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INQUINAMENTO DOVUTO AGLI IDORCARBURI (tema ambiente)
Gli idrocarburi sono i composti organici più semplici che si conoscano in quanto sono costruiti da carbonio e idrogeno (composti binari). Gli idrocarburi si dividono in ALIFATICI E AROMATICI: Spostiamo la nostra attenzione sugli IDROCARBURI POLICICLICI AROMATICI (IPA). Essi sono idrocarburi costituiti da due o più anelli aromatici quali quelli del benzene fusi fra loro in un’unica struttura planare. ESEMPI DI IPA: Gli idrocarburi sono usati come combustibili: etano, propano, petrolio (ricavato dalla benzina). Oppure possiamo trovare il naftalene (usato come antitarmico per i tessuti) o il fluorene (per i pigmenti o coloranti). STRUTTURA DEGLI IPA: le molecole di IPA sono costituite da un gruppo di atomi di carbonio ibridati sp2 legati tra loro in anelli condensati, che hanno in comune almeno due atomi di carbonio adiacenti, ciascuno con il proprio orbitale pz occupato da un elettrone spaiato. Si crea perciò un legame sigma formato da orbitali ibridi e i due pz si uniscono formando un legame pigreco (più debole rispetto al sigma perché la superficie di sovrapposizione è inferiore).
COME VENGONO INGERITI:
La presenza di più anelli aromatici conferisce agli IPA bassa reattività, alti punti di fusione ed ebollizione. Una volta ingeriti o inalati, gli IPA sono rapidamente assorbiti attraverso il tratto gastro-intestinale o l’epitelio polmonare, e distribuiti in vari tessuti(soprattutto quelli più ricchi di grasso). In genere il primo passo del metabolismo degli IPA è una ossidazione. Sono potenti inquinanti atmosferici e la loro formazione avviene nel corso di combustioni incomplete di: combustibili fossili; processi industriali (produzione di ferro o alluminio); inceneritori; fumo di tabacco; cottura di alimenti su fiamma poiché essi vengono contaminati dall’ambiente (cereali, carni grigliate a causa del grasso fuso dovuto alle alte temperature che produce IPA che si volatilizzano, pesce, formaggi affumicati, patate, frutta, crostacei per assorbimento tramite acque inquinanti); bruciare particolari tipi di legna (con residui di vernici, solventi, o antiparassitari). IPA SULL’ESSERE UMANO Sono inquinanti che generano allerta perché sono stati identificati come cancerogeni, mutageni e teratogeni. Essi sono sostanze elettrofile che reagiscono direttamente con il DNA per formare legami covalenti e quindi dare origine a mutazioni. I meccanismi d’azione possono essere: inibire il potere del sistema immunitario alterare l’azione ormonale accrescere l’effetto di altri cancerogeni gli effetti sulla saluta sono innumerevoli soprattutto sulle donne gravide provocando al nascituro: sviluppo ritardato del feto, peso inferiore alla media, circonferenza cranica inferiore alla media, danni al DNA, distruzione del sistema endocrino (estrogeno, tiroideo, steroideo). Alle donne viene riscontrata una menopausa precoce correlata con la distruzione degli ovuli. I principali tumori che possono insorgere a causa degli IPA sono: alla pelle, ai linfonodi, al polmone, alla vescica urinaria, leucemie, mesotelioma (cancro che ha origina delle cellule del mesotelio, ossia la membrana protettiva che riveste il torace, l’addome e lo spazio interno al cuore). Perciò, gli IPA sono presenti, in quantità variabili, pressoché in tutti gli alimenti. Ciò è dovuto alla contaminazione ambientale dovuta a processi di lavorazioni industriali.
La variazione di energia potenziale in una reazione chimica si può rappresentare con il profilo di reazione. Il PROFILO DI REAZIONE è un diagramma che esprime la variazione di energia potenziale (ordinata) in funzione del tempo di reazione (ascissa). Abbiamo due tipi di reazioni: REAZIONE ESOERGONICA : i prodotti hanno un’energia potenziale minore di quella dei reagenti, libera energia termica. REAZIONE ENDOERGONICA: i prodotti hanno un’energia potenziale maggiore dei reagenti, assorbe energia termica. L’ ENERGIA DI ATTIVAZIONE è il valore minimo di energia che le molecole dei reagenti devono avere per potersi trasformare nelle molecole dei prodotti.
L’ AZIONE CATALITICA di un enzima consiste nell’aumentare la velocità di una reazione e si esplicita abbassando l’energia di attivazione della reazione. Quindi, il ruolo degli enzimi è quello di abbassare la barriera di energia che le molecole del substrato devono superare per essere trasformate nei prodotti. Il meccanismo di reazione comprende tre stadi: Formazione del complesso enzima-substrato : l’enzima si combina al substrato per formare il complesso enzima-substrato. Formazione del complesso enzima-prodotti : complesso enzima-substrato ha formato il complesso attivato, instabile e caratterizzato da un’energia minore di quella che avrebbe in assenza dell’enzima. Il complesso attivato si trasforma in molecola del prodotto creando il complesso enzima-prodotto. Distacco del prodotto dall’enzima : il prodotto ha caratteristiche diverse dal substrato perciò vi è il distacco dal sito attivo e l’enzima può così catalizzare una nuova reazione.
E + S → ES → EP → E + P
CATABOLISMO DEL GLUCOSIO:
l’energia contenuto nei legami chimici del glucosio è estratta tramite tre processi catabolici: la glicolisi, la respirazione cellulare e la fermentazione. La GLICOLISI : tramite una serie di reazioni, il glucosio (6 atomi di carbonio) è convertito in piruvato (3 atomi di carbonio). Durante il processo si libera una piccola quantità di energia che viene accumulata sotto forma di ATP e NADH. La glicolisi è un processo anaerobico perché non richiede ossigeno. La glicolisi si svolge nel citoplasma di tutte le molecole e comprende dieci reazioni catalizzate da uno specifico enzima. Durante le reazioni della glicolisi si verifica l’ossidazione incompleta della molecola di glucosio con formazione di due molecole di piruvato e la liberazione di energia chimica. Le dieci tappe della glicolisi si possono raggruppare in due fasi principali: FASE ENDOERGONICA: assorbimento di energia mediante due molecole di ATP. FASE ESOERGONICA: liberazione di energia mediante la sintesi di quattro molecole di ATP e la riduzione di due mole di NAD+ in NADH. In assenza di ossigeno, alla glicolisi segue la FERMENTAZIONE. Perciò è un processo anaerobico trasforma il piruvato in lattato o etanolo. Si libera una quantità minore di energia rispetto alla respirazione cellulare. Produce 2 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio ossidata. In presenza di ossigeno, alla glicolisi segue la RESPIRAZIONE CELLULARE. Il piruvato si ossida ulteriormente formando acqua e diossido di carbonio. Questo processo è quindi aerobico (presenza di ossigeno). Durante la respirazione cellulare si libera una grande quantità di energia sotto forma di ATP. Produce 32 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio ossidata.
RESPIRAZIONE CELLULARE:
La respirazione cellulare avviene nei MITOCONDRI , organuli avvolti da una doppia membrana: La membrana mitocondriale esterna è liscia e permeabile a piccole molecole e ioni che si muovono liberamene attraverso i canali di trans membrana formati da proteine dette porine. La membrana mitocondriale interna, estesa e ripiegata a forma di creste, è invece impermeabile alle molecole di piccole dimensioni e agli ioni. Perciò i mitocondri hanno due compartimenti: Lo spazio inter membrana: posto tra la membrana esterna e quella interna. Matrice mitocondriale: delimitata dalla membrana interna. La respirazione cellulare comprende tre vie metaboliche in sequenza:
- La DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA DEL PIRUVATO: Il piruvato si ossida ad acetil-coenzima A (a due atomi di carbonio) con liberazione di una molecola di CO2 e la riduzione di una molecola da NAD+ a NADH. Ciò avviene nella matrice mitocondriale. Perciò, per ogni molecola di glucosio si ottengono: 2 di CO2, 2 di acetil-CoA e 2 di NADH.
- CICLO DI KREBS : ossida completamente i due atomi di carbonio del gruppo acetile con al produzione di due molecole di CO2. L’energia rilasciata è accumulata sotto forma di coenzimi ridotti (NADH E FADH). Avviene nella matrice mitocondriale.
- FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA : riossida i coenzimi ridotti NADH e FADH, liberando elettroni e protoni. lungo il processi viene accumulata energia sotto forma di ATP. L’ossidazione del glucosio, del piruvato e del gruppo acetile producono molte molecole di NADH e FADH: queste molecole contengono un’elevata quantità di energia che viene usata nella fosforilazione ossidativa per sintetizzare l’ATP. La fosforilazione ossidativa ha due processi distinti: o Il processo inizia con l’ingresso di NADH e FADH nella catena respiratoria mitocondriale che si trova nella membrana interna del mitocondrio, fino ad arrivare all’ossigeno. o Nel mentre si crea un gradiente elettrochimico che sostiene la produzione di ATP attraverso il processo di chiemiosmosi.
FERMENTAZIONE:
FERMENTAZIONE LATTICA: riduce il piruvato a lattato grazie all’enzima lattato deidrogenasi La fermentazione lattica avviene tipicamente nelle cellule muscolari durante un’attività intensa, quando il sangue non fornisce abbastanza ossigeno per ossidare completamente il piruvato. Nel periodo di recupero successivo allo sforzo, il lattato è riconvertito in glucosio dal fegato: il ciclo di reazioni che comprende la conversione del glucosio in lattato nel muscolo e la conversione del lattato in glucosio nel fegato viene detto CICLO DI CORI. FERMENTAZIONE ALCOLICA: il lievito e altri microorganismi riossidano il NADH a NAD+ attraverso la fermentazione alcolica che produce etanolo e CO2. Il processo prevede due reazioni: o Dapprima il piruvato prodotto tramite la glicolisi è decarbossilato grazie al piruvato decarbossilasi, con formazione di acetaldeide. o Nella seconda reazione, l’acetaldeide è ridotta a etanolo grazie all’enzima alcol deidrogenasi, con la contemporanea ossidazione del NADH.
ISOMERIA (tema sapere scientifico e competenze / analogie e differenze)
L’isomeria è quel fenomeno chimico per il quale due o più composti (detti isomeri) hanno la stessa formula molecolare ma diversa formula di struttura. Ci sono diversi tipi di isomeri:
BIOTECNOLOGIE (tema tecnologie / sapere scientifico e competenze)
DNA RICOMBINANTE
Il DNA ricombinante è una molecola di DNA che contiene l’informazione genetica proveniente da due o più organismi differenti. L’ingegneria genetica (detta anche tecnologia del DNA ricombinante) è l’insieme delle tecniche usate per ottenere e manipolare il DNA ricombinante. Essa si basa sull’idea che modificando in laboratorio il genotipo degli organismi sia possibile alterare il loro fenotipo in maniera mirata e non casuale come avviene in natura. La creazione di una molecola di DNA ricombinante richiede due tipi di enzimi: ENZIMI DI RESTRIZIONE (tagliano il legame in modo preciso in quella sequenza detta SEQUENZA DI TAGLIO ). Il DNA è un polimero formato da nucleotidi legati a un legame fosfodiesterici. Per tagliare una doppia elica di DNA occorre dunque agire su questi legami. Generalmente vengono usati enzimi di restrizione ricavati da batteri, nell’esempio viene usato come enzima di restrizione EcoRI. DNA LIGASI (cucitura del DNA) Questi enzimi infatti servono a tagliare e unire insieme segmenti di DNA che provengono da molecole diverse per ottenere un DNA RICOMBINANTE.
ELETTROFORESI DEL DNA
Una volta tagliati questi frammenti di DNA, devono essere isolati e successivamente vengono analizzati per vedere se sono stati tagliati nei punti previsti. Questa analisi è possibile attraverso l’elettroforesi del DNA. Uno dei metodi più usati per separare e controllare la dimensione di una molecola di DNA è l’ELETTROFORESI SU GEL D’AGAROSIO, una tecnica analitica che permette di sperare i frammenti di DNA in base alle loro dimensioni. Questo gel si ottiene portando l’agarosio a temperatura elevatissima, circa 90°, e una volta raffreddato si ottiene un gel. Nel gel vengono creati dei pozzetti (l’agarosio fuso viene depositato in uno stampo e alle estremità di esso vengono posti dei pettini che, nel momento in cui il gel si solidifica, vengono successivamente tolti per creare questi pozzetti), nei quali viene posta la soluzione con i vari frammenti di DNA. Dopodiché, il gel viene posto in una soluzione tampone a pH neutro, che ha il compito di verificare le variazioni del pH dovute alla presenza dei frammenti di DNA. Infine, il tutto viene posto in una bacinella in cui ci sono due elettrodi inseriti in un circuito, tale da formare una differenza di potenziale che varia dai 50 V ai 100 V. Nel momento in cui si pone il circuito a contatto con il gel, contenente i frammenti di DNA, si ottengono una serie di bande colorate; ognuna di queste bande rappresenta un frammento di DNA, in base alla lunghezza di quest’ultimo: i frammenti di DNA più corti viaggeranno più velocemente verso il polo positivo degli elettrodi rispetto a quelli più lunghi. Questi viaggiano verso il polo positivo perché i nucleotidi, avendo il gruppo fosfato negativo, migrano dal polo negativo a quello positivo. Ogni frammento è inoltre associato ad una sostanza fluorescente, che viene applicata per differenziare ed analizzare i vari frammenti, quindi per vedere se i tagli fatti dagli enzimi di restrizione sono avvenuti nei punti in cui si voleva che avvenissero.
PCR
Questa REAZIONE A CATENA DELLA OLIMERASI o PCR permette di isolare e amplificare il gene del DNA polimerasi direttamente in provetta, basato sulla capacità dell’enzima DNA polimerasi di sintetizzare un nuovo filamento di DNA a partire da un filamento stampo o di clonarlo 2n alla volta. Infatti, prendendo l’enzima DNA polimerasi e facendogli sintetizzare una sequenza di DNA, dopo un ciclo si otterrà una doppia copia; quindi dopo n cicli, essendo il DNA a doppio filamento, si otterranno 2n molecole rispetto a quelle di partenza. Per la PCR occorrono quattro tipi di reagenti: Il DNA STAMPO che vogliamo ampliare. L’ENZIMA TAQ POLIMERASI , ossia un DNA polimerasi capace di rimanere attivo anche alle alte temperature necessarie durante la procedura. Una COPPIA DI OLIGONUCLEOTIDI detti PRIMER , funzionano da innesto per la Taq polimerasi. I QUATTRO NUCLEOSIDI TRIFOSFATO. La reazione della PCR si svolge in tre tappe: DENATURAZIONE : vengono tagliati i legami a idrogeno del doppio filamento del DNA, ottenendo così un filamento singolo/stampo (95°C). APPAIAMENTO : i primer si legano sui filamenti singoli del DNA, diventando così siti di innesto per la taq polimerasi. ALLUNGAMENTO : la taq polimerasi va a sintetizzare i nuovi filamenti di DNA tra i due primer. Questo è un modo per ottenere tante volte lo stesso frammento di DNA. Ovviamente, la taq polimerasi potrà avere una certa percentuale di errore, poiché una sequenza di DNA non può essere copiata senza errori, Perciò vengono prodotte n copie. Ci sono diverse applicazioni della PCR: Innanzitutto questa va a sequenziare un frammento di DNA per vedere se è presente un errore o una mutazione e quindi per identificare un'eventuale malattia genetica. La PCR è anche utilizzata per la prevenzione delle neoplasie, dei tumori, perché è possibile Individuare il gene portatore del tumore, quindi si verifica se vi è la suscettibilità ad un tumore specifico per questioni genetiche (la PCR è stata utilizzata soprattutto per i tumori al seno e al colon retto).
Inoltre, attraverso la PCR è possibile diagnosticare malattie virali, quindi ad esempio si utilizza nel tampone molecolare naso/bocca per identificare la positività al COVID-19. La PCR utilizzata anche per verificare la presenza del genoma dell’HPV, papilloma virus, nelle cellule della mucosa della cervice uterina. Poi è utilizzata per identificare il DNA di tracce di sangue presenti sulla scena di un crimine ed anche per i test di paternità. Infine, la PCR usata tantissimo nelle analisi ambientali del suolo e delle acque per valutare la presenza o l’assenza di determinati microrganismi e per la sicurezza alimentare; quindi per vedere se negli alimenti sono presenti microrganismi che causano infezione alimentare, tipo salmonellosi o infezioni dovute da un micete, chiamato Fusarium, che infesta il frumento, il mais, il grano e l’orzo e che perciò può entrare nella catena alimentare e causare tossinfezione negli esseri umani e negli animali.
CAMBIAMENTI CLIMATICI (tema ambiente / complessità)
Che cosa sono i cambiamenti climatici?
I cambiamenti climatici sono un fenomeno provocato dal riscaldamento globale che interessano la Terra a lungo termine: temperatura, livelli del mare e precipitazioni. Quali sono le cause dei cambiamenti climatici? La principale causa dei cambiamenti climatici è la combustione dei fossili come il petrolio, il carbone e il gas naturale, che emettono gas a effetto serra nell’atmosfera. Anche altre attività umane contribuiscono alla loro proliferazione, come:
- l ’AGRICOLTURA : fertilizzanti azotati producono emissioni di ossido di azoto.
- la DEFORESTAZIONE : perché gli alberi aiutano a regolare il clima assorbendo CO dall’atmosfera
- ALLEVAMENTO DI BESTIAME : i bovini e gli ovini producono quantità di metano durante il processo di digestione causando un forte incremento di gas serra emessi nell’atmosfera. In assenza dell’effetto serra, la temperatura media del pianeta sarebbe di -18°C. Tuttavia, le attività umane quotidiane aumentano quest’effetto, aumentando di conseguenza la temperatura del pianeta. Nel mentre, il livello di biossido di carbonio (CO2) continua a crescere nell’atmosfera. Per renderci conto della situazione , l’aumento della temperatura osservato negli ultimi 10 000 anni è di 5°C. L’aumento della temperatura provoca lo scioglimento dei GHIACCIAI AI POLI , che a sua volta causa un AUMENTO DEI LIVELLI DEL MARE , provocando INONDAZIONI e mettendo a repentaglio gli AMBIENTI COSTIERI. I cambiamenti climatici contribuiscono anche a rendere i fenomeni meteorologici estremi, quali tempeste, siccità, ondate di calore e incendi boschivi. Possiamo fermare i cambiamenti climatici? I cambiamenti climatici non sono reversibili, ma possiamo attenuare gli effetti e adattarci alle loro conseguenze. Le azioni di mitigazione mirano a ridurre il quantitativo di emissioni rilasciate nell’atmosfera, ad esempio attraverso lo sviluppo di energie pulite e l’aumento delle aree forestali. Cos’è il gas serra? I gas serra producono il cosiddetto effetto serra, perché si comportano proprio come i vetri di una serra: catturano il sole impedendogli di ritornare nello spazio. I gas serra sono composti da : ANIDRIDE CARBONICA (63%), METANO (19%), OSSIDO DI ZOLFO (6%) e GAS FLUORURATI.
