Appunti di Biologia Generale e cellulare

Biologia generale

Anno accademico 2020/2021

Sommario

• Introduzione ................................................................................................................................ 2
• Chimica della cellula ................................................................................................................... 5
• Il mitocondrio ........................................................................................................................... 12
• La duplicazione del DNA ............................................................................................................. 16
• La trascrizione del DNA ............................................................................................................. 19
• La traduzione dell’RNA .............................................................................................................. 26
• Il controllo di qualità proteico .............................................................................................. 32
• Il sistema di endomembrane ..................................................................................................... 37
• La membrana cellulare ............................................................................................................. 43
• Recettori nucleari/di membrana ............................................................................................. 50
• Ciclo cellulare, mitosi e meiosi ................................................................................................ 56
• Il controllo del ciclo cellulare ............................................................................................... 60
• La fecondazione ......................................................................................................................... 69
• Apoptosi ...................................................................................................................................... 72
• Le cellule staminali ................................................................................................................... 75
• Evoluzione e biodiversità .......................................................................................................... 78
• La storia della vita sulla Terra ............................................................................................... 82
• I regni biologici .......................................................................................................................... 85
• Le piante e la cellula vegetale .................................................................................................. 88
• Il citoscheletro .......................................................................................................................... 91
• Motilità cellulare ..................................................................................................................... 97
• La cellula tumorale ................................................................................................................. 100

Introduzione

La biologia è la scienza che studia gli esseri viventi, i fenomeni della vita e le leggi che li governano. In generale biologia significa scienza della vita. La vita ha avuto origine dalle cellule, inizialmente divise in base alla presenza del nucleo in cellule procariotiche, senza nucleo con una singola molecola di DNA circolare, e in cellule eucariotiche, in cui troviamo il nucleo racchiuso da un involucro nucleare, sistema di doppia membrana. Diverso è invece il discorso per i virus, definite come strutture che contengono materiale genetico ma incapaci di dividersi autonomamente. Sorge spontanea la domanda “ma queste cellule come si sono formate?”.

Partiamo col dire che le cellule sono sostanzialmente formate dalle macromolecole, per capire perciò la formazione delle cellule dobbiamo prima parlare della formazione di queste macromolecole. Esse si sono formate spontaneamente, come dimostrato dall’esperimento di Miller, a seguito di scariche elettriche in una miscela di composti di base, detta brodo primordiale, le sostanze formatesi erano molecole organiche come urea, acido lattico, acido acetico, acido aspartico, alanina e glicina, sostanzialmente amminoacidi, che condensando potevano dare origine a proteine (sempre processi spontanei, quindi molto lunghi). Il problema delle proteine era la loro incapacità di autoreplicarsi, che ne implicava la perdita nel tempo, le uniche molecole in grado di autoreplicarsi erano gli acidi nucleici. (DNA acido desossiribonucleico, RNA acido ribonucleico).

Gli acidi nucleici sono formati da basi di zuccheri legati a basi azotate che legandosi fra loro, tramite rispettivamente due e tre legami idrogeno, formano delle coppie: Adenina-Timina Guanina-Citosina nel DNA, Adenina-Uracile Guanina-Citosina nel RNA. A parte la differenza di basi, un’altra importante differenziazione tra i due è la struttura, infatti il DNA ha una struttura a doppia elica, molto più stabile e più evoluta, mentre l’RNA ha una struttura a filamento singolo, meno stabile, ma cataliticamente importante perché permetteva la replicazione della molecola.

Come? La singola catena di RNA attirava a sé le basi complementari, per cui una volta formatasi la catena ovviamente non era uguale a quella di partenza, bensì era una catena complementare che a sua volta avrebbe attirato altri nucleotidi, che però avrebbero formato una catena uguale a quella di partenza. Una volta formatisi gli acidi nucleici, in generale si possono iniziare ad ottenere proteine, tramite il processo della traduzione, che avviene a livello dei ribosomi. Una delle prime proteine che si sono formate è stata la DNA polimerasi, che fungendo da catalizzatore aumentava la velocità della formazione di DNA di conseguenza anche quella delle proteine, rendendo il sistema più efficiente.

Il sistema della replicazione-trascrizione e traduzione sarebbe stato più efficace se fosse stato confinato in un sistema chiuso, che permetteva il mantenimento delle informazioni già ottenute. Qui entrano in gioco i fosfolipidi, molecole del brodo primordiale e molecole anfipatiche, composte cioè da una parte idrofila, la testa e una parte idrofoba, costituita dalle code di acidi grassi, queste molecole sono le componenti principali delle membrane biologiche. In acqua formano il caratteristico pattern di doppio strato fosfolipidico. Per cui in acqua si forma una sfera cava, all’interno riempita da un liquido acquoso. È l’inizio della vita biologica, ed è collocato a circa 1500 milioni di anni fa, ma dal questo momento c’è stato un rapido sviluppo.

I domini

• Batteri: sono i batteri più comuni, il più famoso è il batterio intestinale E. Coli
• Archeabatteri: Sono batteri che vivono in condizione estreme, come sorgenti solforose, con elevate temperature e pH molto acidi.
• Eucarioti:
  • Protisti
  • Funghi
  • Vegetali
  • Animali

I procarioti sono batteri con dimensioni dell’ordine del micron, senza nucleo ma dotati di una singola molecola di DNA circolare, non hanno né citoscheletro né organuli ma possiedono un flagello deputato al movimento. Presentano una membrana cellulare rigida ma porosa, composta da polisaccaridi e peptidi, una membrana cellulare impermeabile, e inoltre hanno ribosomi deputati alla sintesi proteica liberi nel citoplasma. Presentano inoltre un plasmide, una molecola di DNA capace di replicarsi indipendentemente dal DNA cellulare.

• Batteri sferici es: Streptococco
• A bastoncello es: Escherichia Coli
• A spirale es: Treponema Pallidum

Lo step successivo ai batteri o procarioti è stata la cellula eucariota, in cui la cellula separa i processi, cioè tutto ciò che è adibito ad una funzione è raccolto in una zona racchiusa da una membrana, per cui troviamo nel citoplasma le sostanze potenzialmente dannose, da eliminare.

Le compartimentalizzazioni sono:

• Nucleo
• Citoplasma
  • Reticolo endoplasmatico
  • Apparato del Golgi
  • Perossisomi/Lisosomi
  • Citoscheletro
  • Mitocondrio
  • Membrana plasmatica

Il nucleo è la zona adibita alla replicazione del DNA e alla sintesi del RNA, entrambi operate da degli enzimi, rispettivamente la DNApolimerasi e la RNApolimerasi. La zona nucleare è racchiusa da una doppia membrana porosa, detta involucro nucleare, contiene un ulteriore zona, non avvolta da membrana detta nucleolo, sede dell’assemblamento dei Cromosomi. Osservando al microscopio il nucleo si nota che vi è un’alternanza di bande chiare e di bande scure, è il DNA che sembra disorganizzato ma in realtà è solo organizzato, come eterocromatina e eucromatina, rispettivamente la forma non condensata del DNA, quella su cui le proteine possono agire, dette anche trascrittibili, e la forma condensata, non reattiva.

Il citoplasma è composto da:

• Reticolo Endoplasmatico: consiste in un sistema tridimensionale di membrane unite topologicamente tra loro, situato nel citoplasma, può essere Rugoso, che contiene ribosomi attaccati alla sua membrana, di conseguenza la sua funzione è quella deputata alla sintesi di proteine specifiche, mentre il RE liscio è deputato alla sintesi di lipidi. Lo troviamo spesso molto vicino al nucleo della cellula.
• Apparato del Golgi: è un sistema di cisterne impilate fra loro, se la cellula è polarizzata la troviamo vicina alle zone funzionali, la sua funzione è quella di rilasciare cisterne che fondono con la membrana se devono uscire dalla cellula, si legano alla membrana stessa invece se sono proteine di membrana, inoltre è deputato alla sintesi di polisaccaridi, è diviso in due zone, cis e trans. Sostanzialmente ciò che si produce nel RE è trasportato nel Golgi, dove è processato e successivamente rilasciato.
• Lisosomi e Perossisomi: sono la destinazione di tutto ciò che è inutile o dannoso, qui sono distrutti e rilasciati nello spazio extracellulare, in caso contrario c’è rischio per la cellula.
• Il citoscheletro: è costituito da una serie di filamenti di proteine, ed è adibito al movimento e alla stabilità cellulare. Altri modi per garantire il movimento della cellula è la presenza del flagello, comunque facente parte del citoscheletro, e l’uso di moti interni, cioè generare nuova membrana verso dove la cellula si deve spostare eliminando la parte che rimane indietro, mantenendo costanze il volume della cellula. Tornando ai filamenti, il citoscheletro è formato da tre tipologie di essi:
  1. Microtubuli (proteina tubulina)
  2. Fibre di Actina
  3. Filamenti intermedi
• Mitocondri e Cloroplasti: entrambi organuli dotati di doppia membrana, producono rispettivamente ATP (adenosina, 5’-tri-fosfato) tramite la respirazione cellulare e Glucosio tramite la fotosintesi clorofilliana. La prima è la molecola adibita agli scambi energetici, infatti la rottura di uno dei tre legami porta molta energia, difatti questa reazione è spesso reazione accompagnatrice di reazioni biochimiche, mentre la seconda è utile per la sopravvivenza cellulare, ma è presente solo nelle cellule vegetali.

Il metabolismo ossidativo è il processo tramite il quale la cellula produce energia, secondo la reazione: + → + + − È più efficace della glicolisi perché l’energia che rimane intrappolata nelle molecole dell’acido lattico (prodotti della glicolisi) è scissa fino a molecole base.

La presenza dei mitocondri e dei cloroplasti nelle cellule è spiegata con la teoria endosimbiotica, che ipotizza che cellule eucariotiche ancestrali si siano evolute grazie ad una associazione simbiotica con cellule di procarioti aventi migliori capacità nell’utilizzo di substrati metabolici. Questa teoria è supportata da alcune caratteristiche dei cloroplasti e dei mitocondri:

• Possono replicarsi autonomamente
• Posseggono DNA circolare proprio
• Hanno ribosomi
• Hanno un sistema distinto dal genoma cellulare
• Posseggono una doppia membrana
• Hanno dimensione simile a quella dei batteri

Evoluzione della cellula eucariota

1. Perdita della parete cellulare
2. Ripetuta invaginazione del plasmalemma ha provocato aumento della superficie, che implica maggiore superficie di assorbimento
3. Membrane interne si associano a ribosomi, alcune di queste sono quelle del nucleo.
4. Il DNA si è associato alla membrana di una vescicola, dando origine al precursore del nucleo.
5. Formazione del citoscheletro e del flagello.
6. Inclusione, per la teoria simbiotica dei procarioti con caratteristiche dei perossisomi, mitocondri e cloroplasti (solo nella cellula vegetale).

Lo step successivo sarebbe la creazione di organismi pluricellulari, ovvero sistemi complessi in grado di interagire e influenzarsi a vicenda, costituiti da cellule altamente differenziate e specializzate, organizzate in organi funzionali, diversi fra loro ma caratterizzati tutti dallo stesso genoma cellulare.

Chimica della cellula

La chimica della cellula è lo studio delle molecole e macromolecole di base della cellula. Queste macromolecole sono composte da subunità e a loro volta possono formare aggregati macromolecolari. Le subunità sono:

• Zuccheri, che formano polisaccaridi
• Acidi grassi che formano grassi/lipidi/membrane
• Amminoacidi che formano proteine
• Nucleotidi che formano acidi nucleici

Zuccheri e polisaccaridi

Detti anche carboidrati, perché formati sostanzialmente da un carbonio associato ad una molecola d’acqua, infatti la loro formula generale è: . Gli zuccheri semplici sono i principali nutrienti cellulari, si dividono in base al numero di atomi di carbonio nella formula e in base ai gruppi funzionali che caratterizzano la molecola, mentre i polisaccaridi hanno funzione di deposito e come riserva di zuccheri, ma oltre a queste partecipano anche alla formazione del glicocalice, partecipano alla modifica di proteine, entrano a far parte delle proteine di adesione.

Il glucosio è il principale nutriente cellulare e uno degli zuccheri più importanti, fa parte degli zuccheri esosi, poiché ha 6 carboni nella sua formula, inoltre è fonte di energia perché substrato per la sintesi di altri componenti cellulari.

Zuccheri triosi ( ) con tre atomi di carbonio intermedi di reazione della glicolisi, precursori del piruvato, un esempio sono la Gliceraldeide(aldeidico) e l’idrossiacetone(chetonico), due zuccheri triosi che sono isomeri, cioè contengono le stesse molecole in ugual quantità ma gli atomi sono disposti in maniera diversa nello spazio. Ci sono poi gli zuccheri Pentosi ( ) che hanno quindi cinque molecole di carbonio, il più importante è sicuramente il Ribosio(aldeidico), che come il glucosio possiede una forma chiusa, a pentagono.

Il DNA/RNA è formato in particolare dal (desossi)Ribosio β. Nel Nucleotide troviamo In posizione 1 la base, in posizione 2 troviamo il gruppo idrossile che perderà l’ossigeno nel desossiribosio, successivamente vi è la posizione definita 3’ che determina la fine della catena, ma è anche quella dove si aggiunge nella formazione della catena di DNA il nuovo nucleotide, nella posizione 5 troviamo i gruppi fosfati, ma rappresenta anche la posizione 5’ cioè l’inizio della catena.

Il legame glicosidico è il metodo tramite cui i monomeri dei carboidrati vanno a legarsi fra loro. Questo legame è un legame di condensazione, ovvero in cui va a perdersi una molecola di acqua, ottenuta dall’unione dei gruppi ossidrili di due carboidrati adiacenti, tra cui si formerà un ponte di ossigeno che li legherà. La reazione è totalmente reversibile, infatti l’opposta è la reazione di idrolisi, in cui tramite una molecola d’acqua il bimero si va a dividere in due unità.

I disaccaridi sono molti, i più importanti sono il maltosio formato dall’unione di due molecole di α-glucosio, il lattosio, formato dall’unione di una molecola di β-galattosio e una di β-glucosio, e il saccarosio, formato dall’unione di una molecola di α-glucosio e una di β-fruttosio.

• Disaccaridi, formati da 2 zuccheri
• Oligosaccaridi, Formati da più zuccheri
• Polisaccaridi, formati da molti zuccheri

Spesso molecole come glucosio nelle cellule sono immagazzinate in polisaccaridi ovvero lunghe catene della stessa molecola, nelle cellule animali e vegetali i polisaccaridi che svolgono questo compito sono rispettivamente il glicogeno e l’amido, con funzioni quindi di immagazzinamento in forma lineare ma che può essere anche ramificata. Un altro polisaccaride importante è la cellulosa, che nella cellula vegetale possiede funzioni strutturali, entra infatti a far parte della parete cellulare, non è ramificata e non viene metabolizzata dall’uomo. La differenza tra questi polisaccaridi è la molecola di glucosio che si ripete, ovvero l’α-glucosio nell’amido e nel glicogeno mentre il β-glucosio nella cellulosa.

I gruppi funzionali della molecola dell’α-glucosio sono quelli che troviamo ai carboni 1,4,6 due di questi (1-4) formano legami lineare, mentre il legame 1-6 dà origine ad un legame non lineare, che dà origine ad una struttura ramificata.

Acidi grassi e lipidi

Acidi grassi e lipidi sono macromolecole complesse che fanno parte delle cellule, possono essere sintetizzati, a partire dal glucosio o essere assunti tramite la propria dieta. Sono molecole con diverse funzioni:

• Deposito di energia
• Componenti della