Composti organici

BREVI DEFINIZIONI

Glicidi.

Classe di composti organici contenenti idrogeno e ossigeno, combinati al carbonio. Sono prodotti dalle piante verdi e dai batteri per mezzo della fotosintesi, a partire dall'acqua, dall'anidride carbonica e dall'energia catturata dalle radiazioni solari. I carboidrati comprendono, tra gli altri, glucosio, amido e cellulosa e sono alla base della nutrizione umana, nonché di quella di molte altre specie animali. I più semplici sono i monosaccaridi. Il monosaccaride più importante è il glucosio. Dall'unione di due monosaccaridi, con l'eliminazione di una molecola d'acqua, si ottiene un disaccaride. I polisaccaridi sono, invece, molecole di grandi dimensioni, composte dall'unione di molte unità di un singolo tipo di monosaccaride (l'amido). All'interno degli organismi viventi i carboidrati hanno funzioni sia strutturali sia di riserva energetica. Carboidrati sono anche presenti combinati a proteine, in molecole chiamate glicoproteine, nelle membrane cellulari di gran parte degli organismi viventi. Come riserva energetica le piante usano l'amido, mentre gli animali impiegano il glicogeno; quando l'organismo ha bisogno d'energia, entrambi questi polisaccaridi vengono demoliti dagli enzimi.

Lipidi.

Gruppo di sostanze grasse presenti in tutti gli organismi viventi. I lipidi si distinguono dalle altre classi di composti organici, perché non sono solubili in acqua. Fra i lipidi più importanti vi sono i fosfolipidi, i principali componenti della membrana cellulare, che regolano il passaggio dell'acqua e dei composti solubili in acqua attraverso la membrana e permettono così alla cellula di avere una composizione diversa dall'ambiente esterno. I trigliceridi, composti da tre molecole di acidi grassi legati a un alcol, servono da riserva energetica delle cellule animali e vegetali. Altri lipidi importanti sono le cere, che formano rivestimenti protettivi sulle foglie delle piante o sulla pelle degli animali, e gli steroidi, che comprendono la vitamina D, i precursori del colesterolo e numerosi ormoni di fondamentale importanza.

Proteine.

Composti organici, formati da una sequenza di molecole, chiamate amminoacidi, legate l'una all'altra da legami peptidici. Presenti in tutti gli organismi viventi, le proteine sono gli elementi costitutivi predominanti delle cellule e sono indispensabili per il loro funzionamento. Le proteine di origine alimentare vengono utilizzate essenzialmente per la costruzione e la manutenzione delle strutture cellulari, anche se in condizioni particolari possono essere impiegate per liberare energia metabolica. Molecole proteiche costituiscono anche gli enzimi presenti nell'organismo. Le proteine sono sempre formate da unità costituite da 20 amminoacidi diversi.

Enzimi.

Tutti gli enzimi sono proteine globulari che si combinano rapidamente con altre sostanze, chiamate substrati, per catalizzare le numerose reazioni chimiche che avvengono all'interno del corpo. Essi sono formati da una parte proteica e da una parte non proteica: la prima stabilisce il substrato, la seconda il tipo di reazione da catalizzare. Le loro numerose funzioni contribuiscono a regolare il metabolismo di tutto l'organismo.

Microtubuli

Le proteine globulari possono anche riunirsi a formare minuscoli tubi cavi che contribuiscono a determinare la struttura delle cellule e a rendere possibili i trasporti interni. Queste strutture sono chiamate microtubuli e sono costituite da numerose subunità appaiate di due tipi di molecole proteiche di forma sferica (tubuline); i microtubuli sono strutture dinamiche, che si allungano o si accorciano a seconda delle necessità della cellula. I microtubuli si trovano anche nelle ciglia, le appendici simili a peli usate da alcuni microrganismi per la locomozione.

Simbiosi.

La simbiosi è un'associazione stretta tra due organismi di cui uno, detto ospite, costituisce l'habitat dell'altro. Nella cellula si assiste ad un caso di endo-simbiosi (simbiosi dentro). Quando per la prima volta un batterio aerobico si è inserito all'interno di una cellula procariote si è assistito ad un caso di questo tipo di simbiosi: il batterio produceva una gran quantità di ATP che ben presto cominciarono ad essere sfruttati anche dalla cellula ospitale, la quale, per meglio gestire il simbionte, organizzò il suo materiale genetico creandogli attorno una membrana: il nucleo. Il simbionte veniva a svilupparsi negli organuli chiamati mitocondri.

Nel caso dei cloroplasti il simbionte non era un batterio aerobico, ma un cianobatterio.

Apparato di Golgi.

L'apparato di Golgi consente un continuo scambio di sostanze fra il reticolo endoplasmatico, i lisosomi, la membrana plasmatica e l'ambiente extracellulare mediato da vescicole che si staccano dalla membrana di un organulo per fondersi con quella di un altro. Al suo interno inoltre vi entrano delle proteine che prima di essere trasportate negli altri vari organuli, vengono modificate nella loro composizione chimica.

Fagocitosi.

Processo di ingestione cellulare di particelle o sostanze estranee tramite l'emissione di prolungamenti citoplasmatici. La fagocitosi è attuata da tutti gli organismi viventi unicellulari. Alcune proteine presenti nel sangue, gli anticorpi, normalmente rivestono le particelle estranee e attirano i fagociti che aderiscono al complesso proteina-particella estranea e lo inglobano.

Cellula.

La più piccola unità di un organismo in grado di funzionare in modo autonomo. Sebbene i virus e alcune porzioni solubili delle cellule siano in grado di effettuare molte delle funzioni normalmente espletate da una cellula vivente, essi mancano tuttavia della caratteristica capacità cellulare di sopravvivere, svilupparsi e replicarsi in modo autonomo e, pertanto, non vengono considerati esseri viventi. Le cellule possono essere di dimensioni e forme molto diverse. All'altro estremo si trovano le cellule nervose, che hanno forme molto complesse, essendo dotate di numerosi sottili prolungamenti che possono raggiungere anche diversi metri di lunghezza. La maggior parte delle cellule vegetali ha solitamente pareti cellulari rigide. Le cellule dei tessuti animali sono deformabili, spesso ricche di intro- ed estroflessioni. Tutte le cellule sono delimitate da una membrana (detta membrana plasmatica) che racchiude il citoplasma. Tutte le cellule sono sede di reazioni chimiche che consentono loro di svilupparsi, di produrre energia e di eliminare le scorie. Nel loro insieme, tutte queste reazioni sono denominate metabolismo. Tutte le cellule contengono, codificata in molecole di acido desossiribonucleico (DNA), l'informazione ereditaria, che dirige le attività cellulari e consente alla cellula di riprodursi trasmettendo le proprie caratteristiche alla generazione successiva.

Membrana plasmatica.

Una sottile membrana, denominata membrana plasmatica, racchiude il contenuto di tutte le cellule viventi e costituisce una barriera fra l'ambiente intracellulare (interno) e quello extracellulare (esterno). La membrana plasmatica è costituita da un doppio strato continuo di molecole lipidiche, attraversato parzialmente o completamente da numerose proteine; essa funziona da barriera selettiva, regolando, così, la composizione chimica della cellula.

Il nucleo.

Si tratta di un corpuscolo delimitato da una membrana, di forma e dimensioni variabili a seconda del tipo cellulare. All'interno del nucleo sono conservati i cromosomi. Il nucleo è delimitato da una doppia membrana, dotata di pori che consentono le comunicazioni tra il nucleo e il resto della cellula (citoplasma). All'interno del nucleo si trova una regione specializzata, detta nucleolo, che serve all'assemblaggio di particelle chiamate ribosomi. Il nucleo controlla la sintesi proteica inviando nel citoplasma diverse molecole con funzione di messaggeri.

Citoplasma e citosol.

L'intero volume della cellula, con esclusione del nucleo, è occupato dal citoplasma. Esso contiene molte strutture e organuli specializzati (nucleo, mitocondri, lisosomi, apparato di Golgi, reticolo endoplasmico). Il citosol è il sito di molte funzioni importanti ai fini del mantenimento della cellula.

Mitocondri e cloroplasti.

I mitocondri sono fra gli organuli più cospicui del citoplasma e sono presenti in quasi tutte le cellule eucariotiche. Essi hanno una struttura particolare, osservabile al microscopio elettronico: ciascun mitocondrio si presenta come un corpuscolo dalla caratteristica forma a fagiolo delimitato da due membrane separate, la più interna delle quali presenta numerose pieghe (creste). I mitocondri sono gli organuli responsabili della produzione di energia necessaria alla cellula per crescere e riprodursi; l'energia proviene dagli ultimi passaggi delle vie metaboliche che portano alla completa demolizione degli alimenti. Queste reazioni, che nel loro insieme costituiscono il processo di 'respirazione cellulare', comportano il consumo di ossigeno e la produzione di anidride carbonica. I cloroplasti sono voluminosi organuli di colore verde, presenti solo nelle cellule delle piante e delle alghe. Presentano cisterne multiple, delimitate da una membrana contenente clorofilla (il pigmento verde delle piante). I cloroplasti svolgono un'importante funzione metabolica, in quanto sede della fotosintesi clorofilliana, che sfrutta l'energia dell'irradiazione solare per produrre ossigeno e molecole organiche a partire da semplici composti inorganici. L'ossigeno e le molecole organiche prodotte nei cloroplasti vengono poi utilizzate dalle cellule di altri organismi per la produzione di energia. Si calcola che tutto l'ossigeno presente nell'atmosfera sia derivato dall'attività fotosintetica dei cloroplasti.

Cianobatteri

Phylum comprendente organismi unicellulari fotosintetici nei quali il materiale nucleare non è delimitato da membrana e mancanti anche di altre strutture cellulari specializzate. Insieme ai batteri, questi microrganismi costituiscono il regno dei procarioti, caratterizzato da cellule con una struttura non compartimentalizzata, molto primitiva. I cianobatteri contengono lo stesso tipo di clorofilla delle piante superiori, che però, in assenza dei cloroplasti, è distribuita in tutta la cellula. I cianobatteri si trovano in tutto il mondo, in diversi habitat: sono abbondanti sulla corteccia degli alberi, sulle rocce e nei terreni umidi, dove compiono la fissazione dell'azoto; alcuni convivono in simbiosi con i funghi per formare i licheni.

Un genere di cianobatteri, Spirulina, comprende specie coltivate e utilizzate come alimento tradizionale in alcune regioni del Messico e dell'Africa centrale.

I cianobatteri, un tempo chiamati alghe azzurre, costituiscono un phylum appartenente al regno dei procarioti.

Acidi nucleici

Molecole estremamente complesse, prodotte in tutte le cellule viventi e presenti anche nei virus. Il loro nome deriva dal fatto che i primi acidi nucleici furono isolati nel nucleo delle cellule, anche se successivamente la loro presenza fu individuata anche in altri compartimenti cellulari, ad esempio nel citoplasma. La funzione più importante degli acidi nucleici consiste nella conservazione dell'informazione genetica necessaria a trasmettere da una generazione alla successiva le caratteristiche ereditarie delle specie; questa informazione si trova scritta all'interno dei geni, in base alle quattro lettere dell'alfabeto del codice genetico, e viene tradotta e utilizzata nella costruzione delle proteine che costituiscono le strutture dell'organismo. Dal punto di vista chimico gli acidi nucleici si differenziano in acido desossiribonucleico (DNA) e acido ribonucleico (RNA).

RNA

Le molecole di RNA svolgono funzioni diverse e complementari a quelle del DNA, traducendo e utilizzando le informazioni contenute nella molecola dell'ereditarietà per la sintesi delle proteine all'interno della cellula. Esistono tre tipi di molecole di RNA, caratterizzate da struttura e funzioni diverse (RNA messaggero, RNA transfer e RNA ribosomale).

DNA

Il DNA è l'unica molecola dell'organismo in grado di autoduplicarsi, contiene il patrimonio genetico caratteristico di ciascuna specie ed è presente in tutte le cellule viventi e in molti tipi di virus. La duplicazione del DNA avviene prima di ogni divisione cellulare, in modo che le cellule figlie ricevano ciascuna una copia fedele del patrimonio genetico parentale. Per costruire una copia della molecola di DNA, i due filamenti della doppia elica si despiralizzano e si separano a livello dei legami tra le basi; a questo punto ciascun filamento funziona da stampo per l'assemblaggio di due nuovi filamenti complementari. Si formano, così, due nuove doppie eliche, ciascuna costituita da un filamento vecchio e da uno nuovo (per questo motivo la reazione di duplicazione viene detta semiconservativa).

Cromosoma

Strutture bastoncellari, chimicamente composte da acido desossiribonucleico (DNA) e proteine, presenti in tutte le cellule e visibili al microscopio ottico solo durante la mitosi. Il DNA cromosomico è suddiviso in unità, chiamate geni, che sono responsabili del mantenimento e della trasmissione delle caratteristiche ereditarie dell'organismo. Normalmente ciascuna cellula somatica contiene un numero fisso di cromosomi, caratteristico di ciascuna specie (la specie umana ne ha 46) e ciascun cromosoma viene portato in due copie. Le cellule germinali, invece, contengono solo la metà del numero di cromosomi delle cellule somatiche, poiché hanno un solo esemplare di ciascun cromosoma.

Mitosi

Il processo per il quale una cellula madre si divide in due cellule figlie identiche si chiama mitosi (vedi Riproduzione) e comporta la duplicazione di ciascun cromosoma e la separazione delle due copie nelle due cellule figlie. Questo processo assicura che ciascuna delle due cellule figlie abbia lo stesso numero di cromosomi e, dunque, di geni della cellula madre. I processi fisiologici di crescita e sostituzione dei tessuti dell'organismo avvengono per divisione cellulare o mitosi.

Crossing over

Le combinazioni di caratteri presenti nei genitori possono, infatti, rimescolarsi nella discendenza. Questo fenomeno è dovuto al fatto che durante la meiosi, tra le coppie di cromosomi omologhi avviene uno scambio fisico di materiale genetico, chiamato crossing-over (quando avviene, il crossing-over può essere osservato al microscopio, perché i cromosomi omologhi appaiati sono congiunti e assumono una struttura a X). Il crossing-over può avvenire con la stessa probabilità, casualmente lungo tutta la lunghezza del cromosoma. Più crossing-over avvengono, maggiore è la percentuale di discendenti che mostra nuove combinazioni.

Sintesi proteica

La sintesi proteica avviene nel citoplasma, presso piccoli organelli cellulari detti ribosomi. Nella prima fase (a sinistra) gli aminoacidi, le unità elementari delle proteine, convergono nella sede della sintesi. Quindi vengono uniti in una lunga catena la cui sequenza è imposta dall'RNA messaggero (mRNA), una copia molecolare precedentamente trascritta della porzione di DNA relativa alla proteina da sintetizzare. Il processo termina (a destra) con l'intervento del fattore di rilascio che si lega all'mRNA in corrispondenza di uno o più codoni di arresto, rompendo il complesso. La catena così rilasciata costituisce la struttura primaria della proteina.

Riproduzione sessuata

Gli organismi superiori si riproducono per via sessuata e derivano dall'unione di due gameti, che vengono prodotti da una variante della divisione mitotica, chiamata meiosi. Questa differisce dalla mitosi per il fatto che a ciascuna delle nuove cellule viene trasmesso solo un singolo cromosoma di ciascuna coppia. La maggior parte degli animali e delle piante pluricellulari attua, tuttavia, una forma di riproduzione sessuata più complessa, in cui le cellule germinali (o gameti) maschili e femminili mature si uniscono a formare una singola cellula fecondata, chiamata zigote, che in seguito a numerose divisioni cellulari si differenzia in un nuovo organismo. Il termine fecondazione indica l'unione della cellula germinale maschile con quella femminile nello zigote, che ottiene metà del proprio patrimonio genetico da un genitore e metà dall'altro.

Riproduzione asessuata

La maggior parte degli organismi unicellulari si riproduce per mezzo di un processo, chiamato fissione, caratterizzato dalla divisione del corpo in due o più parti, ciascuna delle quali si sviluppa in un individuo completo. In alcuni animali pluricellulari la divisione cellulare spesso porta alla produzione di gemme che si originano dal corpo del genitore e in seguito si separano per svilupparsi in un nuovo organismo identico; questo processo è chiamato gemmazione. La partenogenesi è una forma di riproduzione asessuata che comporta lo sviluppo di un nuovo organismo a partire da un gamete non fecondato. La partenogenesi è comune nel regno animale, dalle specie più primitive fino agli insetti.

pH

Grandezza che esprime la concentrazione di ioni idrogeno di una soluzione, ossia la sua acidità. Il termine viene definito come il logaritmo della concentrazione di ioni H+ cambiato di segno: cioè pH = -log10[H+], dove [H+] è la concentrazione di ioni H+.

Microscopio ottico

Il microscopio ottico sfrutta la luce visibile per creare un'immagine ingrandita dell'oggetto da osservare. La forma più semplice è la comune lente d'ingrandimento. Più complesso è il microscopio composto, dotato di un sistema di lenti multiple. Esso consiste essenzialmente di due sistemi di lenti, l'obiettivo e l'oculare, montati alle due estremità di un tubo chiuso. L'obiettivo produce un'immagine reale ingrandita dell'oggetto in esame che, grazie a un sistema di lenti, si forma nel punto focale dell'obiettivo in modo che questo fornisca all'osservatore un'immagine virtuale ingrandita. Il potere d'ingrandimento totale del microscopio è determinato dalla lunghezza focale dei due sistemi di lenti. La sua struttura, partendo dall'alto, è la seguente: oculare, stativo e tubo porta ottica, braccio, tamburo, obiettivi, tavolino porta oggetti con vetrino, apparecchio traslatore, diaframma, viti, basamento.

Microscopio elettronico

Il microscopio elettronico impiega un fascio di elettroni per 'illuminare' il campione. La lunghezza d'onda più corta nella banda del visibile è di circa 4000 angstrom, mentre la lunghezza d'onda dell'elettrone è di soli 0,5 angstrom; pertanto il potere di risoluzione del microscopio elettronico (ossia la capacità di distinguere particolari minuscoli) è notevolmente maggiore di quello dei microscopi ottici. Tutti i microscopi elettronici sono dotati di un cannone elettronico che emette il fascio di elettroni in direzione del campione; di un sistema di 'lenti' magnetiche, che indirizza e focalizza il fascio mediante opportuni campi magnetici; di un dispositivo per realizzare il vuoto spinto, per evitare che gli elettroni vengano diffusi dalle molecole d'aria; infine, di un sistema che registra o visualizza le immagini prodotte dagli elettroni.

Procariote ed eucariote

Fra le cellule procariotiche e quelle eucariotiche esiste una fondamentale distinzione soprattutto sull'organizzazione interna. Le cellule procariotiche, confinate al regno dei batteri e dei cianobatteri, hanno una struttura interna alquanto semplice; il loro materiale genetico (DNA) si trova concentrato in una regione della cellula non separata dal resto da una membrana. Nelle cellule eucariotiche, che costituiscono tutti gli altri organismi viventi, il materiale genetico è racchiuso da una membrana, formando così il nucleo.