Biologia applicata

Biologia

È lo studio delle scienze della vita; studio degli organismi per comprenderne la diversità e i complessi processi che ne regolano la vita.

Caratteristiche condivise degli esseri viventi

• Organizzazione cellulare: tutti gli esseri viventi sono formati da cellule; quelli con una sola cellula sono detti unicellulari, quelli con più cellule pluricellulari.
• Complessità ordinata.
• Sensibilità.
• Crescita, sviluppo e riproduzione.
• Uso di energia: energia che si sviluppa sotto forma di legami chimici, ATP.
• Omeostasi: equilibrio dell'organismo.
• Adattarsi all’ambiente circostante.

Adattamento evolutivo

La biologia comprende diverse materie: biochimica, zoologia, genetica… tutte accomunate da temi unificanti.

La teoria cellulare: tutti gli organismi sono costituiti da cellule, unità base della vita.

Nascita della teoria cellulare

• 1665: scoperta delle cellule usando i primi microscopi.
• 1676: prima osservazione di una cellula viva, i batteri.
• 1839: elaborarono la teoria cellulare; tutti gli organismi sono costituiti da cellule.
• Ogni cellula è generata da un’altra cellula → 1858.

A metà degli anni ’50 si capì che l’informazione genetica era presente nelle molecole del DNA.

Relazione struttura funzione

La funzione di una determinata molecola o dei più grandi complessi macromolecolari dipende dalla loro struttura.

Tale relazione permette di:

• Dedurre la funzione di molecole con strutture simili.
• Valutare il grado evolutivo di organismi diversi.

I sistemi viventi mostrano un’organizzazione gerarchica dove ogni livello si costituisce sopra quello sottostante: atomo - piccole molecole - molecole più complesse/macromolecole - organuli cellulari - cellula, livello cellulare.

Negli organismi pluricellulari, le cellule possiedono destini evolutivi diversi → differenziamento cellulare, grazie a cui si è passati al livello dell’organismo: tessuti – organi – organismo.

La cellula

Dimensioni medie: molto piccola, da 1 a 100 nanometri; le dimensioni sono così ridotte data la diffusione delle sostanze dentro e fuori la cellula.

Rapporto superficie/volume

All’aumentare delle dimensioni la superficie e il volume non aumentano in modo uguale; però con l’aumentare delle dimensioni, aumenta anche il tempo di diffusione.

La superficie fornisce l’unica via di scambio con l’esterno; una cellula piccola ha maggior superficie d'area per unità di volume rispetto alle cellule grandi → controllo più efficiente, minor dispendio di energia.

Caratteristiche principali di ogni cellula

• Nucleo/nucleoide.
• Ribosomi/RER.
• Citoplasma, in cui vi sono immersi i costituenti cellulari e si svolge la maggior parte delle funzioni cellulari.
• Membrana plasmatica, cellulare, plasmalemma, che definisce un ambiente interno e lo separa dall’esterno + regola ingresso/uscita di materiali.

In base alla presenza di un nucleo, le cellule vengono divise in:

• Cellule eucariotiche.
• Cellule procariotiche.

Differenze

• Dimensioni.
• Se hanno possibilità di movimento o sono immobili.
• Se è presente un rivestimento esterno alla membrana.
• Se usano ossigeno atmosferico o ne sono avvelenate.
• Se producono composti particolari, come ormoni, amido, grasso, pigmenti o gomma.

Cellula procariote

Cellula procariote, batteri…

Le cellule procariote sono le prime forme di vita comparse sul nostro pianeta.

Il termine procariota deriva dal latino pro, prima, e dal greco cario, nucleo; questo perché il loro DNA è generalmente disperso nel citoplasma in una regione interna della cellula chiamata nucleoide.

La dimensione media dei batteri è: da 1 a 10 nanometri.

Sono organismi unicellulari, cioè non si uniscono a formare organismi complessi, ma alcune specie di batteri possono formare una colonia.

Alcuni batteri vivono a spese di altri organismi e sono responsabili di danni più o meno gravi all'uomo, alle piante e agli animali.

Caratteristiche

• Membrana cellulare formata internamente da un doppio strato di fosfolipidi + esternamente alla membrana fosfolipidica, ricca di polisaccaridi, vi è una parete cellulare che fornisce protezione e struttura alla cellula.

La parete è formata da una molecola chiamata peptidoglicano, matrice di carboidrati interconnessi da piccoli polipeptidi, e varia notevolmente a seconda che si tratti di batteri grampositivi o gramnegativi.

La parete cellulare è proprio la struttura che gli antibiotici vanno a rompere e permettono in questo modo al nostro sistema immunitario di sconfiggere i batteri nocivi → quindi gli antibiotici interferiscono con l’abilità dei batteri nell’interconnettere i peptidi che compongono il peptidoglicano.

• Citosol → sostanza gelatinosa a base d'acqua, in cui vi si trovano immersi all'interno tutte le sostanze chimiche vitali, tra cui sali, zuccheri, enzimi, proteine, RNA e tutti gli organuli cellulari.

È simile a quello delle cellule eucariote, Actina/Tubulina.

All'interno del citoplasma si trova il DNA, che detiene l'informazione genetica per il corretto sviluppo e funzionamento di ogni organismo.

• Flagelli e Pili → organi di locomozione che permettono di muoversi nell'ambiente circostante e di difendersi.
• Flagelli → strutture proteiche.
• Pili → adesione.
• Movimento casuale o legato a chemiotassi.
• Flagellina → proteina principale che compone il flagello.
• Gancio/uncino → singola proteina motore che imprime movimento circolare.
• Corpo basale → serie di anelli, gradiente di protoni, proteine MOT e ATP.
• Nucleoide.
• Privo di compartimenti membranosi e organelli.

La riproduzione di una cellula procariote avviene mediante un processo di riproduzione cellulare asessuata, denominato mitosi.

Cellula eucariote

• Dimensioni medie: da 10 a 100 nanometri.
• Compartimentalizzazione – sistema endomembranoso → organelli/organuli, organizzazione delle reazioni biochimiche.
• Svolge funzioni in maniera differenziata/selettiva.
• Il citoscheletro è molto complesso.
• Nel nucleo è contenuto il DNA/informazione genetica.
• Alcuni procarioti presentano invaginazioni della membrana in cui avvengono i processi fotosintetici.
• Teoria dell’endosimbiosi → mitocondri e plastidi si sono formati in seguito a processi di ingestione.

Membrana plasmatica/plasmalemma

La membrana plasmatica è un ambiente dinamico, è in continua variazione della composizione, differenze tra cellule → movimento continuo di lipidi, proteine e zuccheri/glicoproteine.

Rappresenta l’involucro esterno che delimita i confini cellulari; inoltre protegge la cellula, permettendo gli scambi di molecole e ioni tra cellula e ambiente.

La membrana è spessa circa 8 nm, costituita da un doppio strato fosfolipidico in cui “galleggiano” proteine/glicoproteine, formato da:

• Lipidi → danno struttura e specificità / garantiscono integrità fisica della cellula e creano una barriera efficace, consentendo il passaggio di piccole molecole.
• Proteine → permettono il riconoscimento cellulare, captare segnali esterni / presentano numerose funzioni.
• Zuccheri → sono presenti solo esternamente, glicoproteine, e interagiscono con le molecole esterne – marcatori cellulari.

La membrana segue il modello a mosaico fluido che consente a molecole proteiche e a fosfolipidi di muoversi lateralmente per la membrana.

Nella membrana plasmatica è presente anche uno steroide, il colesterolo, che aiuta a stabilizzare il doppio strato di fosfolipidi.

Sul lato esterno della membrana cellulare, sporgono brevi catene di polisaccaridi che fungono da segnale di riconoscimento tra le cellule e che consentono alla cellula di svolgere alcune delle sue normali funzioni fisiologiche.

Lipidi

Struttura:

• Fosfolipidi → ha una molecola di glicerolo collegata a due catene di acidi grassi che possono avere legami singoli/doppio legame, ciò rende le catene sature o insature.

I fosfolipidi sono molecole “anfipatiche” perché hanno 2 parti: una idrofilica, che interagiscono con l’acqua, e una idrofobica, insolubili.

• Fosfatidilcolina → la molecola di glicerolo è collegata a un gruppo fosfato che a sua volta è legata a un’altra molecola.
• Colesterolo → steroide a 4 anelli idrocarburi; unica componente idrofilica è il gruppo ossidrilico.

Molecole anfipatiche

La forma e la natura anfipatica delle molecole lipidiche permettono la formazione naturale del doppio strato.

• Molecole idrofiliche → hanno gruppi cerchi o polari che interagiscono con l’acqua.
• Molecole idrofobiche → sono insolubili, con atomi privi di carica.
• Molecole apolari, quindi no interazioni con l’acqua.

Le teste idrofiliche entrano in contatto con l’acqua. Le code idrofobiche interagiscono tra loro.

Un doppio strato così costituito risponde ad un imperativo energetico annullando i bordi liberi e formando involucri intorno a spazi chiusi → ciò spiega la forma della cellula.

Proteine

Componente funzionale, 1/4 dei geni che codifica per proteine di membrana:

• Integrali – interagiscono con l’acqua e sporgono verso l’ambiente.
• Domini idrofilici: AA con catene laterali idrofile esterno.
• Domini idrofobici: carattere apolare, interagiscono con le catene apolari dei fosfolipidi.
• Periferiche.
• Assenza di domini idrofobici.
• Interazioni non con regioni polari dei fosfolipidi.

Tipi di proteine di membrana

• Trasportatori.
• Proteine di adesione cellula-cellula.
• Marcatori di superficie dell’identità cellulare.
• Recettori di superficie.
• Enzimi.
• Proteine di ancoraggio al citoscheletro.

Struttura/funzione

Le proteine di membrana possono essere associate con il doppio strato lipidico in vari modi:

• 1 e 2 → dominio transmembrana.
• 3 → formano i pori, foglietti-beta al posto delle alfa-eliche; porine: passaggio molecole o acqua.
• 4, 5 e 6 → ancorato al doppio strato.
• Domini apolari che legano i fosfolipidi.
• Domini polari disponibili per legami chimici, es con le proteine.
• Proteine G.
• 7 e 8 → ancorate ad altre proteine, proteine coinvolte nella traduzione del segnale.

Caratteristiche della membrana

Lipidi e proteine conferiscono alla membrana importanti proprietà:

• Stabilità data dai lipidi che sono la componente strutturale.

Forze non covalenti che associano i componenti lipidici:

• Interazioni idrofobiche tra code non polari.
• Legami elettrostatici tra teste polari.

L’acqua rende la disposizione dei fosfolipidi termodinamicamente vantaggiosa su entrambi i foglietti.

• Fluidità.

Influenzata da:

• Qualità dei lipidi, catene aciliche lunghe e sature: maggiori interazioni; catene aciliche corte e insature: minori interazioni.
• Colesterolo che influenza il movimento dei fosfolipidi; in elevate concentrazioni diminuisce il movimento sia delle teste polari che delle code apolari.

Ruolo della temperatura:

• Fluidità diminuisce + acidi grassi insaturi, a catena più corta – colesterolo → aumentare fluidità.
• Fluidità aumenta + acidi grassi saturi, a catena più lunga + colesterolo → diminuire fluidità.

• Discontinuità → proteine integrali interrompono la continuità della membrana.
• Asimmetria.

Dovuta a:

• Lipidi: fosfatidilinositolo, citosol, coinvolto nella risposta cellulare, fosfoetanolamina, citosol, curvatura della membrana.
• Proteine e zuccheri.
• Prodotti nel reticolo endoplasmatico.
• Fusione delle vescicole con membrana.
• Specifici enzimi li posizionano correttamente.
• Regioni glicosilate esposte verso ambiente esterno.
• Proteine trasportate mediante vescicole extracellulare nell’apparato del Golgi-lipidiche dal RER.
• Glicosilazione.
• Glicocalice, massima espressione asimmetria di membrana.

Meccanismi di trasporto

La cellula dev’essere in grado di comunicare con l’esterno.

Vi sono 2 tipi di trasporto:

• Passivo → in cui non è richiesta energia chimica, metabolica → no ATP.

Avviene nella direzione del gradiente di concentrazione, le molecole si spostano da una zona ad alta concentrazione ad una zona a bassa concentrazione, fino a raggiungere l’equilibrio, della sostanza da trasferire ai due lati della membrana e si arresta quando questo si annulla.

Tale tipo di trasporto non implica consumo di energia metabolica e può avvenire in entrambe le direzioni, con una velocità massima che dipende in gran parte dal numero di molecole di trasportatore presenti.

Il movimento delle sostanze si basa sulla diffusione e la velocità dipende da vari fattori:

• Dimensione e massa molecole/ioni.
• Densità soluzione.
• Temperatura soluzione.
• Gradiente di concentrazione.

Diffusione semplice

Essa avviene direttamente attraverso il doppio strato fosfolipidico ed è tipica di:

• Molecole solubili nei grassi → ormoni steroidei.
• Molecole gassose → O2, CO2, N2.
• Piccole molecole polari → acqua, urea, glicerolo, etanolo.

La velocità di trasporto dipende da gradiente + dalla temperatura e proprietà chimico-fisiche del soluto → le proprietà della membrana biologica influenzano il movimento.

Osmosi

L’acqua si muove attraverso le membrane semipermeabile grazie all’osmosi → è il passaggio di un solvente attraverso una membrana semipermeabile, da una zona poco concentrata a una molto concentrata al fine di possedere la stessa concentrazione.

Questo processo consente alle cellule di regolare la quantità di acqua presente al proprio interno, quindi la propria tonicità.

• Soluzioni isotoniche → stessa concentrazione di soluto.
• Soluzioni ipotoniche → concentrazione di soluto minore.
• Soluzione ipertoniche → concentrazione di soluto maggiore.

Diffusione facilitata

Essa è tipica di: aminoacidi, glucosio, fruttosio, nucleotidi…

• Grandi molecole polari.
• Molecole piccole polari e cariche: ioni K, Na, Cl, HCO3.

Essa si basa sul gradiente di concentrazione e può essere mediata da:

• Proteine-canale = acquoporine, canali ionici, per gli ioni.

Sono destinate al trasporto di ioni inorganici in modo specifico.

I canali sono chiusi e si aprono solo dopo uno stimolo elettrico, chimico o meccanico.

L’acqua passa attraverso la membrana per osmosi.

I canali sono idrofili.

I canali ionici sono importanti nelle cellule nervose e muscolari.

• Proteine-carrier/trasportatrici per le molecole polari.

Le proteine carrier interagiscono in modo diretto con le molecole di soluto, riconoscendole in modo stereo-specifico e formando così il complesso carrier-soluto, che a sua volta attraverso cambiamenti conformazionali consente il passaggio delle molecole da un ambiente all’altro della membrana plasmatica → è necessaria la presenza di sito di legame specifico che modifica la conformazione proteica del trasportatore.

Trasportano in genere metaboliti e sostanze generiche.

Possono agire delle volte, con una giusta