Appunti esame Biologia

Biologia: introduzione alla biologia cellulare

1600: inventati i primi microscopi, Robert Hooke metteva tutto sotto il microscopio soprattutto il sughero, che aveva compartimenti regolari, a forma di celle ed è da qui che prende il nome la cellula. Prende il vero nome di “teoria cellulare” solo nel 1800.

Teoria cellulare

Teoria cellulare:

Tre punti della teoria:

• La cellula è la più piccola unità che presenta le proprietà tipiche della vita, subcellulare non è autonoma, non è vivo.
• Le cellule si moltiplicano solo in seguito a crescita e divisione di cellule preesistenti.
• Tutti gli organismi sono formati da una o più cellule.

Microscopi

Sotto i 100 micrometri l’uomo vede una cosa unica anziché due cose separate.

Microscopio ottico: luce come sorgente energetica, con delle lenti che potrò vedere le cellule, le cellule vanno dai 100 micrometri a 1 micrometro, se voglio vedere dentro la cellula non mi basterà più la luce.

La piccola dimensione cellulare è un’esigenza pratica che deriva dal modo in cui varia il rapporto tra superficie e volume di ogni oggetto.

Microscopio elettronico: fascio di elettroni per vedere cose ancora più piccole, la risoluzione di un microscopio elettronico è di circa 0,2 nm.

Microscopia ottica a fluorescenza: è un microscopio a luce ultravioletta che utilizza una lunghezza d'onda specifica per illuminare il campione.

Microscopia elettronica a trasmissione: è una tecnica usata per osservare le funzionalità di esemplari molto piccoli. La tecnologia utilizza un raggio degli elettroni accelerato, che attraversa un esemplare molto sottile per permettere di osservare la struttura e la morfologia di cosa stiamo osservando.

Microscopia elettronica a scansione: sfrutta un fascio di luce che colpisce il campione.

Eucarioti e procarioti

Le cellule si dividono in due tipi: procariote ed eucariote.

Procariote = batteri organismi unicellulari; sono la forma di vita dominante nella biosfera.

Eucarioti = animali, vegetali, funghi e protisti (protozoi, raccoglie tante cose diverse contengono gli eucarioti unicellulari.

Sia i procarioti sia gli eucarioti sono formati da macromolecole.

Macromolecole della vita = 4 categorie: proteine, acidi nucleici, polisaccaridi e i lipidi.

• Proteine: polimeri di aminoacidi.
• Acidi nucleici: polimeri di nucleotidi.
• Polisaccaridi: polimeri di zuccheri monosaccaridi.
• Lipidi: grosse molecole di natura idrofoba.

Polimero: unione di più monomeri tramite un legame forte (legame covalente). I polimeri possono essere lineari o ramificati.

Proteine

Proteine: il monomero della proteina è l’aminoacido. Gli aminoacidi sono formati da un carbonio che forma 4 legami: idrogeno, gruppo carbossilico, gruppo amminico e un gruppo variabile R.

Gli aminoacidi in natura sono 20.

Più aminoacidi formano i polimeri, si uniscono attraverso il legame peptidico (legame tra due aminoacidi gruppo carbossilico e gruppo amminico dell’altro monomero). Le proteine sono polimeri lineari, l’ordine è determinato dalla cellula utilizzando un messaggio genetico.

Struttura primaria: quali aminoacidi sono e come sono in ordine non sono mai ramificate.

Struttura secondaria: evitano il contatto con l’acqua e si ripiega. La interazione con l’acqua dell’ambiente intracellulare determina il ripiegamento di parti della struttura primaria.

Struttura terziaria: si ripiega ulteriormente, una regione forma un legame con un’altra regione di un’altra proteina.

Struttura quaternaria: più proteine si uniscono tra di loro, es. emoglobina è formata da 4 strutture insieme.

Carboidrati

Carboidrati: polimeri di monosaccaridi. I monosaccaridi sono composti organici contenenti gruppi alcolici (O-H) e un gruppo aldeidico o un gruppo chetonico (è un carbonio che fa un doppio legame con un ossigeno). Aldeidi: carbonio primario o in cima o in fondo alla catena.

Chetone: il carbonio è nel centro della catena.

Quando hanno più di 4 atomi di carbonio si ripiegano su se stessi in modo da portare il gruppo chetonico o aldeidico vicino ad un gruppo alcolico. I due gruppi reagiscono spontaneamente facendo assumere alla molecola la forma ad anello chiuso.

Monosaccaridi: si devono unire tra di loro per formare il polimero. La maggior parte dei monosaccaridi ha una lunghezza tra 3 e 6 atomi di carbonio. Glucosio: è un esoso, 6 atomi di carbonio e ha il gruppo aldeidico. Fruttosio: 6 atomi di carbonio e gruppo chetonico. Desossiribosio: pentoso a 5 atomi di carbonico, gruppo aldeidico.

Disaccaridi: si formano a due a due, glucosio + fruttosio = saccarosio, possono essere lineari o ramificati. Si uniscono tramite legami covalenti.

Oligosaccaridi: 3-20 monomeri uniti tra di loro.

Polisaccaridi: da centinaia a migliaia la loro sequenza non è determinata geneticamente mentre quello della proteina sì. I polisaccaridi possono essere omopolimero o etero polimeri. Sono polisaccaridi: l’amido, il glicogeno e la cellulosa. (Cellulosa è lineare, amido parzialmente ramificato e glucosio, altamente ramificato).

Acidi nucleici

Acidi nucleici: polimeri di nucleotidi nucleotide tre componenti: zucchero pentoso (5 atomi di carbonio) è diverso a seconda che si parli di DNA (deossiribosio) gli manca un gruppo ossidrile ed RNA, ha il suo gruppo ossidrile (ribosio) + base azotata, sono composti di azoto: pirimidine e purine. Le pirimidine hanno un solo anello e sono citosina, timina e uracile (sostituisce la timina nell’RNA). Le purine sono: adenina e guanina + gruppo (i) fosfato, è sempre sul carbonio 5.

I nucleotidi sono legati tra loro attraverso legami fosfodiesterici tra il gruppo ossidrilico sul carbonio 3 e in gruppo fosfato del nucleotide successivo.

Lipidi

Lipidi: vanno divisi in due categorie: acidi grassi (trigliceridi e fosfolipidi) e steroli, derivate del colesterolo. I lipidi non sono miscibili con l’acqua, a causa dei loro numerosi legami covalenti apolari.

Trigliceridi: una molecola di glicerolo a cui sono attaccati tre acidi grassi. Sono tipo magazzino per conservare l’energia. Lunghe catene idrocarburiche non ramificate.

Fosfolipidi: ha un gruppo fosfato, ha una parte tutta apolare a su un carbonio del glicerolo è legato un gruppo fosfato che può essere legato a composti chimici diversi. Tutti hanno il glicerolo e il fosfato con un gruppo chimico diverso e acidi grassi che possono essere diversi tra loro.

Molecola anfipatica: una parte che respinge l’acqua e un gradisce il contatto.

La struttura delle membrane biologiche

Sia le cellule procariotiche che quelle eucariotiche sono rivestite dalla membrana plasmatica che delimita l’ambiente intracellulare da quello extracellulare.

Nelle membrane dei globuli rossi: 49% proteine, 43% lipidi, 8% carboidrati.

Composizione chimica della membrana

Composizione chimica della membrana:

• Lipidi: fosfolipidi (molecola anfipatica) ha una testa che è la parte polare e due code che rappresentano la parte apolare, gli acidi grassi, possono essere di due tipi gli acidi grassi: saturi, dove ogni carbonio forma solo singoli legami, ha una struttura dritta e insaturi, una coppia di carboni invece di formare 4 legami singoli forma un doppio legame con un altro carbonio.

Dove c’è il doppio legame la molecola forma una piega. La membrana non è un solido, è formata da molecole separate perché le molecole si possono muovere come vogliono. Nel foglietto i fosfolipidi si muovono come vogliono ma non possono attraversare i foglietti. Il foglietto è liquido quindi i fosfolipidi sono liberi di muoversi e come tutti i liquidi possono avere una maggiore o minore viscosità, questa fluidità della membrana è regolata dalla temperatura; all’aumentare della temperatura aumenta la viscosità, perché le particelle si muovono. Temperatura di transizione = aumento troppo i movimenti e la membrana si sgretola. Questa fluidità deve stare in determinati valori, deve consentire il movimento delle molecole ma deve consentire anche di fondersi tra di loro.

Come si regola la fluidità? La lunghezza delle molecole di acidi grassi, numero di doppi legami degli acidi grassi e la quantità di molecola di colesterolo.

La lunghezza dell’acido grasso è responsabile dell’acido grasso a temperatura ambiente; a temperatura ambiente il burro è un solido e non ha doppi legami e l’olio liquido ed è insaturo con doppi legami. La ripiegatura a cui va incontro l’acido grasso crea disordine, più si allontanano più la membrana diventa fluida. Aumenta la fluidità all’aumentare dei doppi legami. Code più corte, meno contatto più fluidità.

• Glicolipidi (c’è attaccato un polimero di carboidrati).
• Colesterolo: è anfipatico si dispone nel foglietto lipidico come i fosfolipidi.

Il colesterolo riduce la fluidità perché è una molecola molto rigida che associandosi alla parte prossimale delle code di acidi grassi le rende dritte e quindi ben allineate tuttavia alle basse temperature impedisce alle code di acidi grassi di impacchettarsi troppo strettamente. Funzione tampone.

Gli organismi devono essere in grado di modificare la fluidità delle proprie membrane per evitare la gelificazione: adattamento omeoviscoso. Questo fenomeno ha un’importanza radicale per gli organismi pecilotermi (non in grado di regolare la loro temperatura). Ma è anche applicato d vertebrati a sangue caldo in particolari condizioni (ibernazione). Barriera selettiva perché i fosfolipidi proteggono la membrana.

• Proteine: alcune proteine di membrana sono inserite completamente nel doppio strato e lo attraversano da parte a parte.

Al pari dei fosfolipidi anche le proteine presentano una regione idrofila e una regione idrofoba rappresentano la parte funzionale della membrana esistono due tipi di proteine: le proteine integrali e le proteine periferiche.

Le proteine integrali di membrana, proteina che penetra all’interno del doppio foglietto lipidico, proteine trans di membrana avranno una parte che guarda fuori, dentro e che passa attraverso il foglietto lipidico conterrà aminoacidi con gruppo R apolare. Possiedono domini idrofobi e penetrano nel doppio strato fosfolipidico.

Le proteine periferiche stanno vicino alla membrana ma non formano nessun tipo di interazione, perché non presentano regioni idrofobe; si trova dentro la cellula.

Le proteine ancorate a lipidi di membrana non vanno dentro il foglietto, sono legate mediante legami covalenti a lipidi di membrana, stanno sempre sulla membrana.

Le proteine integrali che sporgono su entrambi i lati della membrana vengono definite trans membrana. Le proteine periferiche sono localizzate su uno dei due versanti della membrana, ma non su entrambi.

Funzioni delle proteine di membrana: attribuiscono alla membrana le proprie funzioni trasporto di molecole, adesione intercellulare, riconoscimento tra cellule, adesione alla matrice extracellulare, trasduzione del segnale (comunicazione, una cellula deve sapere cosa fare), attività enzimatica e trasporto di elettroni.

• Carboidrati: glicolipidi o glicoproteine si trovano sul lato extracellulare e non stanno mai da soli ma attaccati a lipidi o proteine, solo a livello extracellulare.

Glicocalice, quantità di glucidi. Funzione meccanica: servono per lubrificare e formano il gel, le cellule scivolano una sull’altra e funzione di riconoscimento delle cellule e cellule con matrice.

Quando i glucidi sono particolarmente abbondanti costituiscono una struttura protettiva detta glicocalice. Funzione meccanica: barriera contro organismi patogeni e lubrificazione. Funzione biologica: riconoscimento tra cellule: durante la fecondazione, per il riconoscimento self e no-self e nel processo di fuoriuscita dei vasi dei globuli bianchi.

Modello a mosaico fluido, non si tratta di un solido ha tutte una serie di proprietà e di funzionalità che abbiamo attribuito alle proteine.

Attraverso la membrana plasmatica avvengono processi di trasporto che garantiscono alla cellula scambi con l’ambiente extracellulare. Solo alcune molecole possono attraverso la membrana (barriera lipidica) permeabilità selettiva.

Possono passare anche molecole polari, è una molecola neutra perché la distribuzione degli atomi è simmetrica. Molecole piccole, apolari ma possono essere anche polari purché siano piccole (attraversano la membrana).

Non passano le molecole grandi e non passano le molecole cariche (lo ione non passa).

Processi di diffusione

Processi di diffusione: la diffusione è il processo di movimento casuale verso uno stato di equilibrio; è dunque il movimento netto di particelle da regioni a concentrazione maggiore verso regioni a concentrazione minore. Esistono due processi di diffusione:

• Gradiente: due soluzioni separate attraverso l’interposizione di una membrana semipermeabile che consentirà il passaggio del soluto; una ha un solvente in cui è disciolto il soluto.

Da una parte molecole di soluto, membrana, solvente; le molecole di soluto si muovono liberamente e passano da dove sono più concentrate a dove sono meno concentrate (andamento dinamico). Ad un certo punto avrò tante molecole sulla dx e sulla sx avrò un equilibrio, ma all’inizio ho avuto uno spostamento netto, a favore di gradiente. Avviene spontaneamente, è una reazione che libera energia perché passo da uno stato a bassa entropia (basso disordine). Uno spostamento a favore di gradiente libera energia.

• Osmosi: il soluto non può passare perché c’è una membrana che impedisce di passare, qua si muove il solvente da B verso A, spostamento che renderà la concentrazione uguale tra A e B e causerà un cambiamento del volume.

Fa abbassare la concentrazione in A fino a raggiungere l’equilibrio.

Soluzione ipotonica: soluzione in cui la concentrazione è inferiore del soluto rispetto alla concentrazione che ho dentro la cellula, l’acqua entra e la cellula si lisa.

Soluzione ipertonica: soluzione in cui la concentrazione di un soluto è più alta che dentro la cellula, l’acqua esce e la cellula si raggrinzisce.

Soluzione isotonica: equilibrio.

Trasporto passivo: a favore di gradiente senza consumo di energia: diffusione semplice e diffusione facilitata.

Trasporto attivo: contro gradiente e con consumo di energia: diretto e indiretto.

Trasporto passivo

Diffusione semplice: sostanze apolari o piccole sostanze polari. Non saturabile se io metto 50 molecole fuori dalla cellula e 0 dentro raggiungerò l’equilibrio 25 dentro e 25 fuori. Si muovono attraverso il doppio foglietto quindi se c’è un gradiente queste molecole passano.

Diffusione facilitata: sostanze polari o di grandi dimensioni. Grazie all’aiuto di proteine trasportatrici. Saturabile. Proteine trasportatrici: il canale (è aperto) e proteine Carrier, meccanismo a tempo. Le proteine canale hanno una cavità interna delimitata da amminoacidi polari e acqua e amminoacidi non polari sul lato esterno della proteina. Le proteine carrier sono implicate nel trasporto di molecole polari come i carboidrati e gli amminoacidi.

Traffico del glucosio: tessuto intestinale, cellule epitelio intestinale e in mezzo il lume e poi il canale dove circola il cibo, nel cibo ci sarà il glucosio; enterocita (cellula epiteliale dell’intestino), trasporto attivo questo glucosio viene concentrato nell’enterocita, avremo questo enterocita pieno di glucosio e a una simmetria all’interno della struttura. La concentrazione di glucosio è maggiore nel circolo sanguigno, entra attivamente ed esce passivamente dalla membrana basale dell’enterocita e va nel circolo ematico.

Trasporto attivo

Trasporto attivo avviene contro gradiente e quindi necessita di energia.

ATP (nucleotide) importante per l’immagazzinamento dell’energia. Il gruppo fosfato è carico negativamente, avvicinare tre gruppi fosfato non è facile, il legame che vado a formare è ad alta energia. Il nucleotide trifosfato ha un enorme energia dentro e quando si rompe una lega si libera molta energia. Glucosio degradato energia dentro ATP.

Trasporto attivo diretto: l’idrolisi di ATP avviene direttamente al momento del trasporto contro gradiente della sostanza in questione. Sarà sicuramente un Carrier e non un canale perché è un’apertura. Trasportatori attivi si chiamano Pompe, in questo caso è la Pompa sodio/potassio, sposterà contro gradiente tre ioni sodio da dentro a fuori e sempre contro gradiente 2 potassio da fuori a dentro. Sono entrambi cariche positive e alla lunga creerò un potenziale.

Trasporto attivo indiretto: l’idrolisi di ATP avviene per creare un gradiente di una sostanza il cui movimento a favore di gradiente e sfruttato da un’altra sostanza per muoversi contro gradiente.

Es: l’obiettivo è di portare una molecola S contro gradiente, da fuori a dentro. S passerà attraverso questo Carrier perché insieme al suo passaggio ci sarà insieme lo ione di idrogeno a favore di gradiente, contemporaneamente all’ingresso di S. Il passaggio di H favorisce il passaggio di S, contro gradiente di S ma uso energia, non ATP ma l’energia del passaggio a favore del passaggio di H. Non ha una sorgente immediata da ATP, ma è stato usato per creare il gradiente di H. S va contro gradiente, ho utilizzato energia, ma sembra che non si sia usato l’ATP ma è stato creato per il passaggio di H. Pompa che porta H fuori.

Nel percorso del glucosio c’è un punto di trasporto attivo, questo trasporto è attivo e indiretto, la molecola da trasportare è il glucosio che dobbiamo portare contro gradiente dentro la cellula intestinale, entra perché è mosso dal sodio pompa sodio/po