Biologia e genetica

Introduzione e riassunto generale

Le cellule eucariote si differenziano da quelle procariotiche per la presenza del nucleo e del sistema delle endomembrane. Le caratteristiche comuni sono la presenza di ribosomi che non sono organuli (formati da due subunità formate da RNA e proteine); un'altra cosa in comune è il DNA che contiene il materiale genetico e la membrana cellulare.

Gli organismi viventi sono fatti da tante cellule, questo dipende dal tipo di organismo:

• Multicellulari: Miliardi di cellule molto piccole che si organizzano in tessuti, organi, apparati e organismo; qui ogni gruppo di cellule fa una specifica funzione.
• Unicellulare: Una cellula che svolge tutte le funzioni che servono.

Riproduzione delle cellule

Le cellule si riproducono secondo modalità differenti; quelle somatiche (formano il soma, il nostro corpo) si dividono per mitosi, per esempio, le cellule dell'epidermide rappresentano un modello cellulare con frequenza molto elevata di divisioni mitotiche (le cellule si dividono a partire dallo strato basale e man mano risalgono e si cheratinizzano). Le cellule delle gonadi maschili e femminili oltre la mitosi, ma essendo cellule germinali, si dividono anche per meiosi che serve a produrre i gameti aploidi: spermatozoi e cellule uovo (cellule aploidi deputate alla fecondazione). Nel momento in cui i gameti si fondono in seguito alla fecondazione si ritornerà ad avere un cariotipo diploide, si forma così lo zigote da cui si avrà il futuro individuo.

Metabolismo cellulare

Le cellule respirano per vivere (attraverso un metabolismo ossidativo), in questo modo ottengono i principi nutritivi che saranno convertiti in glucosio, proteine e ossigeno. Attraverso la respirazione cellulare la cellula produce energia sotto forma di ATP; oltre all'adenina trifosfato viene prodotta anche CO₂ e acqua. L'ATP serve per reazioni di sintesi (anabolismo), oltre che a svolgere tutte le funzioni cellulari come l'accrescimento o anche la morte programmata (apoptosi).

Adattamento e macromolecole biologiche

Tutti gli esseri viventi hanno capacità di adattamento che si realizza in un tempo breve come, ad esempio, la regolazione in base alla temperatura esterna per mantenere l'omeostasi, oppure più lungo come nel caso dell'evoluzione. Le cellule sono costituite da macromolecole biologiche: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici (sono due, DNA e RNA). Le macromolecole sono formate da tanti monomeri diversi a seconda della macromolecola e uniti fra loro attraverso legami covalenti, possono essere definiti polimeri biologici.

Nel caso degli acidi nucleici il monomero è il nucleotide formato da zucchero pentoso (desossiribosio e ribosio che differiscono per un O in meno del desossiribosio al C 2'), base azotata (adenina, citosina, guanina, timina-uracile) e gruppo fosfato. Ogni nucleotide ha al C 5' un gruppo fosfato e al 3' un gruppo OH, il legame covalente fosfodiestereo si forma fra il gruppo fosfato di un nucleotide e il gruppo OH di un altro.

Proteine e carboidrati

Nel caso delle proteine possiamo avere diverse strutture dalla primaria alla quaternaria e queste strutture sono collegate alla funzione che le macromolecole sono tenute a svolgere, variazioni di conformazione reversibili e veloci permettono alle proteine di interagire. Zuccheri e lipidi sono importanti dal punto di vista strutturale o per la comunicazione cellulare.

Biologia e medicina di precisione

Parte dello studio delle molecole e dei processi biologici è capire quali sono le cause biologiche di alterazione del metabolismo che portano dalla salute alla malattia e, per fare questo, è necessario conoscere al meglio il metabolismo (l'insieme delle reazioni che permettono la vita della cellula); questo permette di generare farmaci che sostituiscono quelle molecole che sono alterate e che quindi vengono meno.

Farmaco generalista → viene dato a tutti e il suo effetto non è sempre ottimale.

Farmaci di precisione o biologici → interferiscono o sostituiscono molecole non più attive, l'effetto è ottimale perché agiscono esattamente dove servono. Con la medicina di precisione possiamo predire se ci sono delle varianti nel genoma (se possiede geni di suscettibilità che lo potrebbero far andare incontro a patologie) e quali sono i giusti farmaci da somministrare. Il rovescio della medaglia è che questo sistema potrebbe invadere la privacy del paziente o discriminare i pazienti una volta presa coscienza che uno è più predisposto rispetto a un altro a sviluppare la patologia nel tempo; questo porterebbe a polizze assicurative discriminatorie o assistenza sanitaria non idonea.

Scienze omiche

Le scienze omiche studiano l'insieme e la totalità delle cellule espresse da un singolo individuo. L'individuo porta dentro e sopra di sé miliardi di altri organismi: batteri.

• Microbioma → la flora batterica che abbiamo è personalizzata e varia da individuo a individuo perché si ha diverso patrimonio batterico; l'odore della pelle che è diverso per ognuno deriva dal microbiota presente sulla cute. La nostra flora batterica viene acquisita e si può modificare nel tempo con fattori come età, fattori di stress, alimentazione; l'alterazione della flora può portare a infezioni che si traducono in malattia. La maggior parte dei batteri della flora non possono essere coltivati sulla terra.

Le molecole organiche

La composizione chimica della cellula è molto simile a quella della crosta; dal punto di vista chimico, la differenza la fa la presenza delle molecole biologiche: lipidi, carboidrati, acidi nucleici e proteine. Le macromolecole sono sintetizzate mediante una polimerizzazione a partire da piccole molecole simili dette monomeri; l'aggiunta dei monomeri avviene per reazione di condensazione e quindi tramite l'eliminazione di una molecola d'acqua; viceversa, se si vuole ridurre un polimero ad un monomero è possibile attraverso l'idrolisi (aggiunta di una molecola d'acqua).

Tra i composti chimici il 15% circa corrisponde a proteine. Le proteine sono importanti per il metabolismo, la maggior parte di queste sono enzimi e catalizzano per le reazioni metaboliche, non c'è attività biologica dove siano assenti le proteine; possono svolgere qualsiasi funzione di ogni distretto cellulare grazie alla loro diversità che deriva dalle diverse sequenze di amminoacidi nella struttura primaria.

Le proteine sono polimeri lineari di amminoacidi (60 in una singola cellula), circa 20 vengono utilizzati nella sintesi delle proteine. Non esistono due proteine che abbiano la stessa sequenza aminoacidica, ma tutti gli amminoacidi hanno una struttura di base fatta da un gruppo carbossilico, uno amminico, un idrogeno e un gruppo R che permette il differenziamento delle funzioni. Dei 20 amminoacidi citati prima, 9 sono idrofobici in quanto hanno il gruppo R apolare, gli altri sono idrofili dato che sono dotati di gruppi R polari.

Per formare una proteina gli amminoacidi subiscono il processo di condensazione formando un legame covalente detto peptidico che si instaura fra il carbonio del gruppo carbossilico e l'azoto di quello amminico. Esistono diverse strutture di organizzazione delle proteine: la struttura primaria corrisponde alla semplice e lineare successione degli amminoacidi e dipende solo dai legami peptidici; la struttura secondaria possiede due forme, ad alfa elica e foglietto beta pieghettato ed ha luogo quando un polipeptide si ripiega formando legami a idrogeno; la struttura terziaria è dovuta alle interazioni fra i gruppi R (di carattere ioniche), infine la struttura quaternaria si ottiene per la presenza di 2 o più polipeptidi che interagiscono fra loro.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono espressione dell'informazione genetica, si dividono in due tipi: RNA e DNA e differiscono per lo zucchero pentoso presente che è rispettivamente ribosio e desossiribosio. Il DNA ha 4 basi tra cui adenina, timina, citosina e guanina, mentre l'RNA al posto della timina ha l'uracile. Le due molecole differiscono anche per il ruolo che svolgono, il DNA è perlopiù situato nel nucleo che rappresenta il sito principale di formazione dell'RNA. Le unità monomeriche degli acidi nucleici sono i nucleotidi, ognuno è costituito da un gruppo fosfato, una base aromatica contenente azoto (piramidina o purina) e lo zucchero; se a un nucleotide viene rimosso il fosfato si parla di nucleoside.

Tra diversi nucleotidi si forma un legame fosfodiesterico che consiste in un gruppo fosfato legato a due monomeri vicini. I carboidrati sono formati da unità di zuccheri; si parla di monosaccaride quando vi è un solo zucchero, ad esempio nel caso della gliceraldeide, del ribosio e del desossiribosio, del glucosio, del fruttosio e del galattosio. Un monosaccaride può essere aldoso o chetoso in base alla posizione del gruppo carbonilico che è rispettivamente terminale o interno.

Nei disaccaridi (lattosio, saccarosio e galattosio) sono contenute due unità monomeriche legate attraverso un legame covalente glicosidico che si forma fra il carbonio 1 e il 4 di due monomeri. I polisaccaridi sono formati da molte unità di zucchero, quelli di riserva più comuni sono il glicogeno e l'amido; il primo è molto ramificato ed è un polisaccaride di riserva negli animali, è formato da subunità di alfa glucosio ed è immagazzinato soprattutto a livello del fegato e dei muscoli; il secondo si trova nelle piante ed è presente secondo due diverse forme: l'amilosio non ramificato e l'amilopectina ramificata, anche l'amido è formato da subunità di alfa glucosio.

Esistono poi polisaccaridi di struttura come la cellulosa, formata da subunità di beta glucosio e costituente delle piante, e la chitina che forma l'esoscheletro di molluschi e echinodermi. Tecnicamente i lipidi non sono macromolecole mentre le altre tre lo sono; sono infatti considerate molecole biologiche ma non macromolecole perché non formano grandi aggregati molecolari. La loro caratteristica fondamentale è la loro insolubilità in acqua (solubili sono in solventi organici o altri lipidi).

Funzioni dei lipidi

Sono tutti molto diversi fra loro e possono svolgere funzione di deposito (trigliceridi), costituenti delle membrane (fosfolipidi) o messaggeri ormonali. I trigliceridi sono molecole di riserva formate da un alcool a 3 atomi di carbonio e da 3 acidi grassi che possono essere saturi (ogni C lega più H possibili) o insaturi (ci sono doppi legami fra i C). I fosfolipidi sono i principali costituenti delle membrane, sono molecole anfipatiche e quindi hanno la testa che è formata da glicerolo, fosfato e colina che è idrofila, mentre la coda fatta da acidi grassi è idrofobica.

Gli steroidi tra cui il colesterolo importante nelle membrane per la fluidità, la vitamina D importante nella calcificazione delle ossa, cortisolo o il testosterone; tutte queste molecole svolgono funzioni diverse ma si assomigliano in quanto sono apolari idrofobiche e sono formati da un insieme di anelli fusi tra loro. Se alla cellula viene fornito testosterone leggermente modificato questa non se ne accorge e verranno prodotte proteine che in quel momento non servivano creando così uno squilibrio; questo avviene quando gli individui usano molecole simili al testosterone per aumentare la massa muscolare, la molecola altera il metabolismo e spinge alla produzione di proteine; questo meccanismo interferisce nella corteccia cerebrale e ha effetti negativi anche sul piano della fertilità. Ci sono poi molte molecole prodotte anche non volutamente o presenti negli alimenti che sono simili agli steroidi e che, una volta nell'organismo, alterano l'espressione genica, sono gli endocrin distractors che disturbano il normale andamento del sistema endocrino. (Negli ultimi anni c'è una diminuzione del numero degli spermatozoi nel liquido spermatico o un'elevata incidenza di tumore al seno in giovani ragazze).

Membrane biologiche

La membrana cellulare è parte fondamentale delle cellule e svolge diverse funzioni, delimitando lo spazio intercellulare rispetto all'ambiente esterno dalla membrana plasmatica. Grazie ad essa, porzioni di citoplasma si sono specializzate in determinate funzioni e si sono evolute (eucarioti); quelle che invece non l'hanno fatto si sono evolute poco (procarioti). La membrana inoltre è un esempio di barriera semipermeabile perché permette il passaggio solo di molecole idrofobiche, piccole molecole idrofile e ormoni, le altre molecole più grandi devono usare altri sistemi per attraversare la membrana.

Funzioni della membrana cellulare

La membrana poi può essere associata a proteine che fanno parte della rete di ricezione e trasduzione del segnale oltre che l'interazione cellula-cellula.

• Vantaggio: Si concentra tutto ciò che è necessario in una regione e quindi tutto quello che si produce diventa substrato per una successiva reazione.
• Svantaggio: Necessità di molecole trasportatrici.

Tutti i sistemi membranosi sono fatti della stessa sostanza, esiste un modello unitario di membrana che fa sì che le membrane possano fondersi fra di loro. Questo permette di risolvere in parte lo svantaggio di cui si parlava prima grazie alla creazione di vescicole che permettono lo smistamento delle molecole e delle sostanze da un organulo all'altro (esempio di questo meccanismo è lo smistamento delle proteine).

Struttura della membrana cellulare

Il modello della membrana cellulare viene definito a mosaico fluido che la descrive come composta da uno strato lipidico abbastanza fluido nel quale i fosfolipidi possono muoversi sia lateralmente (più veloce) oppure secondo movimento a flip-flop invertendo (movimento più lento). Si dice a mosaico perché tra il "mare" di lipidi troviamo le proteine localizzate dentro o sugli strati in modo non uguale fra la faccia interna e quella esterna.

L'esempio che portò a questo modello prevedeva l'estrazione dei lipidi da un numero noto di eritrociti e lo spargimento di questi sotto forma di monostrato su una superficie acquosa; il risultato fu che l'area coperta dal film lipidico era all'incirca due volte l'area della superficie totale dell'eritrocita e quindi la membrana plasmatica doveva essere costituita non da uno ma da due strati.

Composizione della membrana cellulare

• Lipidi: Servono per formare la struttura che divide l'interno dall'esterno, si dispongono secondo un doppio strato con le teste idrofile verso l'esterno.
• Colesterolo: Regola fluidità della membrana nelle cellule animali, ha una parte idrofilica e una idrofobica; la regolazione avviene con la molecola disposta tra i fosfolipidi, se la temperatura si abbassa il colesterolo funge da spaziatore per impedire la solidificazione, viceversa quando si alza funge da legante. Nelle membrane plasmatiche di alcuni procarioti troviamo gli opanoidi che sostituiscono gli steroli.
• Proteine: Alcune permettono il passaggio di molecole, altre generano dei segnali, alcune attraversano una volta il doppio strato, altre lo attraversano per più volte, alcune sono associate alla membrana attraverso delle ancore glicolipidiche, poi ci sono le proteine di membrana che sono associate ad altre sempre di membrana. Vengono classificate in tre classi: quelle integrali hanno regioni idrofobiche che si trovano dentro il doppio strato e idrofiliche che sono quelle che escono, sono difficili da isolare senza un detergente; quelle di membrana si trovano sulla superficie del doppio strato e sono facili da isolare; infine quelle ancorate ai lipidi sono situate sul doppio strato e legate covalentemente a molecole lipidiche incluse nel doppio strato.
• Carboidrati: Si trovano sia a livello dei lipidi (glicolipidi) che delle proteine (glicoproteine) e servono per processi di riconoscimento. Componente glucidica: la glicosilazione avviene già nel RER e apparato del Golgi che preparano le glicoproteine o i glicolipidi.

Glicocalice → componente oligosaccaridica che si trova sul versante esterno della membrana, impedisce alla cellule di attaccarsi fra loro e ai vasi, permettono riconoscimento cellula-cellula e permettono il riconoscimento e il passaggio di cellula (i neutrofili vengono riconosciuti e fatti passare per raggiungere sito infezione). Le catene oligosaccaridiche del glicocalice riescono a richiamare una grande quantità di acqua, circa il 25% della lunghezza del microvillo intestinale è formato da glicocalice. Membrane diverse hanno rapporti tra lipidi e proteine differenti, nelle cellule nervose il numero dei lipidi sarà maggiore per una conduzione migliore dello stimolo, la membrana interna del mitocondrio è ricca di proteine ed ha pochi lipidi perché nel mitocondrio avviene un processo di trasporto in cui sono coinvolte tantissime proteine.

Anche nell'ambito della stessa membrana i lipidi della parte interna possono essere diversi da quelli rivolti verso l'esterno; il versante esterno ha sempre e comunque una componente glucidica ancorata o ai lipidi o alle proteine, quello interno non ha i glucidi.

Trasporti biologici di membrana

Già sappiamo che non tutte le molecole riescono ad attraversare da sole il doppio strato fosfolipidico a causa della sua permeabilità selettiva quindi, in base al tipo di molecola, esistono diversi tipi di trasporto:

• Trasporto passivo: Movimento spontaneo, diretto che non richiede energia esterna al sistema e si divide in:
  • Diffusione semplice: Tipico dei gas, delle molecole apolari o piccole polari; prevede la migrazione di molecole che attraversano da sole la