Appunti di biologia animale e fisiologia cellulare

Lezione 1

Introduzione alla biologia cellulare

La biologia cellulare deriva dall’insieme di genetica, citologia e biochimica, un percorso durato molti anni (dal 1600).

• Nel 1660 Hooke costruisce un microscopio 30X ed osserva la struttura del sughero.
• Successivamente Van Leeuwenhoek costruì un microscopio 300X con cui osserva le cellule del sangue (solo dopo si scoprì che in realtà osservò la parete morta delle cellule), spermatozoi…
• Nel 1830 venne creato il microscopio composto, ovvero una lente oculare che ingrandiva notevolmente il campione da osservare, con potere risolutivo di 1 μm.

Brown descrisse il nucleo e iniziò la teoria cellulare (postulata da Schwann nel 1839):

• Tutti gli organismi sono formati da una o più cellule.
• La cellula è l'unità base della struttura di tutti gli organismi.
• Successivamente, nel 1855, Virchow aggiunse che le cellule derivano da altre cellule preesistenti.

La teoria cellulare di oggi afferma anche che le cellule contengono informazioni genetiche (DNA) che vengono trasmesse alla cellula figlia.

Proprietà fondamentali delle cellule

Le cellule sono strutture viventi, autoreplicanti e in grado di “rispondere” ai cambiamenti dell’ambiente che le circondano. Si riproducono tramite divisione cellulare, acquisiscono energia e la utilizzano (es. glucosio e ATP è l’energia delle cellule ed è importante che non si usi più ATP di quanta è in grado di produrre la cellula), hanno un metabolismo, rispondono agli stimoli dell’ambiente circostante (es. i neuroni). Quando una cellula capta uno stimolo crea alcune reazioni come l’attivazione di messaggeri a seconda del canale che viene stimolato (SIGNALING), sono capaci di autoregolarsi (nel caso in cui non ci siano mutazioni, riescono a mantenere l’ambiente della cellula costante, entro certi parametri - OMEOSTASI) e viene conservata l’informazione genetica.

Gli organismi vengono classificati in 3 domini: batteri, archei e eucarioti. Batteri e archei sono procarioti. Tali domini sono stati determinati attraverso l’analisi dei DNA e rRNA.

Cellula procariotica

Sono cellule molto più semplici (unicellulari) rispetto agli eucarioti e stessa cosa vale per i loro processi, che possono essere aerobi e anaerobi. La cellula procariotica si trova solitamente nel dominio dei batteri e degli archei, ma mostra una somiglianza con la cellula eucariote per la presenza di una membrana cellulare. Sono delimitate da membrana plasmatica. Non hanno il nucleo: hanno il nucleoide, ovvero una struttura simile al nucleo ma che non è delimitato da membrane (presenta una sola molecola di DNA circolare ripiegata in una decina di anse). Il citoscheletro è assente o molto semplice. Il citoplasma è privo di strutture membranose. Si moltiplicano tramite divisione binaria. Presentano un sistema di locomozione molto semplice: flagello che ruotando crea il movimento (possono avere anche i pili per l’interazione con altre cellule).

• Esempi di archei: metanogeni (trasformano CO2 e H2 in metano), alofili (vivono nel mar morto), acidofili (vivono a pH altissimi) e termofili.

Parete batterica: mantiene la forma della cellula. Essa si divide tra Gram-positiva e Gram-negativa.

• Gram-positiva: presenta uno strato spesso di peptidoglicano e per questo tramite colorazione rimane più colorato. Al microscopio risultano compatta.
• Gram-negativa: ha uno strato di peptidoglicano molto più sottile e per questo perde facilmente la colorazione.

Il Peptidoglicano è costituito da polisaccaridi uniti da brevi segmenti polipeptidici.

Flagelli: sono appendici di lunghezza 3-100 μm e la loro rotazione permette il movimento della cellula nello spazio.

Pili o fimbrie: sono strutture proteiche che si proiettano all’esterno della parete cellulare. Hanno una lunghezza di 100-200 nm. Si legano ai carboidrati presenti su altre cellule.

Cellula eucariotica

Costituisce organismi pluricellulari come piante, alghe, funghi, animali… Ha una struttura molto più complessa rispetto ai procarioti (soprattutto il citoplasma). La membrana plasmatica è costituita da due strati di fosfolipidi, disposti in modo da avere la testa (idrofilica) verso l’esterno e l’interno della cellula. Presenta un nucleo delimitato da due membrane (situato al centro). Presenta dei pori che permettono il passaggio, tra nucleo e citoplasma, di proteine importanti per lo svolgimento di funzioni basilari per la cellula (es. trasporto mRNA). Presenta molti organelli intracellulari: apparato di Golgi, reticolo endoplasmatico, mitocondri, lisosomi e perossisomi. Questi organelli non comunicano gli uni con gli altri tramite vescicole, ma sono collegati. Presenta un citoscheletro con funzione di contrattilità (cellule muscolari), di movimento e supporto, infatti mantiene la struttura. Il DNA è organizzato in grandi molecole unite a proteine (istoni che servono a creare la cromatina). Il nucleo contiene i cromosomi (materiale genetico). Si moltiplica tramite mitosi.

Le cellule procariotiche sono MOLTO più piccole rispetto a quelle eucariotiche.

Caratteristiche comuni alla cellula eucariote e procariote

• Membrana cellulare con struttura simile
• Informazione genetica codificata dallo stesso codice genetico
• Meccanismi simili nella traduzione e trascrizione
• Vie metaboliche condivise
• Meccanismi simili di fotosintesi
• Meccanismi simili per la sintesi e l’inserzione delle proteine di membrana
• Proteosomi di struttura simili
• Filamenti del citoscheletro costruiti con proteine simili all’actina e tubulina

Lezione 2

Elementi chimici importanti nelle cellule

• H: è un componente dell’acqua.
• C: costituisce una gran parte delle molecole dato che può creare 4 legami alla volta.
• O: respirazione cellulare ed è un componente dell’acqua.
• Z: componente delle proteine e acidi nucleici.
• Ca: componente strutturale di ossa e denti, è molto importante per la contrazione muscolare e per la trasmissione sinaptica (molto importante per la trasmissione del segnale tra cellule infatti il Ca è necessario per convertire il segnale nervoso in segnale chimico). Vi è una maggiore concentrazione di Ca all’esterno che all’interno.
• K: regola la funzione nervosa e la contrazione muscolare.
• N: è molto concentrato nel mezzo extracellulare (la differenza di gradiente tra interno ed esterno permette la creazione di segnali elettrici).
• P: componente acidi nucleici e fosfolipidi di membrana. Inoltre è molto importante nel trasferimento di energia (ATP).

Nonostante alcuni elementi siano poco presenti non significa che non siano necessari, anzi, talvolta sono indispensabili per la sopravvivenza della cellula.

L'acqua è una molecola polare e questo causa un’asimmetria delle cariche. Per questo motivo crea legami a idrogeno. Ha un elevato calore specifico infatti è un buon isolante. L’acqua costituisce la parte interna ed esterna della cellula, divisa da un doppio strato di fosfolipidi: sono anfipatici, ovvero presentano una parte idrofilica e una idrofobica. La parte polare (idrofilica) è la testa mentre la parte apolare (idrofobica) è la coda. Nella membrana fosfolipidica le teste sono rivolte verso l’esterno. Hanno la capacità di riunirsi in caso di un’interruzione del doppio strato.

Le molecole non riescono a penetrare tutte all’interno del doppio strato ma bisogna fare delle distinzioni:

• Ioni non riescono a oltrepassare lo strato, l’unica possibilità che hanno è affiancarsi alle proteine.
• Molecole grandi polari prive di carica (zuccheri e amminoacidi), come gli ioni, non riescono ad entrare se non con le proteine trasportatori.
• Piccole molecole polari prive di carica riescono ad entrare perché sono piccole.
• Le molecole piccole apolari invece riescono sempre ad entrare.

Oltre all’acqua, i composti a base di carbonio sono i più abbondati nelle cellule. Il C può legare fino a 4 atomi e quindi formare una grande quantità di molecole.

Gruppi funzionali

Proteine

Sono insiemi di 20 amminoacidi che le conferiscono la propria funzione. Sono localizzate sulla membrana plasmatica, mitocondriale e nei microtubuli del citoscheletro. Si trovano complessate con il DNA a formare la cromatina. Le proteine sono polimeri di amminoacidi: 1 atomo centrale di C, 2 gruppi funzionali (amminico e carbossilico), 1 atomo di H e una parte laterale R che cambiando determina la proteina e le sue proprietà. Il legame covalente tra due amminoacidi si chiama legame peptidico. Gli amminoacidi sono 20 e si dividono in apolari, polari non carichi e polari carichi.

Carboidrati

Sono anche chiamati zuccheri, formati da carbonio, ossigeno e idrogeno. Sono sulla parete cellulare della cellula vegetale e se associati alle proteine prendono il nome di glicoproteine. Possono legarsi anche a lipidi e formare i glicolipidi. Nella maggior parte dei casi sono un deposito di energia chimica.

Sono composti formati da C, O, H e si dividono in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

• Monosaccaridi: (CH₂O)_n dove n è compreso tra 3 e 7 (i più importanti sono esosi e pentosi).
• Disaccaridi: formati dal legame di due monosaccaridi. Tramite reazione di condensazione (eliminazione acqua) si forma il legame. Nel processo inverso (ovvero l’idrolisi) i legami si rompono e si consuma una molecola d’acqua.
• Polisaccaridi: formati dal legame covalente tra diversi monosaccaridi (di più rispetto ai disaccaridi). Es. cellulosa (è un polisaccaride strutturale tipica dei vegetali), amido (polisaccaride nutritivo) e glicogeno (polisaccaride nutritivo).

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono costituiti da nucleotidi: zucchero, base azotata e 3 gruppi fosfato. Le basi azotate sono adenina e guanina (basi purine) e timina, citosina e uracile (basi pirimidine). I nucleotidi possono funzionare anche come messaggeri intracellulari: adenosina monofosfato ciclico cAMP (attiva la proteina Achinasi). Il DNA è formato da 2 filamenti di nucleotidi uniti da legami a idrogeno secondo l’accoppiamento complementare delle basi (A-T, C-G). L’RNA è invece formato da un solo filamento di nucleotidi.

Lipidi

Non sono formati da un processo di polimerizzazione. Sono molecole idrofobiche oppure anfipatiche (sulla membrana). Solubili in solventi non polari. Sono una grande riserva energetica e sono i costituenti della membrana cellulare e degli organelli.

• Acidi grassi: sono saturi (soprattutto nei grassi animali, es. burro) o insaturi (sono più abbondanti negli olii vegetali, presentano uno o più doppi legami). I doppi legami creano delle pieghe nella molecola e quindi rendono la catena più disordinata e di conseguenza è più liquida. Es. acido palmitico e oleico. Formati da un gruppo carbossilico e una catena di idrocarburi. Nella cellula gli acidi grassi sono legati ad altre molecole. Dalla loro demolizione si ricava energia duratura.
• Trigliceridi: formati da glicerolo + 3 acidi grassi diversi che determinano la natura del trigliceride.
• Fosfolipidi: glicerolo + 2 acidi grassi + 1 gruppo fosfato (il quale dà il nome ai "fosfolipidi"). La membrana cellulare è formata da un doppio strato di fosfolipidi. Si dividono anche in fosfogliceridi e sfingolipidi (sfingosina al posto del glicerolo).

Lezione 3

Proteine

Unità costruttive delle proteine: amminoacidi amminico + gruppo carbossilico + catena laterale + H + carbonio alfa. La forma della proteina è data da una determinata sequenza di amminoacidi. Ogni amminoacido si lega ad altri tramite legami peptidici covalenti (formando catena polipeptidica). Il legame peptidico si forma dall’unione di un gruppo carbossilico con uno amminico tramite reazione di disidratazione (eliminazione H₂O). La catena polipeptidica per essere considerata una proteina non basta che mostri una sequenza di amminoacidi, ma deve rispettare una serie di proprietà:

• Le proteine assumono conformazioni simili.
• Le proteine sono in grado di legarsi a una o più molecole strutturalmente simili.
• La proteina è legata al suo ligando deve indurre una funzione.

Si dividono in base alle proprietà delle catene laterali:

• Apolari (idrofobici): catena laterale idrofobica priva di O e N e sono incapaci di interagire con l’acqua. Es. glicina, alanina, metionina, triptofano…
• Polari (idrofobici) non carichi: es. serina, cisteina, asparagina…
• Polari (idrofilici) carichi: es. acido aspartico, acido glutammico…

Struttura delle proteine

1. Struttura primaria: sequenza di amminoacidi con legami peptidici covalenti. Non conferisce una funzione specifica alla funzione.
2. Struttura secondaria: α o β.
   • α-elica: catena polipeptidica che si avvolge su stessa a formare un cilindro rigido. Stabilizzata da legami a idrogeno che legano C=O e N=H. Può essere destrorsa e sinistrorsa. È possibile che due o tre eliche alfa si avvolgano una sull’altra: struttura coiled-coil.
   • β-foglietto: è formato da numerosi legami H che uniscono i tratti della catena. Può essere parallelo o antiparallelo se i tratti della catena vicina decorrono nella stessa direzione.
3. Struttura terziaria: è la conformazione dell’intero polipeptide. È il ripiegamento tridimensionale di una singola catena polipeptidica. Il motivo per cui la proteina assume una certa conformazione ripiegandosi in un determinato modo, si vede dai tipi di legame che si possono instaurare e che vanno oltre ai legami peptidici tra due amminoacidi consecutivi. Infatti nelle strutture terziarie si hanno legami a idrogeno tra amminoacidi polari o tra gruppi funzionali che non per forza sono adiacenti nella sequenza. Si determina con la cristallografia a raggi X o con RMN (spettroscopia a risonanza magnetica nucleare). Es. mioglobina.
4. Struttura quaternaria: associazione di più polipeptidi per formare una proteina multimerica. Costituita da subunità che possono essere uguali o distinte. Es. emoglobina umana e insulina.

Il dominio di una proteina è una parte della catena polipeptidica che può ripiegarsi indipendentemente in una struttura stabile con funzioni specifiche. Ogni dominio contiene 100-250 amminoacidi. In una proteina possono esserci più domini.

Organelli che digeriscono le proteine

Funzione dei proteasomi

È un grande complesso proteico multi subunità che serve a digerire proteine etichettate tramite ubiquitina (è una proteina che si lega alla catena polipeptidica: ubiquitinazione). All’interno del proteasoma ci sono degli enzimi che digeriscono le proteine citoplasmatiche e le rilasciano.

Funzione dei lisosomi

È un organello citoplasmatico delimitato da membrana. Riceve delle vescicole dall’apparato di Golgi o dalla membrana, queste poi si svuotano del loro contenuto e si fondono con il lisosoma. Le proteine che vengono rilasciate vengono digerite dalla proteasi, che digeriscono proteine solubili e proteine di membrana.

Funzione della proteinasi

Le proteinasi vengono secrete nello spazio extracellulare dove digeriscono le proteine extracellulari. Vengono anche secrete gli inibitori delle proteinasi che quindi impediscono l’attivazione.

Funzioni delle proteine

• Accelerano le reazioni metaboliche
• Funzione strutturale, trasporto, regolazione
• Interazione tra ambiente extracellulare e intracellulare (recettori di membrana)
• Anticorpi, coagulazione del sangue e assorbimento della luce

Le proteine sono costituite da 20 tipi di amminoacidi che si dispongono in catene lineari per poi formare una proteina. Possono essere globulari, fibrose, formare filamenti, anelli, foglie…. E gli amminoacidi che vengono incorporati nella catena vengono chiamati residui. Possono anche contenere carboidrati (glicoproteine), metalli (metalloproteine), gruppi organici (flavoproteine).

Lezione 4

Acidi nucleici

Le informazioni sono conservate nel nucleo sotto forma di DNA. Una parte di DNA è trascritto nel nucleo per formare l’RNA. Nel citoplasma l’mRNA è tradotto in sequenze di amminoacidi. Sono costituiti da nucleotidi: base + zucchero + gruppo fosfato. Base + zucchero = nucleoside. Il gruppo fosfato (carbonio 5’) è legato allo zucchero tramite legame fosfodiesterico mentre la base (carbonio 1’) è legata allo zucchero tramite legame glicosidico.

Le basi si dividono in purine e pirimidine:

• Purine: adenina e guanina
• Pirimidine: citosina, timina e uracile

L’uracile si trova solo negli RNA al posto della timina, che invece si trova solo nei DNA.

Rosalind Franklin, grazie ad un esame cristallografico a raggi X, scoprì che il DNA è costituito da una doppia elica, determinandone anche il diametro. Utilizza i raggi X siccome sono costituiti da una lunghezza d’onda molto corta e quindi possono essere facilmente deviati dagli elettroni della molecola.

Il DNA ha una dimensione di 2 nanometri, costituito da 2 catene che sono tenute insieme da legami a idrogeno che si instaurano tra basi appaiate. Il DNA si avvolge su se stesso a formare una doppia elica destrorsa. Inoltre, i due filamenti devono essere complementari e antiparalleli (con polarità opposte 3’ e 5’). Le coppie di basi sono: adenina-timina e guanina-citosina (regole di Chargaff). Il DNA umano è lungo circa 2 metri. Il DNA viene conservato e trascritto nel nucleo per formare l'RNA, questo viene poi traslocato nel citoplasma dove viene trasformato in una proteina attraverso il processo di traduzione.