Biologia e Fisiologia

Appunti corso biologia e fisiologia (anno accademico 2019-2020)

Ingegneria biomedica (prof. Baruscotti Mirko)

Indice

• Molecole alla base della vita …………………………………………………………………….......2
• Nucleotidi e acidi nucleici …………………………………………………………………………………5
• Cellule ……………………………………………………………………………………...........................…..6
• Energetica cellulare ………………………………………………………………………………………….8
• Flussi e movimento delle molecole …………………..............………………………………10
• Membrane, canali e trasportatori …………………………………………...………………… 13
• Trasduzione del segnale …………………………………………….…………………………………. 14
• Fenomeni elettrici ed eccitabilità ………………………………………………………………… 14
• Neuroni e trasmissione sinaptica ……………………………………………….……………….. 17
• Neurotrasmettitori e recettori ………………………………………………………………….. 20
• Movimento …………………………………………………………...…………………………………………. 22
• Muscolo scheletrico …………………………………………………………….……………………..… 22
• Muscolo liscio …………………………………………………………………………..…………………….. 28
• Sistema nervoso ………………………………………………………………………………………………. 31
• Sistema sensoriale …………………………………………………………………………………….…… 34
• Sistema motorio …………………………………………………………………………………………….. 42
• Sistema endocrino …………………………………………………………………………….……………. 44
• Sistema respiratorio ……………………………………………………………………………..……….. 47
• Sistema cardiovascolare ………………………………………………………………………………. 54
• Sistema gastro-intestinale …………………………………………………………………………… 63
• Sistema urinario ………………………………………………………………………...………………….. 77

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Molecole alla base della vita

Legami chimici

• Acqua molecola polare perché densità di carica asimmetrica.
• Legami idrogeno: legami deboli tra molecole polari. O-H N-H F-H.
• Forze di Van der Waals: legami molto deboli ma in gran numero stabilizzano le molecole.

Acqua

• Nel corpo 42 L = 28 L liquido intracellulare + 14 L liquido extracellulare.
• Acqua allo stato liquido più densa di acqua allo stato solido. Liquida: tanti legami idrogeno. Solida: molecole più distanti e ordinate.
• Per rompere i legami idrogeno serve energia.
• Se le molecole d’acqua non formassero un reticolo di legami idrogeno sarebbe gasosa a temperatura e pressione ambiente.
• L’acqua ha un’elevata capacità termica e un elevato calore latente di evaporazione.
• Elevata capacità solvente dovuta a struttura chimica polare.
• È neutra (non passa corrente).
• È un isolante: fa sì che sostanze che normalmente formerebbero sali, in soluzione acquosa si trovino come ioni singoli che si possono muovere liberamente senza formare precipitati.
• Ogni ione in soluzione porta con sé un guscio di idratazione (scudo isolante che le molecole di acqua formano attorno allo ione con carica netta) la cui grandezza è inversamente proporzionale alla grandezza dello ione.

Molecole organiche

• Il carbonio può formare 4 legami covalenti.
• Contengono gruppi funzionali: ossidrilico (OH), carbonilico (CHO), carbossilico (COOH), amminico (NH2).
• Acidi: rilasciano protoni in soluzione acquosa, pH minore.
• Basi: rilasciano ioni OH-, pH maggiore.
• Isomeri: molecole con stessa formula chimica ma struttura differente.
• Stereoisomeri: strutture speculari.
• Isomeri strutturali: atomi assemblati in modo diverso (es. glucosio e fruttosio).

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Carboidrati

• Semplici (da 3 a 6 C): gliceraldeide (triosi), ribosio (pentosi), glucosio e fruttosio (esosi).
• Disaccaridi:
  • Maltosio = glucosio + glucosio (α 1-4).
  • Saccarosio = glucosio + fruttosio (α 1-2).
  • Lattosio = galattosio + glucosio (β 1-4) → l’organismo scioglie + facilmente legami α tramite idrolisi.
• Polisaccaridi:
  • Amilosio: amido (α 1-4) – f.ne energetica nei vegetali.
  • Glicogeno: unità di glucosio unite tramite legami α 1-4 – f.ne energetica negli animali.
  • Cellulosa: unità di glucosio unite tramite legami β 1-4 – f.ne strutturale nei vegetali.
  • Chitina: unità di glucosio + azoto, unite tramite β 1-4 – f.ne strutturale animali (non siamo in grado di scindere i legami della chitina).
• Glucosio va 33% nei muscoli, 34% nel fegato, 33% nel cervello.

Lipidi (composti principalmente da idrocarburi idrofobici)

Lipidi neutri (acidi grassi e trigliceridi)

• Immagazzinati nei lipociti come riserve energetiche.
• Trigliceridi = glicerolo + acidi grassi assorbiti nella dieta come acidi grassi e trasformati in trigliceridi negli adipociti.
• Acidi grassi (testa polare e coda lipofila):
  • Saturi – acido palmitico (sempre legami covalenti tra i carboni – dritti. Formano forti legami di Van der Waals: forma solida).
  • Mono-insaturi – acido oleico (a un certo punto doppio legame).
  • Poli-insaturi – acido linoleico (due doppi legami – hanno dei ripiegamenti, quindi fanno più fatica a legarsi, quindi liquidi; fanno bene a livello alimentare).

Fosfolipidi (colina + gruppo fosfato + glicerolo + acidi grassi)

• Anfipatiche: la testa interagisce con l’acqua, le due code sono idrofobiche.

Ormoni steroidei

• Colesterolo: molecola per la sintesi degli ormoni steroidei. È uno sterolo (steroide + catena idrocarburica laterale + singolo gruppo OH).

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Può inserirsi nel doppio strato fosfolipidico per renderlo più rigido.

• Cortisolo:
  • Secreto nelle ghiandole surrenali (zona corticale fascicolata) in risposta ad uno stress.
  • Aumenta i livelli di glicemia.
• Aldosterone:
  • Secreto in condizioni di disidratazione.
  • Prodotto nelle ghiandole surrenali (zona corticale glomerulare).
  • Mantiene l’equilibrio elettrolitico (controlla Na e K nel liquido extra cellulare).
  • Controlla la secrezione salivare.
• Testosterone:
  • Prodotto nelle ghiandole surrenali (zone corticale fascicolata).
  • Ormone sessuale maschile.
  • Gruppo funzionale carbonilico.
• Estradiolo:
  • Prodotto nelle ghiandole surrenali (zone corticale fascicolata).
  • Ormone sessuale femminile.
  • Gruppo funzionale ossidrilico.

Amminoacidi

• Se vengono protonati (ambiente acido), diventano cationi (carica +).
• Quando sono nella forma dipolare diventano zwitterioni (carica sia + che -).
• In ambiente basico diventano anioni (carica -).

Proteine

• Legame peptidico: condensazione del gruppo carbossilico del primo aa con il gruppo amminico del secondo. Peptide: molecola formata dalla combinazione dei due aa legati tramite legame peptidico.
• Struttura primaria: sequenza degli amminoacidi in una proteina.
• Struttura secondaria: α-elica e β-foglietto. Stabilizzate da legami idrogeno.
• Struttura terziaria: (3D) conformazione – proteina diventa funzionale. Ponti disolfuro (legano le cisteine).

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• Passaggio da primaria a terziaria: folding (∆G < 0) – entropia diminuisce, entalpia aumenta.
• Una determinata sequenza di aa si ripiegherà spontaneamente sempre nella stessa configurazione, quella termodinamicamente più favorevole. Questo avviene grazie a proteine guida: le chaperone (aiutano le proteine a ripiegarsi nel modo giusto in breve tempo) e le chaperonine (si legano provvisoriamente alle proteine neosintetizzate mentre queste si stanno ripiegando).
• La denaturazione di una proteina può essere causata da temperatura e variazioni estreme di pH (che modificano le cariche dei gruppi laterali degli aa, indebolendoli o addirittura distruggendo i legami ionici che cooperano nel mantenimento della struttura 3D).
• Numerose proteine possiedono una struttura terziaria flessibile che permette loro di sopportare limitate alterazioni nella forma tridimensionale (cambiamenti conformazionali) – es. canale ionico.
• Domini: estese strutture che hanno origine dal ripiegamento di porzioni di catena amminoacidica nella configurazione 3D.

Nucleotidi e acidi nucleici

Nucleotidi

• Una base azotata: formata da anelli di carbonio e azoto.
  • Pirimidine – singolo anello di atomi di C e N (uracile, timina, citosina).
  • Purine – due anelli (adenina e guanina).
• Uno zucchero pentoso:
  • Ribosio nell’RNA (gruppo –OH legato al carbonio 2’).
  • Desossiribosio nel DNA (gruppo –H legato al carbonio 2’).
• Una catena di uno, due o tre gruppi fosfato: si lega allo zucchero in C5’.
• Nucleotidi monofosfato formano DNA, RNA, AMP.
• Nucleotidi difosfato ADP, trifosfato ATP.

Acidi nucleici

• Legami fosfodiesterici: un nucleotide è legato al successivo grazie a un gruppo fosfato che funziona da ponte tra il C5’ del primo zucchero e il C3’ dello zucchero che segue.
• DNA: A-T (2 legami idrogeno) C-G (3 legami idrogeno).
• RNA: al posto di T (CH3) c’è U (H).

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• Acidi nucleici + proteine = nucleoproteine (costituiscono i cromosomi, le strutture vitali che raccolgono e organizzano il DNA all’interno delle cellule).
• All’interno del DNA c’è il genoma, composto da geni che codificano proteine differenti. Il gene è formato da due regioni: gli esoni (parti che andranno a formare la sequenza di mRNA matura) e gli introni (sequenze regolatrici sulla produzione di vari tipi di mRNA).
• Il 3% del DNA è formato da geni, il 97% è formato da non-coding RNA (funzione strutturale: formano ribosomi, e funzione regolatrice.

Cellule

• Da 8-10 micron (globuli rossi) a circa 100 micron.
• Il volume di una cellula determina la quantità di attività chimica che può avvenire all’interno di essa.
• L’area di superficie definisce la quantità di sostanze che possono essere scambiate tra l’interno della cellula e l’ambiente circostante esterno.
• Aumentare il diametro di una cellula determina che la superficie a disposizione non è più in grado di mantenere un adeguato scambio di nutrienti e prodotti di scarto per soddisfare l’attività chimica del suo intero volume (se x2 il diametro, allora x8 il volume ma solo x4 la superficie).

Membrana plasmatica

• Scambio di molecole organiche tramite endocitosi (sostanze entrano nella cellula) ed esocitosi (sostanza escono dalla cellula).
• Scambio di ioni e acqua tramite diffusione (semplice, facilitata da canale ionico, facilitata da proteina di trasporto).

Nucleo

• Doppia membrana, che contiene pori (strutture formate da proteine attraverso i quali passano 1) proteine nucleari sintetizzate nel citoplasma che devono entrare nel nucleo; 2) mRNA e non-coding RNA che vengono inviati nel citoplasma con funzione messaggera; 3) ribosomi, che, assemblati nel nucleolo, migrano nel citoplasma, dove faranno la sintesi proteica).
• I ribosomi possono essere o liberi nel citoplasma (dove producono proteine citoplasmatiche o nucleari) o legati al RER (dove producono proteine destinate ad essere inserite nella membrana o esportate nella cellula).
• Il nucleolo è una zona che si sviluppa attorno alla cromatina, contiene i geni che codificano per l’rRNA.

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Reticolo endoplasmatico

• Funzione principale: glicosilazione delle proteine (cioè aggiunta covalente di zuccheri alle proteine).
• RER – contiene ribosomi.
• REL – senza ribosomi. Qui avvengono:
  • Sintesi di molecole lipidiche (colesterolo, steroidi, trigliceridi, fosfolipidi).
  • Sintesi di glicolipidi e carboidrati.
  • Trasporto di proteine, glicoproteine, lipoproteine.
  • Sede in cui avviene l’idrolisi del glicogeno.
  • Sede in cui avviene la detossificazione di scorie metaboliche, sostanze nocive, farmaci.

Complesso di Golgi

• Apporta modifiche alle molecole che passano nelle sue cisterne:
  • Tagli proteolitici.
  • Glicosilazione e lipidazione.
  • Modificazioni post traduzionali di glicoproteine e glicolipidi sintetizzati.
  • Rimaneggiamento dei lipidi.
  • Immagazzina, impacchetta e distribuisce molecole già sintetizzare in varie regioni della cellula.

Lisosomi

• Contengono enzimi idrolitici (che lavorano a pH acido) che degradano le proteine, gli acidi nucleici, gli oligosaccaridi e i fosfolipidi, le cui componenti vengono riciclate.

Mitocondri

• Compiono la respirazione cellulare: utilizzano ossigeno per trasformare zuccheri e proteine in ATP e rilasciare CO2 e H2O come prodotti di rifiuto.
• Formati da:
  • Membrana esterna.
  • Spazio intermembrana.
  • Membrana interna, contiene proteine con tre funzioni:
    • Reazioni di ox della catena respiratoria.
    • Un complesso enzimatico (ATP sintasi) che produce ATP nella matrice.
    • Passaggio di metaboliti dentro e fuori dalla matrice.
  • Matrice, che contiene:
    • Enzimi per ossidazione del piruvato e degli acidi grassi.

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• Enzimi per il ciclo dell’acido citrico.
• Molte copie identiche del DNA del genoma mitocondriale.
• Ribosomi mitocondriali, tRNA, enzimi per l’espressione dei geni mitocondriali.

Citoscheletro

• Fa sì che le cellule possano assumere molte forme diverse.
• Permette il movimento della cellula.
• È formato da 3 tipi di filamenti:
  • Microfilamenti (coinvolti in contrazione muscolare, flusso citoplasmatico, ripartizione del citoplasma durante la divisione della cellula animale).
  • Microtubuli (continuamente assemblati e disassemblati; ancorano i vari organelli e sono i binari per il movimento delle vescicole).
  • Filamenti intermedi (supporto strutturale in molte cellule e tessuti).

Energetica cellulare

Leggi della termodinamica

• Descrivono il flusso di energia nei sistemi naturali.
• L’agitazione molecolare aumenta all’aumentare della temperatura.
• 1° legge ∆U = Q – L  gli eventi dell’universo si muovono sempre da uno stato ad alta energia verso uno stato a bassa energia (processo spontaneo).
• 2° legge ∆S = Q/T  T∆S = perdita di energia disponibile durante un processo reversibile.
• In tutti i sistemi viventi aumenta l’ordine, quindi diminuisce l’entropia.
• Energia libera di Gibbs: massima energia erogabile in un processo (ed energia potenziale accumulata nei legami chimici delle molecole) ∆G = ∆H - T∆S .
• K = velocità di reazione.
• All’equilibrio, il rapporto tra i prodotti e i reagenti è costante: Keq = k1/k2 = [C][D]/[A][B].
• ∆G° = -RTlnKeqKeq &