Biologia generale e cellulare

Indice

• 1. Introduzione
• 2. La teoria endosimbiontica
• 3. La chimica della cellula
• 4. Metabolismo ed enzimi
• 5. La membrana cellulare
• 6. L’organizzazione della cellula
• 7. Trasporti di membrana
• 8. I mitocondri e la produzione di ATP
• 9. Il nucleo
• 10. Il citoscheletro
• 11. Il dogma centrale della biologia (replicazione, trascrizione e traduzione)
• 12. Evoluzione e biodiversità
• 13. I regni biologici
• 14. Le piante e la cellula vegetale
• 15. Smistamento delle proteine
• 16. Matrice e giunzioni extracellulari
• 17. Il controllo dell’espressione genica
• 18. I meccanismi di controllo del DNA
• 19. Comunicazioni intercellulari
• 20. Il ciclo cellulare

Indice 1

Introduzione

La biologia è la scienza della vita; tutti gli organismi sono composti da cellule: organismi unicellulari o pluricellulari.

La scoperta delle cellule

Avviene grazie alla scoperta del microscopio di Robert Hooke, che studiò delle cellule di sughero (cella).

Alla fine del 1800 coesistono tre teorie: 1. termine cellula; 2. teoria cellulare; 3. ogni cellula deriva da una cellula preesistente.

Cellule HeLa: generalmente le cellule in vitro durano poco, mentre le cellule di un tessuto tumorale sono caratterizzate dalla iperproliferazione, quindi messe in vitro non smettono di moltiplicarsi.

La biologia studia il DNA. Sono le molecole che contengono l'informazione genetica e che trasmettono l'informazione alla progenie. Il DNA ha un duplice ruolo: 1. ereditarietà 2. controllo cellulare (DNA -RNA- PROTEINE).

Interazione tra genotipo e fenotipo.

La biologia studia il flusso di energia in un ecosistema, in cui ci sono organismi produttori autotrofi. Sono organismi che producono energia a partire dalla luce solare. Gli organismi consumatori si nutrono quindi degli organismi produttori, per produrre energia necessaria per la sopravvivenza.

Gli ecosistemi dipendono da un continuo apporto di energia. Un ecosistema autosufficiente è costituito da tre tipi di organismi: produttori, consumatori, decompositori.

La biologia studia l'evoluzione.

Evoluzione: cambiamento della variabilità in una popolazione di organismi valutato nel tempo, acquisizione di proprietà che permettono di sopravvivere in un ambiente che cambia.

Queste variazioni favorevoli tendono ad essere conservate, quelle sfavorevoli tendono ad essere eliminate.

Introduzione 1

I tre grandi studiosi in questo campo sono: Linneo, Lamarck, Darwin.

C. Linneo

• Dal punto di vista dell'evoluzione, creazionista.
• Considerata validata la classificazione dei viventi.

Lamarck

• 1. Uso e non-uso degli organi —> un organo molto usato tende ad ingrandirsi e rafforzarsi, al contrario un organo poco usato tende ad indebolirsi e deteriorarsi.
• 2. Ereditarietà dei caratteri acquisiti —> esempio della giraffa, il collo corto tende ad allungarsi per sopravvivere. Di conseguenza questo carattere viene tramandato alla progenie. L'ambiente condiziona l'espressione dei nostri geni attraverso meccanismi epigenetici.

C. Darwin

• All'interno della specie certi caratteri variano da un individuo all'altro e questa variabilità è ereditata dai discendenti.
• Alcune varianti sono però più adatte di altre al loro ambiente locale.
• Coloro che sono più adatti all'ambiente che cambia hanno la possibilità di sopravvivere rispetto ai discendenti meno adatti.
• La selezione naturale si basa su due processi: la variazione dell'informazione genetica e una selezione che favorisce l'informazione genetica a sopravvivere e propagarsi.

Introduzione 2

La teoria endosimbiontica

La cellula

La cellula è l'unità vivente fondamentale, strutturale e funzionale di ogni essere vivente. Possiamo definire la cellula come un compartimento circondato da una membrana (e una parete nelle cellule vegetali e nei batteri). Al suo interno, la cellula contiene sistemi biochimici e molecolari capaci di immagazzinare informazioni e utilizzarli nella sintesi di nuove molecole. La cellula utilizza fonti energetiche necessarie ed è dotata di movimento e di un proprio metabolismo, che può cambiare. Le cellule si duplicano e trasmettono le informazioni ereditarie alla progenie.

Esistono due modelli di organizzazione cellulare:

Procarioti (batteri)

Nei batteri c'è una sola molecola di DNA di forma circolare, questa molecola non è rivestita da un involucro. Quindi manca un nucleo vero e proprio, il DNA si trova sparso in una zona chiamata nucleoide. All'interno della cellula batterica non ci sono organelli (strutture citoplasmatiche rivestite da membrana, come lisosomi o perossisomi), ma solo i ribosomi (necessari per la sintesi proteica, strutture citoplasmatiche costituite da DNA e proteine). Nella maggior parte dei casi le cellule batteriche sono rivestite da una parete.

Eucarioti (protisti, funghi, piante, animali)

La cellula eucariotica è più grossa e presenta un nucleo ben definito, rivestito da un involucro nucleare (composto da un doppio strato di membrana). Questo presenta dei pori, importanti per il passaggio di sostanze dal nucleo al citoplasma e viceversa. Le molecole implicate in questo passaggio sono generalmente le proteine e l'RNA (transfer, ribosomiale e messaggero) che esce per dirigersi nel citosol. Nella cellula eucariotica si trovano organelli e strutture membranose estese (apparato del Golgi, reticolo endoplasmico).

I virus non sono cellule, non sopravvivono né si moltiplicano da soli, ma devono infettare cellule eucariotiche o procariotiche per sfruttare i meccanismi di trascrizione e traduzione delle nostre cellule.

Suddividiamo gli organismi in domini e regni. Esistono tre domini: eubatteri (1 regno), archaeabatteri (1 regno), eucarioti (4 regni: protisti, piante, funghi, animali).

La teoria endosimbiontica 1

Di questo ultimo dominio sono unicellulari solo i protisti e i lieviti (appartenenti al regno dei funghi).

Archaeabatteri

• Sono batteri capaci di sopravvivere in condizioni estreme.
• Termoacidofili: vivono in sorgenti calde ad elevata acidità.
• Metanogeni: capaci di produrre metano a partire da CO2 e H2.
• Alofili: vivono in ambiente di elevata salinità.

Le cellule procariotiche (principalmente eubatteri)

• Cellule sviluppate precocemente dal punto di vista evolutivo.
• Sono piccole cellule con struttura sferica, bastoncellare o a spirale (il loro nome dipende dal tipo di forma).
• Spesso hanno una parete cellulare robusta che permette di identificarli in gram positivi e gram negativi: ha una struttura diversa e risponde in modo differente a una stessa colorazione.

Le cellule eucariotiche

• Sono circondate da membrana plasmatica.
• Contengono un nucleo, organelli e un citoscheletro (dà sostegno, è coinvolto nel movimento cellulare).
• Hanno mitocondri e cloroplasti, che hanno un ruolo fondamentale nel metabolismo energetico: ossidativo e fotosintesi.
• Lisosomi e perossisomi: digestione delle macromolecole (anche nei casi di misfolding).
• Reticolo endoplasmatico e apparato di Golgi.

L'evoluzione delle cellule

La teoria endosimbiontica

La formazione della terra risale a 4,5 miliardi di anni fa.

Le prime cellule procariotiche ancestrali risalgono a 3,5 miliardi di anni fa.

La teoria endosimbiontica 2

Gli atomi si sono combinati in molecole sempre più complesse: perciò si parla di evoluzione chimica.

I fossili più antichi di procarioti datano circa 3,5 miliardi di anni fa. I fossili più antichi di eucarioti datano invece 2 miliardi di anni fa, derivano da un'evoluzione dalle cellule procariotiche.

L'atmosfera sulla terra era priva di ossigeno, ma ricca di metano, ammoniaca, idrogeno, azoto, acido solfidrico (gas semplici). Erano presenti fonti energetiche come i raggi solari, le scariche elettriche, attività vulcanica. Grazie a questa forte energia i legami di queste molecole si sono potuti rompere e gli atomi singoli hanno dato vita a nuovi legami e sostanze.

La prima fase è chiamata evoluzione chimica e si struttura in 4 fasi:

• 1. Sintesi abiotica di piccole molecole organiche grazie alle scariche elettriche.
• 2. Formazione di polimeri (amminoacidi, acidi nucleici).
• 3. Origine di molecole autoreplicantesi (la prima pare essere l'RNA, capace anche di velocizzare la replicazione. Allo stesso tempo, è stata la prima molecola e il primo enzima- ribozima). L'RNA serve come stampo per un altro RNA, si parla di replicazione abiotica: parte da stampi precostituiti in base all'appaiamento spontaneo delle basi complementari. Gli stampi che si formano fungono a loro volta da stampi per successivi filamenti.
• 4. Impacchettamento in protobionti circondati da membrana. Dall'origine dei fosfolipidi si sono create le membrane, che hanno raccolto al loro interno tutti i sistemi biochimici formati. Si sono evoluti nuovi enzimi che replicano il DNA e ne fanno copie di RNA.

L'origine spontanea di protobionti: tra le molecole formate c'erano i fosfolipidi, che si sono organizzati per formare la membrana cellulare. I fosfolipidi sono molecole anfipatiche (costituiti da una parte polare una apolare). Ciascuno di loro è formato da una testa polare idrofilica e una coda apolare idrofobica. Per separare due ambienti diversi si sono organizzati con il doppio strato (liposoma). Lo strato interno della membrana avrà una disposizione opposta: code verso l'interno e teste verso l'esterno. A questo punto, alcune di queste cellule (procariotiche) hanno acquisito la capacità di effettuare la fotosintesi (futuri cloroplasti), con accumulo di O nell'atmosfera. Di conseguenza alcune cellule hanno acquisito la capacità di utilizzare l'ossigeno tramite processi di degradazione (O diventa H2O) per degradare le molecole organiche per ottenere energia (futuri mitocondri).

La teoria endosimbiontica 3

2 miliardi di anni fa iniziò lo sviluppo della cellula eucariotica. Gli organelli si sono formati per invaginazione della membrana. Inoltre, sono state inglobate le cellule procariotiche ancestrali che avevano acquisito la capacità di demolire l'ossigeno per ottenere energia. Per questo motivo, la struttura del mitocondrio è molto simile a quella di una cellula procariotica. Questo ha fatto in modo che le cellule eucariotiche animali siano in grado di degradare l'ossigeno per ottenere energia. Lo stesso procedimento è avvenuto nelle cellule eucariotiche vegetali, che hanno inglobato le cellule in grado di effettuare la fotosintesi (questo processo prende il nome di "ingolfing").

Mitocondri e procarioti

• Entrambi possiedono delle membrane di rivestimento (il mitocondrio ha una doppia membrana, zona fondamentale per la respirazione cellulare).
• Zona interna: matrice=citosol.
• Nel mitocondrio vi è una molecola di DNA circolare e dei ribosomi sparsi, come nei procarioti.

Esperimento di Miller: in un'ampolla contenente vapore acqueo e gas primordiali (NH3, CH4, H2) è stato ricreato l'ambiente sulla terra prima della formazione delle cellule. Con degli elettrodi hanno scatenato delle scariche di energia all'interno dell'ampolla. Questo ha fatto sì che i legami si rompessero e i singoli atomi si combinassero tra loro in modo casuale. Un refrigeratore dopo l'ampolla permise la condensazione dei composti. Durante l'esperimento furono trovati i primi aminoacidi e le prime molecole organiche. Il primo polimero ad essersi formato è stato un polimero di RNA.

I virus

• NON sono cellule, ma particelle virali costituite da una molecola di materiale genetico, che può essere RNA o DNA.
• Alcuni virus contengono, oltre all'RNA, l'enzima trascrittasi inversa, capace di trasformare l'RNA in uno stampo di DNA e infettare tutto l'organismo.

La teoria endosimbiontica 4

La chimica della cellula

• I legami chimici
• Le macromolecole organiche
• Le proteine
• Il legame peptidico
• Livelli della struttura proteica
• Classificazione delle proteine
• I lipidi
• Gli acidi grassi
• I trigliceridi
• I fosfolipidi
• Gli steroidi
• Gli zuccheri

• Le molecole che possono passare per diffusione semplice sono quelle idrofobiche, perché sono affini alla membrana.
• I principali componenti della cellula sono: acqua (70%), S-P-O-N-C-H (costituenti delle molecole organiche, 24%), fosfolipidi (2%), ioni (4%).
• I composti organici sono costituiti dal carbonio: di piccole dimensioni come carboidrati, lipidi, aminoacidi e nucleotidi; di grandi dimensioni come acidi nucleici (DNA e RNA) e proteine.
• I cationi più importanti Na+, K+, Ca++, Mg++.
• Gli anioni più importanti Cl-, So₄- -, PO₄- -, CO₃- -; es. fosfati.

I legami chimici

Si chiama legame chimico ciò che tiene unito un atomo ad un altro e si forma sempre fra almeno due atomi. Gli atomi formano legami chimici per raggiungere una configurazione elettronica più stabile, generalmente la configurazione elettronica del gas nobile più vicino, quindi l’ottetto. I gas nobili, che già hanno raggiunto l’ottetto, non formano legami chimici.

• 1. Legame covalente puro
• 2. Legame ionico
• 3. Legame covalente polare
• 4. Legame covalente apolare

La chimica della cellula 1

• 5. Legame a idrogeno (intermolecolare)

Le molecole affini all'acqua sono le molecole polari. Gli ambienti polari tendono ad escludere sostanze apolari (idrofobiche).

• Acqua e sostanze polari: idrofiliche (affini all'acqua).
• Sostanze non polari (idrocarburi): idrofobiche (avverse all'acqua).
• Condensazione: i componenti di una molecola di acqua si staccano dai reagenti e si combinano formando una molecola di acqua.
• Idrolisi: i componenti di una molecola d'acqua vengono aggiunti.

Le macromolecole organiche

Le macromolecole si assemblano tra di loro e portano alla formazione della cellula:

• 1. Carboidrati- fonte energetica.
• 2. Lipidi- molecole strutturali.
• 3. Proteine- enzimi, molecole strutturale, di trasporto, di riconoscimento, di movimento.
• 4. Acidi nucleici- molecole informazionali.

Le proteine

• Sono polimeri di amminoacidi, soltanto 20 amm. si legano in differenti combinazioni per formare le proteine.
• Possono subire modificazioni dopo che le proteine sono state sintetizzate.
• Per ogni proteina, la sequenza amminoacidica determina le sue proprietà, la struttura e l'attività biologica.

Ruoli:

• Enzimi, ossia catalizzatori biologici.
• Costituiscono il citoscheletro e fanno parte della matrice extracellulare.
• Permettono l'adesione della cellula alla matrice o alle cellule vicine.
• Sono molecole segnale (os. ormoni).
• Provvedono alle funzioni di trasporto e riconoscimento delle membrane cellulari.

La chimica della cellula 2

• Costituiscono parti attive dei ribosomi.

Gli amminoacidi sono molecole organiche che contengono due gruppi funzionali: un gruppo amminico e un gruppo carbossilico (COOH). Sono costituiti da un atomo di carbonio centrale (chirale), legato a 4 gruppi diversi tra loro (tranne nel caso della glicina). Gli elementi a cui è legato sono: un gruppo amminico (NH2), gruppo carbossilico, un H e un radicale R. Si differenziano per quest'ultimo.

Tutti i peptidi, polipeptidi e proteine sono polimeri di 20 tipi di aa. Ci sono anche aa liberi con funzioni specializzate, per. es la tirosina. 8 di questi 20 sono essenziali, non possono essere sintetizzati dal nostro organismo (triptofano, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, valina, leucina, isoleucina).

Sulla base dei gruppi R suddividiamo gli amminoacidi in polari senza carica (es.gruppo -OH), polari con carica + o carica -, non polari.

Il legame peptidico

Gli amminoacidi si legano tra loro nei peptidi e nelle proteine mediante la formazione di un legame ammidico tra il gruppo carbossilico e il gruppo amminico di 2 aa diversi. Questo legame prende il nome di legame peptidico. Per convenzione, una catena di pochi aa viene chiamata peptide, una catena di molti aa polipeptide e una catena di più di 100 aa viene chiamata proteina.

COOH (DX) del primo aa si lega a NH2 del secondo aa (SX). Si tratta di un legame di condensazione, comporta perciò l'eliminazione di una molecola d'acqua (da un gruppo OH del carbossile e un H del gruppo NH2). Rimane CONH, chiamato gruppo ammidico. In una catena di aa, il primo aa ha sempre libero un gruppo NH2 mentre l'ultimo ha sempre libero il gruppo COOH. Si parla di estremità N-terminale all'inizio e estremità C-terminale alla fine della catena.

La chimica della cellula 3

Legame peptidico

Livelli della struttura proteica

Per poter funzionare, le proteine devono organizzarsi in 4 livelli di struttura. Solo raggiungendo l'ultimo livello, la proteina si considera funzionale (molte patologie sono dovute a un dovuto ripiegamento della proteina- misfolding).

Struttura primaria: sequenza di aa della proteina, resa stabile da legami covalenti.

Struttura secondaria: è primo livello spaziale della proteina. Esiste in due forme distinte: α elica o foglietto β. Sono ripiegamenti particolari dovuti alla formazione di legami idrogeno.

α-elica: ogni gruppo carbonilico si lega con un legame H al gruppo NH del quarto aa della catena. La caratteristica sta nel fatto che i gruppi R dell'aa si trovano al di fuori dell'elica. Questo tipo di conformazione si trova ad esempio, nelle proteine transmembrana.

Il CO di un gruppo amide si forma ad un aa della catena.

I loops: sono tratti di catena apparentemente disorganizzati, di lunghezza variabile. Questi tratti collegano le sequenze di α elica e foglietto β ed hanno un ruolo molto importante nell'organizzazione tridimensionale della catena peptidica. Sono flessibili e consentono dei cambi di direzione alla struttura. Fanno da ponte a più strutture secondarie.

Una lunga catena proteica può avere sequenze che formano l'α elica o foglietto β.

Struttura terziaria