Appunti di Biologia

Biologia molecolare

Biomolecole

Carboidrati, proteine, lipidi, acidi nucleici rappresentano le molecole della vita, si presentano in monomeri e polimeri.

Monomero: singolo anello

Polimero: unione di più singoli anelli

Attraverso condensazione vi è l'unione di due monomeri che porta alla formazione di un legame covalente e alla formazione di una molecola d'acqua H₂O.

Attraverso idrolisi, un polimero viene scisso in due metà, con rottura di legame covalente e consumo di una molecola d'acqua H₂O.

Carboidrati

• Sono la principale fonte energetica delle cellule.
• Hanno funzione strutturale.
• Possono combinarsi con altre macromolecole.

Carboidrati = Carbonio + Idrogeno + Ossigeno

Si classificano in:

Monosaccaridi

Carboidrati semplici costituiti da una catena da 3 a 7 atomi. I monosaccaridi presentano un gruppo carbonico, il carbonio crea il doppio legame con l'ossigeno.

Il glucosio appartiene agli aldosi in quanto il carbonio crea questo doppio legame in posizione 1, all'estremità. Il fruttosio presenta invece il legame del carbonio in posizione 2 per questo motivo prende il nome di chetoso.

I monosaccaridi sono classificati in vari modi, per esempio sulla base del numero degli atomi del carbonio:

• Triosi: 3 atomi
• Tetrosi: 4 atomi
• Pentosi: 5 atomi
• Esosi: 6 atomi
• Eptosi: 7 atomi

Disaccaridi

Derivano dalla condensazione di due monosaccaridi (due zuccheri producono una molecola d'acqua tramite un legame glicosidico).

Oligosaccaridi

Comprende una catena da 7 a 20 monomeri.

Polisaccaridi

Carboidrati complessi, con grandi catene (amido, amilosio, amilopectina, glicogeno, cellulosa).

Proteine

Sono costituite da monomeri: amminoacidi, hanno funzione:

• Enzimatica: catalizzatori biologici
• Strutturale: sostegno e movimento cellulare
• Anticorpi: difesa immunitaria
• Ormoni: messaggi tra cellule
• Recettori: ricezione di messaggi cellulari
• Trasportatori: spostamento di sostanze

Il legame peptidico o covalente (gruppo amminico + gruppo carbossilico) si forma tramite condensazione tra due amminoacidi (dipeptide).

Le proteine assumono:

• Struttura primaria: semplice sequenza di amminoacidi lungo la catena polipeptidica, legame covalente tra C=O e N-H
• Struttura secondaria: struttura primaria ripiegata, legami a idrogeno
• Struttura terziaria: forma tridimensionale, interazioni tra catene laterali, legami disolfuro, covalenti, idrogeno, ionici
• Struttura quaternaria: struttura specifica, dovuta a come le subunità polipeptidiche si legano ed interagiscono (es. emoglobina)

La struttura della proteina è strettamente legata alla sua funzione. Avviene la denaturazione quando la proteina perde la sua formazione strutturale e torna alla sua fase primaria, ad esempio quando la proteina è sottoposta a stress di temperatura o di pH.

Lipidi

• Formano il doppio strato fosfolipidico
• Funzionano come ormoni
• Impermeabilizzano la cute
• Costituiscono una riserva energetica
• Contengono carbonio e idrogeno

Trigliceridi: sono lipidi semplici formati da glicerolo + 3 molecole di acidi grassi.

Gli acidi grassi sono:

• Saturi: vi sono legami semplici, struttura lineare e solida.
• Insaturi: vi sono doppi o tripli legami, struttura non lineare e fluida.

Fosfolipidi

Sono molecole anfipatiche, ovvero presentano una regione idrofila che interagisce con l'acqua (la testa) e una regione idrofoba che repelle l'acqua (le code). Si dispongono in micelle e in doppi strati fosfolipidici con le teste rivolte verso l'esterno per evitare aggregati di grasso e le code rivolte verso l'interno.

Steroidi

Sono lipidi caratterizzati da una struttura formata da 3 anelli a 6 atomi di carbonio e 1 anello a 5 atomi di carbonio.

Cere: impermeabilizzano la cute (sebo)

Carotenoidi: pigmenti che assorbono la luce

Teoria cellulare

La teoria cellulare moderna si compone di alcuni principi fondamentali che stabiliscono che:

• La cellula è l'unità fondamentale
• La cellula costituisce tutti gli organismi viventi
• Ogni cellula deriva da una cellula preesistente
• Il materiale genetico nella cellula si trasmette alla cellula figlia
• Tutte le reazioni chimiche avvengono all'interno della cellula

Per motivi fisiologici la cellula non supera una certa dimensione, se il volume aumenta la cellula deve controllare sempre più materia. È importante quindi che la cellula mantenga un giusto rapporto di superficie/volume. Infatti se una cellula vivente cresce e si ingrossa, la sua attività chimica aumenta più in fretta della sua superficie. Se il rapporto nucleoplasmatico viene alterato, i prodotti che vengono codificati dai messaggeri non sono più sufficienti a controllare la cellula.

Microscopio ottico

Le cellule, essendo delle strutture molto piccole, vengono osservate attraverso un importante strumento chiamato microscopio, che ci permette di avere un'immagine ingrandita, permettendoci di osservare e analizzare subunità microscopiche.

Esistono due parametri principali che definiscono la capacità di ingrandire: il potere di risoluzione e il potere di ingrandimento. Il potere di risoluzione ci permette di distinguere come separati due oggetti estremamente vicini, mentre il potere di ingrandimento ci permette di ingrandire un numero maggiore di volte un determinato campione.

Esistono tuttavia diverse tipologie di microscopi: il microscopio ottico è il microscopio più semplice che sfrutta la luce per poter osservare immagini ingrandite ed ha un potere di risoluzione di 2000X. Il microscopio elettronico, a differenza del microscopio ottico, utilizza un fascio di elettroni che catturano l'immagine e la ingrandiscono, il potere di risoluzione è 200.000X.

Il microscopio elettronico può essere a trasmissione oppure a scansione. Il microscopio elettronico a trasmissione fa in modo che gli elettroni attraversino il preparato portando alla formazione di un'immagine differenziata, più dettagliata. Il microscopio elettronico a scansione ricopre le cellule di un sottilissimo strato di metallo, questo metallo viene colpito da elettroni che formano così un'immagine fuori dalla superficie che appare tridimensionale.

Cellula

La cellula è l'unità elementare di ogni vivente e costituisce la più piccola porzione di un organismo. In base all'organizzazione cellulare distinguiamo due tipi di cellule: eucariote e procariote. Tutti gli esseri viventi possono essere definiti come organismi unicellulari, cioè costituiti da una sola cellula, come ad esempio batteri, alghe, funghi unicellulari, oppure organismi pluricellulari, cioè costituiti da agglomerati di cellule come ad esempio animali, piante, funghi pluricellulari.

Da un punto di vista strettamente genetico, i regni o i domini vengono classificati in tre: Archaea ovvero procarioti primitivi e batteri termofili, Bacteria come procarioti più evoluti e infine Eucarea ovvero organismi nucleati come piante, funghi, animali.

Cellula procariote

La cellula procariote caratterizza gli esseri più semplici come i batteri. Queste cellule sono delimitate da un doppio strato fosfolipidico: la membrana plasmatica che è semipermeabile e consente di mantenere costante le caratteristiche chimico-fisiche delle cellule. Il citoplasma è una sostanza amorfa costituita da citosol, cioè la componente liquida, e da particelle insolubili come ad esempio i ribosomi, sede della sintesi proteica.

All'interno della cellula procariote non è presente il nucleo, per questo la molecola di DNA si trova sotto forma circolare all'interno di una struttura nel citoplasma denominata nucleoide. Nel corso della loro evoluzione, alcuni procarioti hanno sviluppato strutture specializzate in grado di conferire un vantaggio selettivo alle cellule, tali strutture sono ad esempio la parete cellulare protettiva, che avvolge la membrana cellulare, e la capsula. La capsula serve a proteggere i batteri che infettano gli animali dagli attacchi del sistema immunitario animale, preserva la cellula dall'essiccamento e talvolta aiuta il batterio ad aderire ad altre cellule.

La parete cellulare può presentare due tipi di Gram: Gram positiva o Gram negativa. La differenza sta nella composizione: Gram positivi e Gram negativi possiedono uno strato esterno detto peptidoglicano o mureina. La parete dei Gram positivi è più spessa, si colora e non lascia passare il decolorante, mentre la parete dei Gram negativi è più sottile quindi permette il passaggio di decoloranti. La colorazione di Gram facilita l'osservazione al microscopio dei batteri, esaltando con varie metodiche il contrasto di strati.

Le colorazioni che vengono usate in batteriologia si distinguono in:

• Colorazioni semplici: si eseguono mettendo a contatto un unico colorante con il preparato contenente i batteri da colorare.
• Colorazioni differenziali: presuppongono l'impiego di più coloranti, consentono di evidenziare differenze di colorazioni tra specie batteriche diverse.

Il diverso comportamento dei batteri nella colorazione di Gram è riconducibile a una diversa permeabilità degli involucri cellulari che è maggiore nei Gram negativi e minore nei Gram positivi.

Altre strutture presenti all'interno della cellula procariote sono flagelli e pili: i flagelli sono delle appendici costituite da proteine in grado di contrarsi (flagellina); se si eliminano i flagelli, la cellula non è più in grado di muoversi e spostarsi. I pili servono a far aderire un batterio ad un altro batterio durante gli scambi di materiale genetico e favorire l'adesione di batteri a cellule animali, non sono quindi coinvolti nel movimento. Sono costituiti da proteine chiamate piline e quelle all'estremità prendono il nome di adesine.

Cellula eucariote

Le cellule eucariote sono cellule più complesse che caratterizzano animali, piante e funghi. Analogamente alle cellule procariotiche, presentano membrana plasmatica, ribosomi e citoplasma. A differenza dei procarioti, presentano un nucleo delimitato da membrana, un citoscheletro costituito da microfilamenti, microtubuli e filamenti intermedi, e la cellula eucariote presenta anche diversi organelli cellulari che svolgono specifiche funzioni biochimiche.

Il citoscheletro è costituito principalmente da tre filamenti: microfilamenti, filamenti intermedi e microtubuli. I microfilamenti sono polimeri costituiti da molecole di una proteina contrattile chiamata actina che svolge numerose funzioni, specialmente negli animali. Le principali funzioni dei microfilamenti sono: contribuire al movimento dell'intera cellula, determinare e mantenere la forma, formare l'anello contrattile.

I filamenti intermedi svolgono due importanti funzioni strutturali: rafforzano la struttura della cellula e oppongono resistenza alla tensione. Il filamento intermedio è detto cheratina negli epiteli e vimentina nel muscolo e nelle cellule gliali, ed infine neurofilamenti nelle cellule nervose.

I microtubuli formano lo scheletro interno rigido e facilitano i movimenti delle proteine motrici. La proteina che compone i microtubuli è la tubulina. L'importanza del citoscheletro per il movimento è facilmente osservabile nelle ciglia e nei flagelli, che sono delle appendici esterne: le ciglia sono corte e numerose, invece i flagelli sono più lunghi e in genere molto meno numerosi. Ciglia e flagelli sono costituiti da microtubuli e dineina.

Il nucleo è l'organulo più grande e complesso; al suo interno è presente DNA associato a proteine istoniche e non istoniche, l'intera struttura è detta cromatina che si divide in due stati: eucromatina, cioè la parte della cromatina in cui vi sono i geni attivi, e l'eterocromatina, ovvero la parte di genoma che contiene i geni inattivi, cioè quella parte che non viene trascritta.

L'involucro nucleare è di tipo fosfolipidico, a livello di questo si possono individuare due membrane: una membrana nucleare interna e una membrana nucleare esterna; immersi nella membrana troviamo delle aperture chiamate pori nucleari attraverso cui possono passare le sostanze prodotte dal nucleo. La parte esterna della membrana nucleare si fonde con quella del reticolo e permette il passaggio di sostanze, la parte interna non è molto permeabile. A stretto contatto con la membrana nucleare vi sono numerosi filamenti che formano la lamina nucleare che dà sostegno e forma al nucleo. All'interno del nucleo è inoltre osservabile un'ulteriore struttura, quella del nucleolo, che è sede della sintesi degli RNA ribosomiali.

Anche nelle cellule eucariote sono presenti ribosomi e si possono trovare liberi nel citoplasma, sulla membrana nucleare, sul reticolo endoplasmatico rugoso, nei mitocondri e nei cloroplasti. I ribosomi si compongono di due subunità: una maggiore e una minore. Una subunità maggiore 60 S e una subunità minore 40 S.

Organelli cellulari

Reticolo endoplasmatico diviso in reticolo endoplasmatico rugoso e liscio.

Il reticolo endoplasmatico rugoso è un sistema di membrane dove la porzione interna è separata dal citoplasma e prende il nome di lume. Sul reticolo endoplasmatico rugoso vi è la presenza di ribosomi che determinano proprio la parte rugosa. La principale funzione del reticolo è di sintetizzare le proteine che saranno destinate all'esterno, all'apparato di Golgi o ad altri organuli.

Il reticolo endoplasmatico liscio è formato da tubuli interconnessi, è privo di ribosomi, per questo le sue funzioni dipendono dagli enzimi sulla membrana. Il reticolo è sede della sintesi dei lipidi, responsabili della trasformazione chimica di sostanze, sede di idrolisi del glicogeno, ed ha il compito di immagazzinare ioni calcio, essenziali per la contrazione muscolare.

L'Apparato di Golgi è un insieme di strutture appiattite impilate le une sulle altre, presenta una faccia di ingresso chiamata faccia cis e una faccia di uscita detta faccia trans. A livello dell'apparato di Golgi avvengono modifiche chimiche per le proteine come glicosilazione, aggiunta di mannosio, acetilazione e metilazione e avviene il controllo di qualità di lipidi e proteine. I prodotti vengono poi destinati a un lisosoma, a una membrana plasmatica o un altro compartimento del Golgi oppure ritornano in senso retrogrado verso il reticolo endoplasmatico.

I lisosomi sono organuli contenenti enzimi idrolitici, hanno il compito di degradare molecole biologiche e hanno il compito di digerire sostanze. Questi enzimi si attivano a pH bassi e degradano proteine, lipidi e carboidrati o anche molecole estranee, distruggono batteri nocivi e inglobano attraverso autofagia digerendone il contenuto.

I perossisomi sono abbondanti nelle cellule renali ed epatiche, contengono specifici enzimi grazie alle quali riescono a demolire i perossidi tossici, come perossido di idrogeno.

I mitocondri di forma allungata sono addetti alla respirazione cellulare, sono costituiti da due membrane: la membrana interna e la membrana esterna e lo spazio tra queste due membrane è chiamato spazio intermembrana, lo spazio delimitato dalla membrana interna è detto matrice mitocondriale. La membrana esterna è permeabile mentre la membrana interna non è permeabile. Il mitocondrio presenta un DNA proprio chiamato DNA mitocondriale, consente ai mitocondri di duplicarsi autonomamente e la presenza di ribosomi permette ai mitocondri di svolgere una propria sintesi proteica.

Le funzioni del mitocondrio sono provvedere all'apoptosi, cioè morte cellulare programmata, alla proliferazione cellulare, alla regolazione dello stato ossidativo della cellula, alla sintesi dell'Eme, alla produzione di calore, alla sintesi del colesterolo. Tra i ruoli più importanti vi è quello della produzione di ATP, compiuto ossidando i derivati principali della glicolisi.

Cellula eucariote vegetale e animale

La cellula eucariote vegetale e quella animale presentano un nucleo, citoplasma, membrana plasmatica, ribosomi, reticolo, mitocondri, apparato di Golgi, citoscheletro e presentano parete cellulare. Le pareti delle cellule vegetali servono a determinare e mantenere la forma della cellula, a dare sostegno strutturale, a proteggere e favorire la comunicazione.

Altri organuli caratteristici sono i vacuoli, che sono racchiusi da una membrana e hanno diverse funzioni tra cui: accumulo di sostanze nutritive per la cellula, mantenimento della pressione idrostatica.

Altri organuli sono plastidi e cloroplasti. All'interno della cellula animale, il vacuolo centrale invece agisce come un lisosoma, cioè immagazzina acqua, fa aumentare le dimensioni della cellula e immagazzina sostanze e prodotti di rifiuto.

La membrana cellulare

La membrana cellulare è un involucro che avvolge la cellula e regola gli scambi con l'esterno, determina la forma delle cellule e permette la comunicazione e l'adesione cellulare. La sua struttura è formata da: fosfolipidi con testa polare idrofila e due code idrofobe, proteine con funzione enzimatica, di trasporto, recettoriale, e carboidrati che si legano ai lipidi formando i glicolipidi o alle proteine formando le glicoproteine. Il colesterolo è fondamentale per la corretta fluidità della membrana.

Gli scambi cellulari sono garantiti tramite adesioni cellulari che si formano attraverso giunzioni cellulari:

• Giunzioni occludenti: formano una cintura tra due cellule, impediscono il passaggio di sostanze e sigillano lo spazio tra le membrane.
• Desmosomi: sono siti di ancoraggio e hanno una struttura densa, la placca citoplasmatica, nella faccia interna della membrana si legano le proteine che sporgono all'esterno.