Biologia

Biologia - Corso di fisioterapia 2022/2023

Introduzione

Per parlare di vita bisogna fare una distinzione tra organismo vivente (colui che percepisce lo stimolo e reagisce ad esso) e oggetto inanimato. Considerato che entrambi sono costituiti dalle stesse unità fondamentali (atomi e molecole), bisogna specificare che ciò che permette di distinguerli è l’organizzazione delle molecole biologiche.

Il corso di scienze biologiche affronterà lo studio di come gli organismi viventi sono composti, funzionano e sono organizzati:

• Il modulo di biochimica si occupa di atomi e molecole, le istruzioni chimiche fondamentali per l’organizzazione e l’attività della cellula.
• Il modulo di microbiologia si occupa di organismi unicellulari (tra cui batteri e protozoi) e virus.
• Il modulo di biologia si occupa di organismi pluricellulari.

La biologia è la scienza che studia gli esseri viventi, ossia qualsiasi unità in grado di nascere, accrescersi, riprodursi e morire (i virus non sono organismi viventi in quanto non sono in grado di riprodursi da soli). Ogni essere vivente è costituito da unità fondamentali, le cellule, che compiono un ciclo cellulare.

Teoria cellulare

La teoria cellulare si fonda su tre concetti principali:

• La cellula è l’unità di base dell’organizzazione della materia vivente.
• Tutti gli organismi sono formati da cellule.
• Ogni cellula deriva da un’altra cellula.

La cellula è costituita da acqua (70%), macromolecole e sali minerali. Le macromolecole sono polimeri, ossia delle molecole enormi composte da unità ripetute dette monomeri. In linea generale sono costituite da Carbonio, Idrogeno, Ossigeno, Azoto e Fosforo e si suddividono in quattro gruppi: acidi nucleici, proteine, carboidrati e lipidi.

Gli acidi nucleici sono molecole biologiche costituite da una serie di nucleotidi a loro volta costituiti da:

• Zucchero: ribosio (OH al carbonio in posizione 2) o desossiribosio (H al carbonio in posizione 2).
• Base azotata: pirimidine (Citosina e Timina/Uracile) o purine (Guanina e Adenina).
• Gruppo fosfato: in sua assenza la molecola prende il nome di nucleoside.

I vari acidi nucleici sono uniti tra di loro attraverso il gruppo fosfato e il carbonio in posizione 3 in una lunga catena a formare i filamenti (doppio nel DNA e singolo nell’RNA). Questa formazione viene definita scheletro del DNA/RNA o backbone. Tra le basi azotate si instaura invece un legame a idrogeno. I filamenti del DNA, posizionati tra loro in maniera antiparallela, e la complementarietà delle basi azotate rendono possibile mantenere la distanza fissa dei due scheletri a 2 nanometri.

Il dogma centrale della biologia afferma che il flusso dell’informazione genetica è monodirezionale.

Le proteine sono lunghe catene di amminoacidi (ne esistono circa una ventina, dei quali nove sono definiti essenziali per il nostro organismo) formati da un carbonio a cui, oltre ad un H, viene legato:

• Un gruppo amminico.
• Un gruppo carbossilico.
• Una catena laterale variabile.

Le proteine si suddividono tra semplici e coniugate (tra le quali ricordiamo le metalloproteine, le fosfoproteine e le glicoproteine).

Ogni proteina è caratteristica e svolge una funzione ben specifica:

• Enzimi: accelerano le reazioni biochimiche.
• Proteine strutturali: conferiscono stabilità fisica e permettono il movimento.
• Proteine di difesa: riconoscono le sostanze estranee e rispondono.
• Proteine di segnalazione: controllano processi fisiologici.
• Trasportatori di membrana: regolano il passaggio di sostanze attraverso le membrane cellulari.
• Proteine di accumulo: immagazzinano amminoacidi per un uso successivo.
• Proteine regolatrici dei geni: determinano l’intensità di espressione di un gene nel tempo.

I carboidrati sono molecole composte da carbonio, idrogeno e ossigeno e si differenziano in base al numero di atomi di carbonio. Solitamente vengono rappresentati tramite una catena aperta, tuttavia facendo reagire il gruppo aldeidico e l’ossidrile del carbonio in posizione 5 è possibile ottenere la configurazione ciclica. A seconda dell’orientazione del gruppo aldeidico al momento della chiusura dell’anello si ottiene:

• Una alfa-molecola: OH del Carbonio 1 sta sotto.
• Una beta-molecola: OH del Carbonio 1 sta sopra.

I carboidrati si suddividono in semplici (rappresentano una fonte di energia per la cellula) e in polisaccaridi, tra i quali vanno ricordati:

• Cellulosa con legame beta-1,4 e lineare.
• Amido con legame alfa-1,4 e ramificato.
• Glicogeno con legame alfa-1,4 e molto ramificato.

I carboidrati svolgono funzioni strutturali e di riserva; per questo motivo si trovano:

• Sulla membrana cellulare di tutte le cellule.
• Nella struttura degli acidi nucleici.
• Liberi all’interno delle cellule.

I lipidi sono molecole caratterizzate da lunghe catene di carbonio e idrogeno dette acidi grassi. Si possono identificare tre tipologie di molecole lipidiche:

• Trigliceridi (olii e grassi) formati da glicerolo e tre molecole di acido grasso.
• Fosfolipidi formati da glicerolo unito a due catene idrocarburiche (coda idrofobica) e a un gruppo fosfato (testa idrofila).
• Steroidi (colesterolo, testosterone) formati da quattro anelli di atomi di carbonio.

Ogni categoria di lipidi ha una funzione ben specifica, infatti i trigliceridi svolgono un’azione di accumulo di energia a lungo termine e isolamento termico; i fosfolipidi svolgono la funzione di formazione delle membrane cellulari e gli steroidi regolano la crescita e lo sviluppo.

Per quanto riguarda i sali minerali, essi svolgono due funzioni importanti:

• Regolatrice: partecipano alle attività cellulari, enzimatiche e metaboliche.
• Strutturale: sono costituenti di tessuti.

Essi si trovano allo stato solido nello scheletro e in soluzione nei liquidi extracellulari e intracellulari.

Cellula eucariotica

Per poterla vedere mi serve o un microscopio elettronico fino a grandezze di 100 micrometri, o un microscopio ottico per grandezze tra 100 nanometri e 1 mm, ma riesce a vederla anche un occhio umano nudo da grandezze di 100 micrometri. Si deve tenere a mente che per la maggior parte delle cellule il diametro è di 1-100 micrometri.

Esistono due microscopi importanti per i nostri studi:

• Semplice: ingrandimento senza definizione.
• Composto: ingrandimento con alto potere di risoluzione.

Il potere di risoluzione dell’occhio umano è di 0.1 mm, questo significa che l’occhio umano non può distinguere due punti separati a meno di 0.1mm. Il potere di risoluzione del microscopio ottico invece arriva fino a 0.2 μm.

Le cellule variano tra di loro in base alla dimensione. Solitamente le cellule hanno dimensione ridotte per poter favorire le interazioni con l’ambiente esterno e lo scambio esterno/interno e per poter ottimizzare il tempo durante il ricavo di energia. All’aumentare delle dimensioni il rapporto superficie/volume diminuisce.

Gli organismi viventi possono essere divisi in sei macro-gruppi: funghi, batteri, archei, protesti, animali e piante. Di questi, archei e batteri hanno cellule procariotiche, mentre i funghi hanno cellule eucariotiche.

Le maggiori differenze tra cellule procariotiche e cellule eucariotiche sono:

Nelle cellule eucariotiche, dimensioni e struttura non sono correlate alla dimensione e alla complessità dell’organismo (ape ed elefante hanno cellule uguali pur essendo molto diversi). Gli organelli occupano uno spazio ben definito all’interno delle cellule, basato sul loro scopo circa il funzionamento cellulare. Il citoscheletro si occupa anche del loro trasporto.

La membrana plasmatica si presenta con uno spessore molto sottile (6 - 10 nm). È formata da un doppio strato di fosfolipidi arricchito da proteine alle quali si lega con legami covalenti e da carboidrati. Questa struttura viene quindi a delineare il modello del mosaico fluido, consentendo così ai lipidi una serie di movimenti: diffusione laterale, rotazioni e flessione, movimento flip-flop o diffusione trasversale da uno strato all’altro. Una particolarità di questa disposizione è data dal fatto che vi è asimmetria: il foglietto esterno e il foglietto interno sono diversi tra loro.

L’interazione tra le proteine e il doppio strato lipidico dipende dalle caratteristiche dei gruppi laterali degli aminoacidi. In genere si possono osservare diverse tipologie di proteine di membrana:

• Single-pass integral protein.
• Multi-pass integral protein.
• Monotropic protein.
• Extrinsic protein.

Inoltre, in base al rapporto tra proteine e lipidi, la membrana acquista particolari qualità:

• Rapporto proteine/lipidi alto: membrana con funzioni specializzate.
• Rapporto proteine/lipidi basso: membrana in isolamento elettrico.

La membrana plasmatica risulta essere una barriera al trasporto esterno/interno:

• Passiva (non richiede energia), e può essere:
  • Semplice, in cui passano gas, molecole idrofobiche (benzene) e piccole molecole polari (etanolo).
  • Facilitata, in cui intervengono le aqua-porine per il passaggio delle molecole d’acqua, i canali ionici e i trasportatori Carrier per le grandi molecole polari come il glucosio.
• Attiva (richiede energia), essa può essere:
  • Primaria: pompa trasportatrice con idrolisi di ATP; come la pompa sodio-potassio (3Na escono e 2K entrano).
  • Secondaria: sfrutta il potenziale elettrochimico del trasporto attivo primario.

Infine, materiali di grosse dimensioni attraversano la cellula mediante i processi di endocitosi (fagocitosi con macrofagi e granulociti, pinocitosi, o mediata da recettori come la clatrina) ed esocitosi.

La membrana cellulare gioca un ruolo fondamentale anche nell’impostazione cellulare, ossia nel mantenimento di gradienti ionici ed elettrici. Per far ciò si avvale del meccanismo di osmosi, un processo fisico spontaneo (senza apporto esterno di energia) che tende a diluire la soluzione più concentrata.