Appunti di biologia generale

Appunti di biologia generale

Proteine

Struttura proteica:

• Struttura primaria: è la sequenza lineare specifica degli aminoacidi che compongono la catena. La sequenza degli aminoacidi contiene la maggior parte dell'informazione necessaria della molecola per la sua funzione.
• Struttura secondaria: descrive la conformazione, ovvero l'organizzazione spaziale, di parti della catena polipeptidica. Linus Pauling e Robert Corey, ipotizzarono che le catene polipeptidiche si formano con conformazione che consente la massima possibilità di legami a idrogeno fra gli aminoacidi vicini. Furono proposte due conformazioni: ad α-elica, con scheletro all'interno dell'elica e catene laterali all'esterno, la forma elicoidale è permessa dai numerosi legami a idrogeno; foglietto β-pieghettato o foglietto-β, che a differenza dello scheletro cilindrico della elica, assume una conformazione ripiegata o ad organetto, è caratterizzato da numerosi legami a idrogeno.
• Struttura terziaria: descrive la conformazione dell'intera proteina (mentre la struttura secondaria dipende solo dalla conformazione degli aminoacidi sulla catena polipeptidica) e ne determina le proprietà chimico fisiche. Le proteine possono essere classificate in base alla loro forma, alcune sono fibrose, cioè estremamente allungate, altre sono globulari, con forma più compatta.
• Struttura quaternaria: alcune proteine possono avere una struttura quaternaria legata a delle sub-unità, a formare un complesso proteico.

Le proteine sono diverse e con diverse funzioni:

• Strutturale, con funzione di sostegno
• Enzimatica, con funzione di catabolismo delle reazioni biologiche
• Di trasporto, producono movimenti cellulari
• Regolatrici, di attività delle altre molecole
• Recettori, di legame molecolare
• Ormoni, di regolazione
• Anticorpi, di difesa
• Accumulazione, di riserva e accumulo
• Tossine e veleni, ostacolano altri organismi

Lipidi

Sono un gruppo di varie molecole biologiche non polari che hanno in comune la proprietà di essere solubili in solventi organici, ma non in acqua. I lipidi si distinguono in:

Lipidi semplici

I lipidi semplici derivano dall'esterificazione di acidi grassi e alcol ed hanno carattere apolare ed interazioni idrofobiche. Gliceridi sono la classe principale dei lipidi semplici. Si suddividono in monogliceridi, digliceridi e trigliceridi (tri-: formati da tre catene di acidi grassi), questi ultimi sono la forma principale di deposito di materiale energetico.

Gli acidi grassi, sono acidi carbossilici (-COOH) con lunghe code idrocarburiche. Sono strutturati in una catena lineare unita da legami semplici, detti acidi saturi, mentre se vi è la presenza di doppi legami, sono detti grassi insaturi. Questa proprietà ha diverse conseguenze poiché maggiore è il numero di doppi legami, maggiore è la difficoltà con cui queste lunghe catene possono stare insieme, dato che la presenza di essi irrigidisce la catena che non può ruotare. Ciò abbassa la temperatura di fusione dei lipidi, in generale i grassi insaturi a temperatura ambiente sono liquidi (olii).

Lipidi complessi

I lipidi complessi sono caratterizzati dalla presenza di residui idrofili che gli conferiscono carattere anfipatico (cioè hanno zone apolari e polari nella stessa molecola). In generale, hanno carattere apolare ed interazioni anfipatiche. Poiché anfipatici sono in grado di interagire contemporaneamente sia con il mezzo acquoso che con compartimenti cellulari caratteristicamente idrofobici. Presentano due lunghe catene apolari e un gruppo fortemente idrofilico (perché presenta gruppi ionizzati con cariche e residui ricchi di idrossili).

• Fosfolipidi: sono componenti principali delle membrane cellulari. Hanno una testa polare idrofila, detta colina, quindi attratta dall'acqua, e la coda idrofobica, che quindi respinge l'acqua. Micelle: le disposizioni di fosfolipidi immersi in acqua, le teste formano un guscio apolare e le code sono portate all'interno. I lipidi in acqua tendono a formare doppi strati lipidici con teste all'esterno e code all'interno.
• Steroidi: contengono un caratteristico scheletro carbonioso a quattro anelli, lo steroide più importante è il colesterolo, componente delle membrane cellulari e precursore dei numerosi ormoni steroidei. Essi sono molto simili tra loro, ma le loro funzioni biologiche sono molto diverse.

Acidi nucleici

Acidi nucleici o polinucleotidi, sono molecole più grosse in cui vengono codificate informazioni per la costruzione di un intero organismo e per permettere la sintesi proteica. Sono macromolecole costituite da lunghe catene di monomeri: nucleotidi. Negli organismi viventi vi sono due tipi di acidi nucleici: DNA, acido deossiribonucleico, e RNA, acido ribonucleico.

Ogni nucleotide di un filamento di RNA o DNA è costituito da tre parti: base azotata + zucchero pentoso (ribosio) + un gruppo fosfato. Ogni filamento contiene quattro nucleotidi che si distinguono per la base azotata in purinici o pirimidinici.

Le pirimidine sono:

• Timina (T) e Citosina (C) nel DNA.
• Uracile (U) e Citosina (C) nel RNA.

Le purine sono:

• Adenina (A) e Guanina (G) in entrambi.

I nucleotidi sono importanti non solo in quanto unità costitutivi degli acidi nucleici, ma anche per alcune loro funzioni: la maggior parte dell'energia utilizzata dagli organismi viventi deriva:

• Dall'adenosintrifosfato (ATP) → Adenina + ribosio + 3 gruppi fosfato
• Dall'adenosindifosfato (ADP) → Adenina + ribosio + 2 gruppi fosfato

I nucleosidi sono costituiti da: base azotata + zucchero pentoso.

Funzioni dei nucleotidi:

• Funzione energetica: portano energia chimica nei loro legami, fosfoanidride facilmente idrolizzabili
• Composizione coenzimi: si combinano con altri gruppi a formare coenzimi
• Messaggeri molecolari: usati come molecole di segnalazione specifiche nella cellula

Struttura degli acidi nucleici

• Struttura primaria: sequenza dei nucleotidi
• Struttura secondaria: disposizione spaziale dei polinucleotidi.

RNA:

• Unico filamento avvolto su se stesso
• Le basi azotate sono complementari e presenta Uracile invece di Timina
• È più piccolo del DNA
• Ha vita limitata
• Non si duplica

DNA:

• Doppio filamento avvolti ad elica, polinucleotidici, antiparalleli
• Presenta Timina al posto di Uracile

Proprietà e funzioni:

• Complementarietà tra basi: A-T/C-G
• Ogni filamento è una sorta di stampa per la costruzione di un nuovo filamento (DNA):
• Duplicazione: processo semi-conservativo. È la capacità di duplicare se stesso con l'aiuto di DNA-polimerasi per trasmettere periodicamente alle nuove cellulare la stessa informazione genetica di quella di partenza.
• Trascrizione: passaggio di informazione da DNA a RNA. Responsabile della trasmissione di caratteristiche ereditarie, enzimi e proteine strutturali, cioè proteine codificate sul DNA come sequenza nucleotidica corrispondente a quelle degli aminoacidi delle proteine.

4 nucleotidi → 20 aminoacidi. 3 nucleotidi alla volta → 64 combinazioni, più triplette codificano la stessa combinazione. Degenerazione del codice: alcune triplette determinano solo la fine di un processo e non codificano.

Codice genetico: correlazione tra ciascun aminoacido e una tripletta di nucleotidi. Codoni: triplette di nucleotidi caratteristiche di ciascun aminoacido. Gene strutturale: tratto di DNA che contiene l'informazione per l'intera proteina. Genoma: insieme delle sequenze di DNA in un organismo.

Tipi di RNA

• RNA polimerasi: enzima che interviene nella trascrizione (da DNA a mRNA)
• RNA messaggero (mRNA): copia dalla sequenza di nucleotidi che nel DNA racchiude l'informazione per la sintesi di una proteina
• RNA transfert (tRNA): trasporta aminoacidi da assemblare in proteine ai ribosomi. Contiene 3 basi complementari a uno o più codoni specifici per l'aminoacido legato al tRNA
• RNA ribosomiale (rRNA): nei ribosomi (rRNA + proteina). I ribosomi sono organuli su cui avviene la costruzione della proteina, sono costituiti da due sub-unità, durante la sintesi proteica i ribosomi si allineano lungo un mRNA: polisoma o poliribosoma.

RNA nella sintesi proteica (traduzione)

1. Attuazione degli aminoacidi per opera di aminoacil-tRNA sintetasi che usa ATP per legare aminoacidi ai rispettivi tRNA.
2. Fase di inizio: il ribosoma inizia la lettura mRNA dal codone di inizio (AUG).
3. Fase di allungamento: avviene la traslocazione, il tRNA viene rilasciato, si sposta da un sito ad un altro, e il ribosoma avanza.
4. Fase di termine: vi è la codifica dei codoni di terminazione (UAA, UGA, UAG) che staccano la catena polipeptidica. Il ribosoma si divide per tornare utile nel citoplasma.

Replicazione o duplicazione: capacità di produrre una copia del DNA cellulare. Trascrizione: le informazioni del DNA vengono trascritte enzimaticamente nel RNA complementare (DNA → RNA). Traduzione: ovvero la sintesi proteica, è il processo attraverso il quale l'informazione genetica contenuta nel mRNA viene convertita in proteine a seconda della funzione. Essa ha inizio su un filamento di mRNA prodotto a partire da un gene di DNA, attraverso la trascrizione. Questo filamento è usato come stampo per produrre una data proteina.

mRNA: è il trascritto di un gene nel linguaggio di RNA che prevede 4 basi (A-G-C-U). Ribosoma: legge le basi a triplette e le fa corrispondere all'aminoacido. tRNA: formato da anse su cui sono posizionati gli anticodoni corrispondenti al mRNA.

Splicing: modifica che avviene durante la trascrizione nella quale gli introni sono rimossi e gli esoni uniti. Esoni: regioni codificanti. Introni: regioni non codificanti.

Coefficiente di sedimentazione: Svedberg (S), è un numero adimensionale che misura il rapporto tra la velocità di sedimentazione di un corpo ideale e quella del corpo in esame, a parità di condizioni di riferimento.

Gli organismi viventi

Si suddividono in due livelli di organizzazione:

• Livello molecolare: organismi molto semplici, quasi inanimati, che mantengono alcune caratteristiche ma sono incapaci di vita autonoma: Virus, Viroidi, Prioni
• Livello cellulare:
  • Organismi procarioti: sono unicellulari: Archea e Batteri; sono considerati l'anello che collega il mondo degli organismi inanimati e di quelli viventi; hanno una struttura contenitiva e limitante, presentano membrana plasmatica con parete cellulare che li separa dall'ambiente esterno. Presentano citoplasma all'interno, cioè la soluzione acquosa e viscosa in cui sono disciolte le sostanze organiche. Non presentano nucleo interno e nessun compartimento → cellule uniloculari. I ribosomi eucariotici sono formati da due sub-unità, la sub. maggiore 50 S, la sub. minore 30 S. Il genoma è formato da sequenze funzionali: tutti i geni codificano per proteine più i geni regolatori.
  • Organismi eucarioti: sono pluricellulari: cellule animali e cellule vegetali (piante). Cellule animali vs. Cellule vegetali: Membrana plasmatica vs. Parete cellulare. I ribosomi sono formati da due sub unità, la sub maggiore misura 60 S, la sub. minore 40 S. È divisa in vari compartimenti nella quale svolge diverse funzioni metaboliche, presenta quindi citoplasma compartimentato, grazie alla quale può svolgere più funzioni contemporaneamente. La cellula eucariotica presenta un nucleo rivestito da una doppia membrana. Il genoma è formato da sequenze funzionali e non funzionali, è associato a proteine che formano la cromatina. (splicing)

Virus

Entità biologiche costituite da genoma e capside, a struttura subcellulare, a volte con pericapside (rivestimento esterno lipoproteico).

Caratteristiche:

• Parassitismo obbligatorio: (tipico dei viventi a organizzazione molecolare) per poter svolgere il suo ciclo vitale deve sfruttare l'organizzazione chimica di una cellula (batterica, animale, vegetale) per replicare i propri componenti.
• Riproduzione: per sintesi delle singole parti e assemblaggio delle molecole neosintetizzate.
• Genoma virale: il virus presenta DNA (deossiribovirus: batteriofagi, virus animale) o RNA (ribovirus: vegetali o animali) come sede d'informazione genetica.

Classificazione:

• Tipo di cellula parassitata:
  • Batteriofagi, virus batterici, fagi
  • Virus vegetali
  • Virus animali
• Tipo di acido nucleico:
  • Deossiribovirus:
    • DNA a singolo filamento
    • DNA circolare a singolo filamento
    • DNA a doppio filamento
    • DNA circolare a doppio filamento
  • Ribovirus:
    • RNA a singolo filamento
    • RNA a doppio filamento
• Forma: Allungati, sferici, poliedrici
• Simmetria dei capsomeri:
  • Cubica: (herpes virus)
  • Elicoidale: capsomeri intorno a un asse centrale a formale spire comprendenti un determinato numero di capsomeri
  • Complessa: (batterio fago)

Replicazione virale

La particella virale non possiede sistemi sintetici ed enzimatici necessari al processo ed ha bisogno di penetrare una cellula procariote o eucariote per sintetizzare i componenti del virus stesso.

• Penetrazione dell'intera particella virale:
  1. Adesione tra virus e parete (o membrana cellulare), grazie ad una proteina
  2. Ingresso del virus nella cellula per: endocitosi o presenza di lesioni nell'involucro esterno
  3. Infezione: dissoluzione del capside e comparsa nel citoplasma cellulare di alcune proteine virali (antigeni precoci)
  4. Duplicazione del genoma virale. (nel nucleo se DNA, nel citoplasma se RNA)
  5. Integrazione della copia di DNA nel citoplasma
  6. Trascrizione
  7. Traduzione: sintesi delle proteine del capside. (→ assemblaggio di molte nuove particelle virali ciascuna contenente trascrittasi inversa in rivestimenti proteici.)
  8. Associazione delle proteine del capside al genoma virale.
  9. Fuoriuscita delle particelle virali dalle cellule: esocitosi o lisi di cellula infettata.
• Penetrazione del solo genoma:
  1. Il fago cattura la cellula batterica e vi si attacca grazie ai siti recettori specifici.
  2. L'acido nucleico fuoriesce attraverso la coda ed entra all'interno della cellula con un meccanismo a iniezione, il capside rimane fuori perché fa entrare il genoma.
  3. La cellula batterica infettata fornisce la struttura (ribosomi) e i processi biosintetici per la replicazione virale.
  4. Assemblaggio dei componenti virali neosintetizzati, ogni genoma si circonda di involucro proteico grazie a proprietà autoassemblanti.
  5. Si formano virioni maturi.
  6. Lisi batterica e fuoriuscita dei fagi che infetteranno altre cellule.

Ciclo litico o ciclo lisogeno

A seconda del tipo di fago una volta che l'acido nucleico è penetrato possono accadere due cose:

Attacco alla cellula ospite e iniezioni di DNA del lambda (virus lambda). Il DNA si circolarizza e integra il DNA nel cromosoma ospite.

• Ciclo lisogeno: Il virus partecipa alla riproduzione inserendo il proprio acido nucleico nel genoma della cellula ospite. Il virus diventa profagio (nei batteriofagi) o provirus, ovvero un'entità infettiva che può rimanere inattiva per molti cicli di divisione cellulare. Quando la cellula si scinde viene trasmesso anche il DNA virale alle cellule figlie formando così in breve tempo una vasta colonia di genomi virali senza che avvenga la lisi. Il ciclo lisogeno può diventare litico in seguito all'attivazione del profagio o provirus.
• Ciclo litico: Il virus integra l'acido nucleico che prende il controllo dell'attività metabolica ospite. La induce a sintetizzare nuovo acido nucleico virale e nuove proteine che andranno a costituire nuovi virus. Il DNA si replica rapidamente e introduce virus completi, che uccidono la cellula ospite tramite lisi e fuoriescono.

Gemmazione di un virus con involucro (pericapside)

La formazione del pericapside avviene in seguito alla pressione eseguita dal nucleocapside sulla membrana plasmatica della cellula ospite. Durante il processo di moltiplicazione all'interno della cellula ospite alcuni virus producono una serie di proteine che si vanno a posizionare in una determinata zona della membrana plasmatica, spingendo ai lati le sue proteine strutturali. Il virione si avvicina e si aggancia alle proteine della membrana e avviene la gemmazione, quindi il virus fuoriesce portandosi dietro un pezzo di membrana plasmatica, che diventa il pericapside.

Procarioti

• Primi a mostrare una struttura limitante e contenitiva, cioè che ha una membrana che divide l'organismo dall'ambiente.
• Organismi unicellulari, incapaci di aggregazioni in strutture sovracellulari.
• Archebatteri, o Arc...