGAME GLICOSIDICO:
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BIOMOLECOLE:

La cellula contiene migliaia cellule di molecole organiche di dimensioni diverse suddivise in 2 classi:

  • molecole a basso peso molecolare costituiscono i metaboliti cioè prodotti intermedi o finali delle reazioni che avvengono nell’ambiente cellulare. Ad esempio, il glucosio, amminoacidi, glicerolo, le piante producono metaboliti speciali detti metaboliti secondari che hanno funzione di difesa dai predatori o di attrazione degli impollinatori e sono responsabili del colore della frutta e dei fiori o del loro profumo. Alcuni metaboliti secondari hanno un’attività biologica come la caffeina e la teina che sono stimolanti del SNC.
  • molecole ad alto molecolare, dette macromolecole che sono in gran parte polimeri costituiti dalla ripetizione di composti di basso peso molecolare, detti monomeri. Sono composti da macromolecole i carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici (RNA e DNA) Il nostro corpo utilizza come reagenti le biomolecole e alcune sostanze inorganiche come ossigeno e acqua per il funzionamento delle nostre cellule. CARBOIDRATI: Sono detti monosaccaridi sia come macromolecole dette polisaccaridi. Sono fonte di energia in tutti gli organismi e componenti strutturali della cellulosa nelle piante, inoltre sono elemento costitutivo della molecola degli acidi nucleici. L’energia che fornisce è di 4000 kcal/kg. Il corpo umano utilizza i carboidrati sotto forma di glucosio , composto che è l’unica fonte di energia per il cervello, globuli rossi e bianchi che non possono utilizzare a tale scopo i grassi, le proteine o altri nutrienti. Chiamati anche glucidi, zuccheri o saccaridi sono le biomolecole più diffuse nel regno vegetale e animale; ad esempio latte è una fonte di lattosio, le patate e i cereali di amido, legno, lino e cotone di cellulosa. Sono composti ternari formati da carbonio, idrogeno, ossigeno di formula Cn(H2o)m. Si dividono in:
  • monosaccaridi i più semplici
  • oligosaccaridi contenenti da 2 a 10 unità monosaccaridiche
  • polisaccaridi polimeri le cui unità ripetitive sono i monosaccaridi I polisaccaridi e monosaccaridi possono essere scissi in molecole semplici per rottura di acqua-> idrolisi Le molecole più complesse derivano da reazioni di condensazione, i carboidrati sono molecole organiche polifunzionali contenenti sia molecole organiche polifunzionali contenenti il gruppo carbonilico (aldeidico o chetonico) sia gruppi alcolici –OH. α-D-GLUCOSIO MONOSACCARIDI : Chiamati anche zuccheri semplici perché non si scindono per idrolisi in molecole più piccole. Il glucosio e il fruttosio sono monosaccaridi nella frutta e miele, i monosaccaridi sono costituiti in genere da catene di 3, 4, 5, 6 atomi di carbonio e sono denominati-> triosi (3 carboni), tetrosi (4 carboni), pentosi (ribosio, desossiribosio troviamo acidi nucleici->RNA e DNA) ed esosi (glucosio, fruttosio e galattosio sono isomeri quindi stessa formula bruta ma formula di struttura diversa C6H12O6. GLUCOSIO: Può essere sintetizzato solo da organismi fotosintetici (piante, alghe unicellulari eucariote e cianobatteri), che vengono detti autotrofi. Si trova nella frutta, linfa delle piante, tessuti e sangue degli animali; esso è utilizzato nella respirazione cellulare come fonte immediata di energia per l’ATP, che funge da trasportatrice di energia nella cellula. Nel sangue di un uomo adulto vi sono 5 grammi di glucosio, che coprono il fabbisogno energetico solo per 15 minuti, quindi l’organismo attinge sempre glucosio dal glicogeno immagazzinato nel fegato. Il glucosio assunto con gli alimenti in eccesso rispetto alle esigenze energetiche viene in parte convertito in grassi dal fegato (trigliceridi) del tessuto adiposo e in minor quantità in glicogeno. DISSACARIDI : Gli oligosaccaridi più diffusi in natura sono i disaccaridi che derivano dalla condensazione di 2 molecole dello stesso monosaccaride o di 2 diversi monosaccaridi; i più comuni sono formati da 2 esosi; fra questi vi sono il saccarosio comune zucchero da tavola di origine vegetale. LEGAME GLICOSIDICO:

La condensazione di 2 monosaccaridi per formare un disaccaride avviene fra molecole nella forma ciclica ed è accompagnata dall’eliminazione di una molecola d’acqua, i composti ottenuti sono detti glicosidi, legame che si forma è α-glicosidico o β-glicosidico. SACCAROSIO: α-D-GLUCOSIO+ β-D-FRUTTOSIO è presente nella frutta e miele, formula molecolare C12H22O11, nel legame glicosidico sono coinvolti i 2 carboni anomerici e per questo è uno zucchero non riducente. LATTOSIO: β-D-GALATTOSIO+α-D-GLUCOSIO è lo zucchero presente nel latte degli animali, è uno zucchero riducente poiché l’ossidrile C-4 con cui si lega al glucosio è libero di reagire. MALTOSIO: α-D-GLUCOSIO+α-D-GLUCOSIO unite dal legame di tipo 1-4, è uno zucchero riducente. POLISACCARIDI: Sono polimeri costituiti da monosaccaridi uniti tra loro da legami glicosidici. Sono classificati in omopolisaccaridi se sono costituiti da un unico monosaccaride e in eteropolisaccaridi se formati da monomeri diversi. AMIDO: Riserva energetica dei vegetali nei quali si trova accumulato nel citoplasma sotto forma di granuli. Si forma da catene di α-D-GLUCOSIO e costituito da due frazioni:

  • amilosio 20% costituto da catene lineari ed è solubile in acqua
  • amilopectina 80% formata da catene ramificate ed è insolubile in acqua CELLULOSA: Sostanza organica più presente in natura ed è il componente principale della parete cellulare delle cellule vegetali. Si tratta di un polimero lineare di molecole β-D-GLUCOSIO e il nostro organismo è capace di digerire l’amido ma non la cellulosa poiché nel nostro apparato digerente sono presenti solo enzimi capaci di rompere legami α-glicosidici mentre nei ruminanti è possibile digerire la cellulosa. GLICOGENO: Ha la funzione di riserva energetica negli animali dove è immagazzinato sia nel fegato che nei muscoli, è formato da catene ramificate di α-D-GLUCOSIO dovute a legami 1-4 e 1-6. Questo polimero si forma quando nel sangue il glucosio è in eccesso e viene convertito in glucosio nel momento in cui l’organismo necessita di energia; entrambi i processi sono regolati da 2 ormoni-> insulina e glucagone responsabili del mantenimento del livello del glucosio nel sangue. LIPIDI: Si dividono in molte classi con tutte la stessa natura idrofobica (non si sciolgono in acqua), svolgono la funzione di riserva energetica per gli animali e i semi delle piante. Sono i componenti strutturali più importanti delle membrane cellulari dove si trovano sotto forma di fosfolipidi (9000 kcal/kg) così chiamati per la presenza nella molecola di un gruppo contente fosforo. Sono composti con proprietà chimiche e caratteristiche strutturali eterogenee che sono insolubili in acqua e solubili in solventi apolari per la presenza di catene idrocarburiche. Si dividono in classi:
  • saponificabili subiscono la saponificazione, cioè l’idrolisi per riscaldamento con basi forti e comprendono i trigliceridi, fosfolipidi, glicolipidi e cere
  • insaponificabili comprendono gli steroidi (colesterolo) , vitamine liposolubili e terpeni. ACIDI GRASSI: Sono acidi carbossilici a catena lineare, lunga che non si scioglie in acqua, con numero pari di atomi di carbonio tra 4 e 30. Si dividono in:
  • saturi la catena idrocarburica non ha doppi legami ed è quindi flessibile, i composti sono solidi (acido palmitico->latte materno)
  • insaturi struttura rigida dovuta alla presenza di uno o più legami, sono liquidi a temperatura ambiente (acido linoleico->olio di oliva, omega-6, acido linolenico, omega-3 -> assunti tramite la dieta poiché il nostro corpo non li ha)
  • struttura terziaria definisce la forma della proteina ed è responsabile della sua funzione nell’organismo, è determinata dal ripiegamento su sé stessa della catena proteica in seguito all’instaurarsi di legami intramolecolari fra gruppi di amminoacidi. I legami intermolecolari della struttura terziaria sono:
  • legami a idrogeno fra unità amminoacidiche
  • legami ionici tra amminoacidi, ex. Glutammato e arginato
  • ponti disolfuro –-S—S— ossia legami covalenti che si formano per ossidazione del gruppo.
  • interazioni idrofobiche si creano in ambiente acquoso tra catene laterali degli amminoacidi che sono idrofobiche, le proteine in cui sono presenti queste interazioni sono caratterizzate da un’elevata solubilità in acqua. Le proteine sono classificate in base alla struttura terziaria:
  • fibrose prevalgono strutture direzionate (filamenti o foglietti->cheratina, fibre collagene)
  • globulari la forma è raggomitolata (anticorpi, enzimi-> forma ben specifica)
  • struttura quaternaria proteine formate da più catene polipeptidiche dette subunità, è dovuta all’associazione delle subunità di una proteina mediante interazioni di tipo non covalente (emoglobina), è costituita da 4 subunità globulari aggregate in una geometria tetraedrica e ciascuna contiene un gruppo non proteico il gruppo eme ->molecola ciclica contenente uno ione ferro che si lega all’ossigeno. FUNZIONE PROTEINE E STRUTTURA: La funzione è legata alla loro forma, la relazione fra struttura e funzione è evidente nelle proteine fibrose e globulari.
  • proteine con funzione di trasporto come albumina, emoglobina
  • proteine con funzione regolatrice come gli ormoni fra cui insulina e glucagone
  • proteine con funzione di difesa come le immunoglobuline
  • proteine con funzione di catalisi ovvero enzimi che aumentano la velocità delle reazioni chimiche nell’organismo. DENATURAZIONE PROTEINE: L denaturazione delle proteine è la perdita della struttura tridimensionale a causa della rottura delle interazioni covalenti, si riducono le strutture fino alla primaria. Questo processo può avvenire: -elevato aumento di temperatura -variazione ph -uso di solventi organici Un esempio è la cottura dell’uovo e questo processo è irreversibile ma in alcuni casi è reversibile. AMMINOACIDI: Sono composti organici con due gruppi funzionali-> gruppo amminico primario (--NH2) e il gruppo carbossilico (--COOH). L’atomo di carbonio si lega al gruppo amminico-> carbonio α. L’evoluzione naturale ha selezionato un numero limitato di proteine, nell’uomo ce ne sono circa 20 000 tipi diversi (geni per fare proteine con lo splicing alternativo ricavo più proteine diverse). 8/9 amminoacidi detti amminoacidi essenziali non sono sintetizzati dal nostro organismo che deve assumerli con alimenti (in fase adolescenziale non si riesce a sintetizzare tutto-> ISTIDINA. La natura della catena laterale incide sulla carica complessiva della specie amminoacidica in soluzione. Si dividono in:
  • apolari catene laterali non interagiscono con l’acqua per cui prevale la forma neutra a ph fisiologico
  • polari catene laterali possono formare legami a idrogeno con l’acqua e prevale ph fisiologico e forma neutra
  • acidi presenti nel residuo R funzioni acide e prevale la forma con carica negativa (COH)
  • basici nella catena laterale funzioni basiche per cui prevale forma carica positiva (alcaline) LEGAME PEPTIDICO: Nei peptidi e nelle proteine gli amminoacidi si uniscono con legami amminici detti peptidici che si formano dalla reazione di condensazione tra gruppo carbossilico di un amminoacido e gruppo amminico di un altro amminoacido. Prevale ed è difficile da rompere per farlo ci deve essere un’alta temperatura o enzimi che rompono il legame come stomaco-> pepsina. 3 amminoacidi formano un tripeptide da 4 a 10 oligopeptide e più di 10 polipeptide ACIDI NUCLEICI:

Sono depositari del patrimonio genetico (genoma) della cellula e addetti alla trasmissione, formati da 4 tipi di monomeri detti nucleotidi. Contengono l’informazione genetica e sono responsabili della sua trasmissione, i più importanti sono: acido desossiribosio DNA e acido ribonucleico RNA sono polimeri le cui unità monomeriche costitutive sono i nucleotidi formati da una base organica azotata, uno zucchero pentoso e da uno a tre gruppi fosfato, le basi azotate sono composti ciclici di carbonio, azoto e idrogeno derivati dalla pirimidina che sono citosina, timina (solo DNA) e uracile (solo nell’RNA) e purina che sono adenina e guanina. DNA: Sostanza depositaria del patrimonio genetico della cellula, lo scheletro consiste in una sequenza di desossiribosio e gruppi fosfato uniti da legame covalente. Le basi adenina, citosina, guanina e timina (adenina-timina con 2 legami a idrogeno, citosina-guanina con legami a idrogeno) sono lateralmente, presenta un modello a doppio elica infatti la molecola di DNA è costituita da 2 filamenti di nucleotidi avvolti in senso opposto in una doppia spirale destrorsa. Ogni tratto di DNA è detto gene che contiene le istruzioni per la sintesi di una proteina e l’insieme di essi crea il patrimonio genetico o genoma di una persona. L’informazione presente su ogni gene è codificata in sequenze lineari di nucleotidi ciò avviene in catene polipeptidiche mediante la sintesi proteica che ha 2 tappe:

  • trascrizione copiatura della sequenza su una molecola RNA messaggero il quale si sposta dal nucleo al citoplasma dove si associa a un ribosoma
  • traduzione utilizzo dell’informazione dell’M-RNA RNA: Sostanza addetta alla sintesi proteica sulla base dell’informazione genetica -non ha struttura a doppia elica ma ha un solo filamento avvolto a elica -ha il ribosio al posto del desossiribosio -ha l’ uracile al posto della timina -lunghezza filamento varia tra i vari tipi di m-RNA: 1 RNA MESSAGGERO trascritte le informazioni del DNA, è specifico per una proteina 2 RNA TRASPORTO traduce le informazioni dell’m-RNA, il t-RNA trasporta sui ribosomi gli amminoacidi 3 RNA RIBOSOMIALE costituente dei ribosomi