Biologia applicata - Basi molecolari della vita

Biologia applicata

Introduzione alla biologia

La biologia è lo studio della vita. Gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule (teoria cellulare) che devono contenere un’informazione genetica usata per riprodursi. Gli organismi viventi si evolvono, interagiscono e si autoregolano con l’ambiente esterno (omeostasi).

Il metabolismo, quando utilizza molecole ottenute dal proprio ambiente per sintetizzare nuove molecole biologiche, viene definito anabolismo; quando estraggono energia dall’ambiente per compiere un lavoro, viene definito catabolismo.

Una possibile definizione considera la vita “un sistema in grado di dirigere una serie ordinata di reazioni chimiche verso la sintesi di sé stesso”.

L'origine e l'evoluzione della vita

L'evoluzione è responsabile della diversità tra gli organismi viventi creatasi grazie al processo di ereditarietà dei caratteri. La Terra si è formata circa 4.5 miliardi di anni fa, mentre l’origine della vita sulla Terra avvenne tra i 4 e i 3.5 miliardi di anni fa. Successivamente, l’inizio del periodo Cambriano vide l’esplosione della diversità animale. I primati sono nati circa 85 milioni di anni fa, il genere Homo circa 2 milioni di anni fa, mentre l’H. Sapiens circa 200.000 anni fa.

Gli organismi modello sono degli organismi usati in biologia per studiare un determinato processo preservato nell’evoluzione. Per la definizione di vita, un organismo è considerato un essere vivente nel momento in cui mette in atto quelli che vengono definiti processi metabolici, che permettono all’organismo di trasformare ciò che ricava dall’ambiente esterno in energia o in altre sostanze attraverso delle reazioni chimiche.

Gli organismi viventi possono essere fototrofi o chemiotrofi in base all’energia che usano. I fototrofi estraggono l’energia dalla luce solare, mentre i chemiotrofi estraggono energia da composti inorganici o da composti organici.

I componenti chimici di una cellula

Una cellula vivente è composta da una serie ristretta di elementi, quattro dei quali (C, H, N, e O) corrispondono al 99% del suo peso. La sostanza più abbondante delle cellule viventi è l’acqua: essa rappresenta il 70% del peso di una cellula e la maggior parte delle reazioni intracellulari avvengono in un ambiente acquoso.

Se lasciamo da parte l’acqua, quasi tutte le molecole di una cellula sono composti del carbonio, che costituiscono la materia della chimica organica. Le macromolecole hanno come base il carbonio. Tutti gli organismi viventi contengono queste macromolecole:

• Proteine (polipeptidi)
• Acidi nucleici
• Carboidrati (polisaccaridi)
• Lipidi

L'atomo

L’atomo è formato dal nucleo e da una nube elettrica formata da elettroni. Il nucleo è formato da protoni e neutroni. Il numero di protoni nel nucleo indica il numero atomico dell’elemento. Gli elettroni sono dinamici e possono essere condivisi tra gli atomi formando legami:

• Legame covalente, condivisione di elettroni
• Legame ionico, trasferimento di elettroni da un atomo ad un altro; formato dagli ioni (es. NaCl)

Proprietà delle molecole

H₂O è una molecola polare con una carica leggermente negativa in corrispondenza dell’atomo di ossigeno e una carica leggermente positiva in corrispondenza dell’atomo di idrogeno. A causa della loro polarità, le molecole di H₂O possono formare legami idrogeno. A causa della loro polarità, le molecole di H₂O possono formare legami idrogeno anche con altre molecole polari e possono interagire con ioni carichi.

Come risultato di tali interazioni, ioni e molecole polari sono facilmente solubili in H₂O. Sono molecole cosiddette idrofiliche. Al contrario, molecole non polari, che non possono interagire con l’H₂O, sono poco solubili in un ambiente acquoso: idrofobiche. Conseguentemente, le molecole non polari tendono a minimizzare il loro contatto con l’H₂O, associandosi, invece, strettamente tra loro.

Biomolecole nella cellula

Le molecole sono le componenti base semplici delle cellule. I monomeri più comuni sono:

• Zuccheri
• Acidi grassi
• Amminoacidi
• Nucleotidi

Queste molecole si aggregano per formare macromolecole. I polimeri sono strutture ottenute dall’unione di monomeri attraverso la reazione di condensazione che porta all’eliminazione di molecole d’acqua. La reazione opposta si chiama idrolisi e viene usata per rompere i legami più piccoli.

I polimeri sono tenuti assieme da legami covalenti ottenuti dalla reazione di polimerizzazione. I legami deboli sono fondamentali per l’interazione di molecole polari diverse.

I polimeri più comuni sono

• Polisaccaridi, ottenuti dall’unione di zuccheri
• Grassi/lipidi/membrane, ottenuti dall’unione degli acidi grassi
• Proteine, ottenute dall’unione di amminoacidi
• Acidi nucleici, ottenuti dall’unione di nucleotidi

Gli zuccheri (glucidi, carboidrati)

Gli zuccheri sono i mattoni che compongono i polisaccaridi. I polimeri degli zuccheri vengono classificati in base alla lunghezza:

• Monosaccaridi (monomeri)
• Oligosaccaridi (polimeri corti)
• Polisaccaridi (polimeri lunghi)

I saccaridi hanno la funzione di generare energia nel processo del metabolismo (glucosio, amido), si occupano dell’interazione tra cellule diverse, infatti sono presenti sulla superficie delle cellule permettendo la comunicazione, inoltre hanno una funzione strutturale (cellulosa). Il numero di atomi di carbonio del polisaccaride distingue un’altra classificazione (esosi, ertosi, penotosi).

Il polisaccaride si forma tramite la reazione di condensazione, mentre l’idrosaccaride viene idrato. Il glucosio ha diverse “versioni”, in base ai suoi legami, nei diversi polisaccaridi:

• L’amido è la forma sotto la quale le piante immagazzinano i loro carboidrati
• Il glicogeno è la forma sotto la quale gli animali immagazzinano il glucosio
• La cellulosa, infine, è un tipo particolare di carboidrati che costituisce la struttura fisica di una pianta

I lipidi

I lipidi sono molecole apolari, idrofobe. Sono insolubili in acqua e hanno un’affinità per i solventi apolari e per gli altri lipidi. Sono una riserva energetica, possono essere usati per produrre calore e hanno una funzione strutturale nel comporre le membrane. I principali sono i trigliceridi (acidi grassi) e i fosfolipidi.

Gli acidi grassi, formati da un idrogeno legato ad una catena di carbonio, si distinguono per la loro lunghezza e per il loro numero di legami covalenti nella catena. Gli acidi grassi sono fondamentali per la loro funzione strutturale. I trigliceridi sono formati da 3 acidi grassi e una molecola di glicerolo.

I fosfolipidi sono trigliceridi modificati nei quali il glicerolo è legato a due acidi grassi e a un gruppo fosfato al quale è legato a sua volta un gruppo polare. La loro testa è polare, quindi idrofila, mentre la loro coda è idrofoba. I fosfolipidi sono molecole dette anfipatiche. Gli acidi grassi insaturi sono lipidi che non presentano doppi legami. Gli acidi grassi saturi sono lipidi che presentano doppi legami.

Tra i lipidi rientrano gli steroidi:

• Il colesterolo è un costituente delle membrane cellulari e il prodotto di partenza per la sintesi degli ormoni stereoidei
• La vitamina D₂ può essere prodotta nella cute per azione delle radiazioni ultraviolette su un derivato del colesterolo
• Il cortisolo è un ormone secreto dalle ghiandole surrenali
• Il testosterone è un ormone sessuale maschile

I carotenoidi sono fotopigmenti di piante o altri organismi fotosintetici, come le alghe. Hanno una funzione antiossidante.

Amminoacidi

Gli amminoacidi sono i costituenti base delle proteine. Sono formati da un gruppo amminico (H₂N), legato ad un carbono centrale (carbonio α) e a un gruppo carbossilico (COOH). Il terzo gruppo legato al carbonio è quello che contraddistingue gli amminoacidi.

A pH fisiologico, sia il gruppo carbossilico che quello amminico sono ionizzati. Il gruppo carbossilico di un amminoacido si lega al gruppo amminico di un secondo aminoacido attraverso un legame peptidico. Possiamo distinguere 20 tipi di amminoacidi. Alcuni amminoacidi vengono definiti essenziali in quanto non possono essere sintetizzati da altre sostanze.

Gli amminoacidi si legano con un legame peptidico che si ottiene da una reazione di condensazione. Il gruppo amminico di un amminoacido reagisce con il gruppo carbossilico di un altro, formando un legame peptidico. Per ogni legame formato si ha l’eliminazione di una molecola d’acqua. Questa reazione ripetuta più volte unisce molti amminoacidi in un polipeptide. La sequenza di amminoacidi all’interno della catena polipeptidica definisce il primo livello della proteina.

Proteine

La struttura primaria delle proteine è data dalla successione degli amminoacidi che compongono la proteina. La proteina ha, inoltre, altri tre livelli di organizzazione:

• Struttura secondaria - il filamento della struttura primaria si ripiega su se stesso andando a formare α-eliche e β-foglietti
• Struttura terziaria - i foglietti e le eliche si uniscono andando a formare una subunità proteica (monomero)
• Struttura quaternaria - le proteine terziarie si uniscono andando a formare una molecola proteica (dimero)

Le principali proteine sono:

• Enzimi - catalizzatori che accelerano la velocità delle reazioni chimiche
• Proteine strutturali - proteine del citoscheletro, collagene, elastina, cheratina, ecc.
• Proteine canale - proteine inserite nella membrana citoplasmatica che consentono il passaggio di molecole e ioni
• Proteine contrattili - assicurano la motilità delle cellule e degli organismi
• Ormoni proteici
• Proteine di trasporto - es. emoglobina del sangue
• Anticorpi - principale sistema di difesa degli organismi
• Proteine di deposito - deposito di materia o energia (es. ovalbumina, caseina del latte) o di particolari sostanze (la ferritina, deposito di ferro)
• Tossine

Malattie neurodegenerative legate ad un’alterata conformazione proteica

Morbo di Alzheimer: non corretto ripiegamento della proteina β-amiloide nel tessuto cerebrale umano che causa aggregazione di più molecole e formazione di fibre insolubili.

Encefalopatia spongiforme bovina (BSE): alterata conformazione di una proteina (prione) presente nel cervello di tutti i mammiferi. Presenta un aspetto vacuolare del tessuto nervoso e deposizione di aggregati proteici. La proteina prionica modificata è capace di indurre gli stessi cambiamenti in altre proteine con effetti a cascata. I prioni sono resistenti alla proteasi e, a differenza di virus e batteri, rimangono intatti anche dopo una cottura a 360 °C per oltre un’ora.

Acidi nucleici

I nucleotidi sono i principali costituenti degli acidi nucleici (DNA, RNA), sono “monete” di scambio energetico.

Principali nucleotidi, e loro derivati, che si incontrano nella cellula

I nucleotidi sono le subunità degli acidi nucleici. Un nucleotide consiste di una base azotata, uno zucchero a 5 atomi di C e uno o più gruppi fosfato. Le basi sono composti ad anello che contengono azoto. Si dividono in purine (adenina, guanina) e in pirimidine (citosina, timina, uracile). Gli zuccheri sono pentosi, cioè formati da 5 atomi di C. Essi sono il β-D-ribosio, usato nell’acido ribonucleico, e il β-D-2-desossiribosio, usato nell’acido desossiribonucleico. Il legame fra la base e lo zucchero è un legame N-glicosilico.

I fosfati sono normalmente uniti al gruppo OH in C5 del ribosio o del desossiribosio. Si dividono in:

• Monofosfato o AMP (catena di 1 fosfato)
• Difosfato o ADP (catena di 2 fosfati)
• Trifosfato o ATP (catena di 3 fosfati)

Il fosfato rende un nucleotide carico negativamente. I nucleotidi si abbreviano con tre lettere maiuscole. Qualche esempio:

• AMP = adenosina monofosfato
• dAMP = deossiadenosina monofosfato
• UDP = uridina difosfato
• ATP = adenosina trifosfato

Un nucleoside è formato da una base legata ad uno zucchero. I nucleotidi sono uniti da un legame fosfodiestere fra gli atomi di C 5’ e 3’, formando così gli acidi nucleici.

Funzioni dei nucleotidi

I nucleotidi, inoltre, hanno molte altre funzioni:

• Trasportano energia nei loro legami acido-anidride facilmente idrolizzabili (es. ATP)
• Si combinano con altri gruppi per formare coenzimi (es. coenzima A, CoA)
• Sono usati come molecole segnale specifiche all’interno della cellula (es. AMP ciclico, cAMP)

Gli acidi nucleici - DNA e RNA

Il DNA costituisce il materiale genetico ed è alla base dell’ereditarietà. L’RNA trascrive l’informazione genetica per produrre proteine e RNA di diversi tipi.

Struttura del DNA

In una molecola di DNA i due filamenti antiparalleli con sequenza nucleotidica complementare sono accoppiati in una doppia elica destrogira con circa 10 nucleotidi per giro. Le coppie di nucleotidi sono tenute assieme da un legame idrogeno.

Struttura dell'RNA

DNA e RNA sono entrambi polimeri lineari di nucleotidi. L’RNA differisce dal DNA in tre modi:

1. Contiene ribosio invece di desossiribosio
2. Contiene la base uracile (U) al posto della timina (T)
3. Esiste come filamento singolo e non doppio

L’RNA è a singolo filamento, ma contiene piccole regioni locali in cui le basi si accoppiano in modo complementare per un processo di ripiegamento casuale. Le regioni in cui le basi sono accoppiate si possono vedere al microscopio elettronico come ramificazioni della catena.

L'informazione genetica

La funzione del DNA:

• È la molecola dell’ereditarietà (replicazione o sintesi del DNA)
• Contiene l’informazione genetica necessaria per costruire le proteine della cellula (sequenza delle basi azotate; trascrizione in un mRNA e traduzione in una proteina)

Le molecole di DNA, lunghe catene di subunità chiamate nucleotidi, contengono l’informazione per la sintesi delle proteine. Le proteine costituiscono gran parte della struttura di un organismo e sono le molecole che controllano i processi biochimici della cellula.

Tutte le cellule dello stesso organismo contengono lo stesso genoma, ma lo esprimono in modo diverso. Un gene consiste di una specifica sequenza di nucleotidi. La sequenza nucleotidica di un gene contiene l’informazione per sintetizzare una specifica proteina.

La cellula

La teoria cellulare

Le cellule furono osservate per la prima volta nel 1665 da Robert Hook, che studiò con un microscopio rudimentale sottili fettine di sughero. Nel 1673 Antonie van Leeuwenhoek effettuò osservazioni di cellule vive, protozoi, batteri e spermatozoi, con lenti di sua produzione.

Nel 1838-39 Schleiden e Schwann, un botanico ed un zoologo, per primi osservarono la similarità tra tessuti animali e vegetali ed ipotizzarono che tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule. Essi credevano tuttavia alla generazione spontanea. Rudolph Virchow’s, nel 1858, affermò che le cellule potevano formarsi solo per divisione di una cellula preesistente: “Omnis cellula e cellula”.

Principi della teoria cellulare

1. Tutti i viventi sono formati da una o più cellule
2. Le cellule costituiscono le unità fondamentali di ciascun organismo
3. Tutte le cellule derivano da altre cellule

Le cellule di tutti gli organismi viventi hanno delle caratteristiche comuni:

• Contengono DNA
• Sono dotate di una membrana plasmatica, che separa l’ambiente interno della cellula dall’ambiente esterno
• Sono in grado di completare alcune funzioni metaboliche di base
  • Sintesi e degradazione di molecole
  • Produzione di energia
  • Assunzione di materiali dall’esterno ed “eliminazione dei rifiuti”
  • Comunicazione
  • Regolazione e coordinazione delle attività

Le cellule rientrano tutte in un breve intervallo di dimensioni (all’incirca tra 1 e 100 μm). Il limite superiore delle cellule dipende da:

• Minimo rapporto tra area di superficie e volume
• Tassi di diffusione delle molecole
• Concentrazione locale di substrati ed enzimi

Il limite inferiore, invece, dipende da:

• Numero minimo di substrati ed enzimi
• Volume minimo per contenere il DNA

Il volume cellulare è correlato al metabolismo, mentre dalla superficie dipende la quantità di sostanze che può transitare dall’esterno alla cellula e viceversa. La dimensione e la forma dipendono dalla funzione della cellula.

Esseri viventi

Evoluzione e classificazione

Gli esseri viventi si dividono in:

• Archeobatteri
• Eubatteri
• Protisti (es. alghe, amebe)
• Piante
• Funghi
• Animali

Archeobatteri ed eubatteri

Carl Woese, in base ad analisi della sequenza delle subunità minore dell’RNA ribosomiale (rRNA 16S), ha indicato l’esistenza di due domini:

• Archaea
  • Senza peptidoglicano
  • Metanogeni
  • Lipidi con legame etere
  • Insensibili alla rifamicina
  • Vivono in condizioni simili a quelle “della terra primitiva”