Appunti di Biologia rielaborati

Biologia degli esseri viventi

Caratteristiche degli esseri viventi

1. Nascono

2. Crescono

3. Si riproducono

4. Muoiono (a causa dell'invecchiamento o senescenza anche scritto nel genoma).

Genoma = programma genetico scritto nell'acido nucleico (RNA o DNA) che detta tutto ciò che viene svolto.

Elementi essenziali

• Carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo
• Formano le macromolecole polimeriche:
  • Proteine formate da amminoacidi
  • Acidi nucleici formati da nucleotidi
  • Carboidrati formati da zuccheri semplici
  • Lipidi formati da acidi grassi

Le macromolecole vengono sintetizzate e distrutte (turn over molecolare) per sostituire quelle usurate, in particolare RNA e proteine.

Classi delle proteine

Non è una distinzione rigida e ci sono proteine che possono appartenere a più classi contemporaneamente.

• Strutturali: danno la morfologia dell'organismo e delle sue cellule
• Catalizzatori: enzimi
• Funzionali: fanno avvenire altre funzioni, per esempio i fattori di trascrizione e traduzione (sono proteine accessorie)

Principi unificanti della biologia

• Tutte le cellule originano da una cellulare preesistente, per l'uomo lo zigote (cellula uovo fecondata).
• Tutti gli organismi sono formati da cellule.
• Tutti gli organismi hanno bisogno di energia, dieta.
• Tutti gli organismi sono bioreattori, cioè rispettano le leggi di fisica e chimica come la fisica dei liquidi (pressione osmotica), del movimento (movimenti ameboidi), delle correnti elettriche (impulsi nervosi).

Cellula

- Centrale informazionale: DNA o nucleo

- Centrale biosintetica di proteine: citoplasma o organelli citoplasmatici

- Centrale energetica: mitocondrio

Differenze procarioti ed eucarioti

• Cellule procariote: non sono compartimentate e le reazioni hanno identità spaziale e temporale. Non hanno nucleo "pro-carion" - prima del nucleo.
• Cellule eucariote: hanno distinzione temporale e spaziale delle reazioni. Hanno nucleo "ben fatto". Hanno endomembrane che definiscono i compartimenti.

Adenosina 5' trifosfato - ATP

Appartiene alla classe di nucleosidi 5' tri fosfato. Si compone di:

• CH₂-2 legami fosfoanidridici + legame fosfoestere = 3 legami ad alta energia covalenti che per idrolisi liberano 13 o 14 kcal/mole
• Gruppo alcolico che perde l'OH per legare al primo residuo di acido fosforico
• Zucchero pentoso ribosio
• Base azotata adenina

Appartenenti alla classe

Possono variare o lo zucchero (desossiribosio o ribosio) o la base azotata (citidina, timidina, uracile, guanosina), originano:

• Desossiribonicleotidi (perdono un OH in posizione 2') - dATP, dGTO, dCTP, TTP (dNTP)
• Ribonucleotidi (ATP, GTO, CTP, UTP)

La cellula preferisce usare ATP e in alcuni casi la GTP, e preferisce quelli con il ribosio.

Evoluzione

Comparsa delle macromolecole biologiche

La comparsa della vita risale a 4,6 miliardi di anni fa. L'origine abiotica avviene in un ambiente riducente da materiale inorganico, cioè i gas dell'atmosfera:

• CO₂, H₂O in vapore, CO, H₂, NH₃, H₂S, CH₄

Questi gas hanno subito l'azione energetica di:

• Sole, fulmini, meteoriti, eruzioni vulcaniche, decadimento materiali radioattivi che porta alla rottura dei legami chimici liberando elettroni.

Si originano così nuovi materiali organici:

• Acido lattico, acido acetico, acido formico, urea

Questi hanno interagito con la crosta terrestre in raffreddamento dove compare acqua liquida. Questa si satura di molecole organiche formando il brodo primordiale.

La formazione di molecole complesse avviene grazie al contatto con ioni metallici, ferro, zinco e zolfo per originare amminoacidi, proteine, carboidrati, nucleotidi, DNA, RNA e lipidi.

Comparsa delle prime cellule

Le prime cellule compaiono quando si formano i lipidi che originano le membrane biologiche, 3,8 miliardi di anni fa. Le membrane sono formate da un doppio strato fosfolipidico e hanno comportamento anfipatico.

Nel brodo primordiale interagiscono con l'acqua in 3 modi:

La prima cellula procariote è il liposoma perché al centro ingloba parte del brodo primordiale contenente RNA, proteine, sali, zuccheri... che diventa il citoplasma.

Nascita dei procarioti

I primi procarioti sono:

• Eterotrofi (sfruttano materiale presente nell'ambiente, glucosio, per produrre energia con modalità riducente, fermentazione)
• Anaerobi

L'utilizzo di glucosio ne causa la carestia che genera la prima tappa evolutiva: mutazioni casuali fanno nascere nuove funzioni per sopperire alla mancanza di glucosio, così nascono i batteri fotosintetici autotrofi, cioè che hanno 2 geni per l'espressione di 2 proteine (batteriocianine e batterioclorofille).

Fotofintesi

La seconda tappa evolutiva è causata dalla produzione di ossigeno molecolare come scarto della fotosintesi.

1. Avvengono mutazioni che decadono in geni che originano capacità di sfruttare l'ossigeno attraverso la glicolisi aerobica: Questi organismi sono avvantaggiati dalla produzione di una gran quantità di ATP.
2. Per un batterio anaerobico un secondo modo di sopravvivere è fagocitare un batterio aerobico. Deriva da qui la teoria endosimbiontica: dei batteri aerobi (mitocondri) e dei batteri fotosintetici (cloroplasti) attraverso un riconoscimento cellulare premono sulla membrana della cellula anaerobica causando invaginazione e strozzatura.

Prove della teoria endosimbiontica:

• Doppia membrana dei mitocondri
• Membrana con sistemi di trasporto simili a quelli procarioti
• Meccanismi di trascrizione e traduzione
• DNA mitocondriale circolare

Nascita degli eucarioti

Unicellulari

Protozoi con citoplasma compartimentato e serrata comunicazione tra gli organelli.

Pluricellulari

Porta alla specializzazione delle cellule e quindi vantaggi evolutivi, poiché funzioni diverse possono avvenire contemporaneamente.

Gli organismi pluricellulari

Attività fisiologiche comuni

Cellule con metabolismo basale identico producono proteine uguali in tutte le cellule.

Attività specializzanti

Ogni cellula in virtù della sua posizione assume struttura diversa e produce proteine che la diversificano.

Ciò è determinato dal genoma e perciò si dividono:

• Geni Housekeeping: codificano proteine coinvolte nel metabolismo basale
• Geni specializzanti: caratterizza quel tipo di cellula come nervosa, muscolare...

Il DNA è identico in tutte le cellule ma in base alla posizione relativa la cellula riceve segnali che le fanno esprimere determinati geni rispetto ad altri = Regolazione dell'espressione genica.

Cellula procariote

• Scissione binaria preceduta da una replicazione del materiale genetico
• Reazioni biochimiche molto semplici
• Unicellulari
• Nel citoplasma hanno disciolti RNA, sali, proteine, ribosomi: sono più propriamente "particelle ribosomiali" o "particelle ribonucleoproteiche". L'RNA ribosomiale si lega ad essi e avviene la sintesi delle proteine sganciate nel citoplasma.
• La membrana cellulare è rivestita dalla parete cellulare batterica zuccherina, di peptidoglicano (catene di zuccheri uniti mediante catene proteiche): protegge dall'ambiente esterno ed è regolatore della pressione osmotica e del volume di acqua. I batteri generalmente vivono in ambiente ipotonico.
• Sono rivestiti anche da capsula: una struttura polisaccaridica che ha ruolo di riconoscimento delle cellule ospiti del batterio.
• Il DNA batterico è lungo circa 1mm ed è circolare e avvolto su se stesso in una condensazione semplice grazie alle proteine poliamine. È a doppio filamento, formato da nucleotidi accoppiati per mezzo di un legame debole, originando una "coppia di basi" o "bp"="bais pair" (più correttamente una coppia di desossiribonucleotidi 5' monofosfato).
• Il cromosoma batterico è lungo 4*10⁶ bp e porta 4288 geni. Questo dato è stato scoperto grazie al sequenziamento del DNA dell'E. Coli nel 1998.
• Il citoplasma è costituito dal 70% da acqua con l'aggiunta di carboidrati, proteine… e i loro precursori cioè amminoacidi, zuccheri semplici…
• Il DNA è presente anche sotto forma di plasmidi, piccole molecole circolari a doppio filamento, che possono codificare per la resistenza agli antibiotici.
• Il DNA contiene due gruppi di geni:
  • Geni codificanti proteina (danno origine alle proteine)
  • Geni non codificanti proteina (vengono trascritti ma non tradotti e perciò diventano tRNA e rRNA).
• Vi è presente anche l'RNA prodotto da trascrizione dei geni del DNA, diviso in tre tipi:
  • tRNA: trasportano nel ribosoma gli amminoacidi
  • rRNA: formano i ribosomi accoppiandosi alle proteine ribosomiali, sede della sintesi
  • mRNA: prodotto dopo la trascrizione, vengono tradotti in proteina.

Di questi 3 tipi di RNA tutti sono legati alla sintesi proteica ma solo l'mRNA effettivamente viene tradotto in proteina.

Cellula eucariote

• 10-100 micrometri
• Sistema altamente organizzato e ben delineato
• I perossisomi in particolare demoliscono iperossidi tossici, cioè i radicali liberi che sono atomi o molecole che hanno perso o acquisito elettroni (sono il prodotto di scarto durante la fosforilazione ossidativa). I principali radicali liberi sono i radicali dell'ossigeno, ROS.
• Sparsi nel citoplasma possiamo trovare anche dei ribosomi liberi, non associati al RER. Questi intervengono nella sintesi proteica. I ribosomi non sono però organelli citoplasmatici, perché non sono rivestiti da membrana fosfolipidica. Essi sono definiti particelle ribonucleoproteiche. Sono l'insieme di rna ribosomiali e proteine ribosomiali (che però non derivano dal rna ribosomiale ma da normali rna messaggeri che a loro volta sono trascritti da geni del dna diversi).
• Sono dotate di una struttura detta citoscheletro = struttura proteica formata dalle proteine citoscheletriche (appartenenti alla classe delle proteine strutturali). Queste si organizzano nel citoplasma e costituiscono un'impalcatura proteica nella cellula che ha il compito di sostenere gli organelli citoplasmatici. Le particelle del citoscheletro si ancorano alla membrana citoplasmatica della cellula (anche esterne) e alle membrane degli organelli citoplasmatici per mantenerli in posizione, altrimenti collasserebbero al centro della cellula per forza di gravità. Il citoscheletro permette anche il movimento di alcuni organelli, come i lisosomi o i perossisomi, e il trasporto delle vescicole generico. Permette in modo altamente specialistico il movimento globale di intere cellule all'interno dei tessuti per cambiare localizzazione. Questo è permesso grazie ad interazione con la matrice extracellulare, di componente proteica. È molto importante per la costituzione dei nostri tessuti.

Strutture delle cellule vegetali ma non animali

• Vacuolo: sacca contenente per lo più acqua e in aggiunta sali minerali, zuccheri, proteine, materiali di scarto. Può contenere una riserva di pigmenti (antocianine). Può essere considerato un organello rivestito da una sua membrana che è detta tomoplasto, avente la caratteristica di possedere dei canali da cui passa acqua (verso il citoplasma o verso l'esterno). Mantiene la giusta quantità di acqua all'interno della cellula, regola la pressione osmotica (correttamente detta pressione di turgore), la tonicità, la rigidità dei tessuti e la crescita della cellula vegetale (che cresce per aumento del volume del vacuolo).
• Cloroplasto: origina dalla teoria endosimbiontica. Ha alcune analogie con il mitocondrio, infatti è circondato da una doppia membrana fosfolipidica. La membrana interna si chiama membrana tilacoidale perché si invagina all'interno del cloroplasto dando origine a dischi detti grana, ciascuno dei quali è detto tilacoide. Sulla superficie dei tilacoidi si deposita la clorofilla, che permette la fotosintesi catturando l'energia solare. I pigmenti sono divisi in fotosistemi, che stabiliscono una catena di trasferimento degli elettroni per produrre NADPH e ATP, queste due molecole daranno origine al glucosio. L'ambiente interno viene detto matrice, a base acquosa, contenente anche una serie di molecole quali ioni, proteine, RNA, ribosomi, DNA circolare. Nella matrice si immagazzina il glucosio sotto forma di amido, diviso in due riserve: l'amilosio e l'amilopectina.
• Una parte del glucosio viene utilizzato per formare la parete, formata da cellulosa (polimero del glucosio). Tra le pareti generalmente si forma una lamella mediana = zona in cui le pareti non combaciano, che serve a tenere unite le cellule del tessuto. Questa regione è riempita dall'amilopeptina, sostanza gelatinosa che serve a legare acqua. La parete vegetale ha una maggiore resistività rispetto alla parete batterica. Possono esistere la parete primaria: che fa passare acqua, ioni e zuccheri, formata da microfibrille di cellulosa dotata di rigidità che conferisce il tono citoplasmatico. Alcune piante producono una parete secondaria. I fori della parete sono detti plasmodesmi, e hanno una comunicazione molto stretta con la membrana sottostante facendo passare acqua e ioni. Questi sono la struttura di comunicazione tra cellule adiacenti.

Cellula eucariote animale

Tutto parte dal nucleo, attorno al quale si dispongono gli organelli che a vario titolo collaborano con l'informazione nucleare. Ogni componente può essere studiato sia dal vivo, sia in vitro. Si può studiare ogni componente riferendola all'organismo complesso di cui fa parte, perché le cellule tra loro non sono tutte uguali, ma hanno differenze strutturali che originano differenze funzionali, che permettono di costruire i diversi tessuti e organi. Ci sono circa 210 tipi di cellule, cioè di forma e struttura diversa, che in realtà sono molto più numerosi e divisi in sottoclassi = diversi profili di espressione genica (cellule con funzione diversa mettono in campo geni diversi) determinano meccanismi di differenziazione.

Conclusione

Le forme possono essere molto diverse tra loro, e questa differenza è dovuta ad una diversa organizzazione del citoplasma e del citoscheletro.

• La maggiore cellula umana è la cellula uovo, con un nucleo molto sproporzionato rispetto al citoplasma=infatti la cellula uovo è estremamente ricca di proteine che servono a dare inizio ad una nuova vita. Quando si dividerà per mitosi non ha bisogno di fare sintesi proteica perché ha già tutto il necessario alle prime divisioni nel citoplasma.
• Una cellula molto piccola è il globulo rosso che è anucleato.
• La stragrande maggioranza delle cellule hanno un solo nucleo, ad eccezione delle cellule del fegato e soprattutto delle cellule muscolari scheletriche che possono contenere centinaia di nuclei (derivano dalla fusione di cellule singole dando origine al sincizio cellulare = struttura in cui le singole cellule non si riconoscono a causa di fusione della membrana plasmatica).
• Le cellule possono avere citoplasma prolungato, come quelle nervose per favorire la comunicazione a distanza tra cellule.

Origine

Fecondazione della cellula uovo da parte dello spermatozoo per formare lo zigote (inizialmente si parla di stadio pro-nucleo ma molto velocemente si crea un unico nucleo). Il nostro organismo è formato da:

• Cellula uovo e spermatozoo sono cellule gametiche che derivano da un pool di cellule primordiali dette cellule germinali (nelle gonadi femminili e maschili) che sono un gruppo particolare di cellule somatiche.
• Cellule somatiche, cioè del "soma" del corpo.

La differenza è che la maggior parte delle cellule somatiche si divide per mitosi, invece le cellule germinali hanno sia la capacità di dividersi per mitosi (alimentando la popolazione di cellule germinali) sia per meiosi (attraverso cui forma i gameti). Quest'ultimo è già un processo di differenziamento perché si ottengono cellule altamente specializzate che formano nuovi individui.

Una seconda differenza è il contenuto di DNA:

• Nello spermatozoo e nella cellula uovo la molecola di DNA è lunga circa un metro, organizzata in 23 molecole di DNA. La cellula gametica è definita come patrimonio aploide. L'aploidia è la condizione necessaria per la formazione di un nuovo individuo.
• La cellula somatica (la prima cellula somatica (cellula madre di origine) è lo zigote diploide) contiene una molecola di DNA contenente 23 molecole di origine maschile e altrettante femminili, cioè 46 molecole che costituiscono circa due metri di lunghezza. Si può parlare di 23 coppie di molecole (cromosomi) di DNA uguali a due a due= 23 coppie di cromosomi omologhi=cioè con le stesse informazioni genetiche. La cellula somatica siccome ha due coppie di ogni gene è detta diploide = ogni gene è rappresentata due volte (una coppia materna e una coppia paterna). Mantenendo la diploidia si evita di raddoppiare tutte le volte il materiale genetico.

Regolazione dell'espressione genica

Tutte le cellule figlie contengono la medesima molecola di DNA. La diversità tra le cellule non sta nelle divisioni cellulari, nulla si toglie e nulla si aggiunge, ma sta in una differenziale espressione genica= cellule diverse esprimono in modo diverso i medesimi geni.

La regolazione dell'espressione genica fa si che ogni cellula in ogni molecola sappia variare la quantità di mRNA che produce a partire da una stessa informazione genetica= se aumenta la quantità di mRNA, si aumenta la quantità di proteina e viceversa. L'espressione di una determinata informazione genetica determina la differenza cellulare necessaria per soddisfare le proprie esigenze, che possono cambiare da un momento all'altro.

Cosa detta i livelli di espressione genica?