Biologia per professioni sanitarie

Biologia: studio della vita

Composizione della materia vivente

La materia vivente è formata da una parte organica (proteine, lipidi, carboidrati) e una inorganica (acqua, sali minerali). La particella più piccola di un essere vivente è l'atomo, che è formato da un nucleo positivo intorno al quale ruotano elettroni di carica negativa. L'elemento è una sostanza pura, con atomi di un solo tipo. Un elemento ha un numero specifico di neutroni, quello dei neutroni varia mentre quello degli elettroni definisce i legami.

Forze e legami atomici

Le forze di attrazione forti e deboli sono la "colla" che unisce gli atomi. I legami forti sono costituiti da due atomi che condividono una coppia di elettroni negativi (covalente polare/apolare). Mentre i legami deboli sono: quello ionico, le forze di Van der Waals, i legami idrogeno e le interazioni idrofobiche.

• Legame covalente: Condivisione di coppie di elettroni
• Attrazione ionica: Attrazione tra cariche opposte
• Legame idrogeno: Attrazione elettrostatica tra un atomo di idrogeno legato covalentemente a un atomo elettronegativo
• Interazione idrofobica: Interazione tra sostanze apolari in presenza di sostanze polari
• Interazione di Van der Waals: Interazione tra elettroni di sostanze apolari

Il legame ionico si crea per perdita o acquisizione di elettroni. Il legame a idrogeno è un legame intermolecolare che ha luogo quando in una molecola è presente un atomo di idrogeno legato a un elemento elettronegativo e di piccole dimensioni come F, O e N. I legami idrogeno possono formarsi all'interno di una stessa molecola o tra molecole diverse.

Macromolecole e polimeri biologici

Le macromolecole sono polimeri biologici (combinazione di monomeri uguali o diversi) legame: condensazione. Rottura legame: idrolisi. Struttura influenzata da legami deboli: denaturazione-rinaturazione.

• Polisaccaridi: Polimeri lineari o ramificati di monosaccaridi legati mediante legami glicosidici.
• Proteine: Polimeri lineari costituiti da dieci a diverse migliaia di amminoacidi legati da legami peptidici.
• Acidi nucleici: Polimeri lineari contenenti centinaia di milioni di nucleotidi legati attraverso legami fosfodiestere.

Reazione di condensazione: Il legame fra i vari monomeri avviene mediante una reazione in cui si ha la perdita di una molecola di H₂O. Ogni volta che si forma un legame uno dei monomeri perde un gruppo ossidrile, l'altro un atomo di idrogeno.

Reazione di idrolisi: Rottura dei legami covalenti tra monomeri per aggiunta di una molecola di H₂O. Un atomo di idrogeno dell'acqua attacca un monomero e il gruppo ossidrile lega il monomero adiacente.

Carboidrati

(CH₂O) - monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi.

• Funzione nutritizia: Glucidi impiegati da organismi viventi come riserva e carburante (amido, glicogeno)
• Funzione strutturale: Cellulosa (pareti cellule vegetali), chitina (insetti ed invertebrati), cartilagine, parete cellulare dei procarioti. Formano complessi macromolecolari come glicolipidi e glicoproteine.

Monosaccaridi: Zuccheri semplici che contengono da 3 a 7 atomi di carbonio: ribosio e desossiribosio (5 atomi di C), glucosio e fruttosio (6 atomi di C).

Disaccaridi: Composti da due monosaccaridi legati covalentemente mediante legame glicosidico.

Polisaccaridi: Sono i carboidrati più abbondanti in natura (amido, glicogeno, cellulosa) in grado di immagazzinare energia.

Lipidi

Sostanze con consistenza grassa-oleosa, relativamente insolubili in H₂O a causa dei loro numerosi legami covalenti apolari. Composti da C, H, O. Tutti i lipidi sono apolari ed idrofobi. Funzioni principali: accumulo di energia, componenti delle membrane cellulari, isolamento termico e segnalazione cellulare (regolazione spermatogenesi e ovulogenesi).

• Acidi grassi
• Fosfolipidi
• Steroidi
• Carotenoidi
• Cere

La molecola di acido grasso presenta due regioni chimicamente distinte: Una lunga catena idrocarburica (sono presenti solo legami non polari C-H, che sono incapaci di interagire con l'H₂O (molecole idrofobiche, chimicamente poco reattive) Un gruppo COOH (si comporta in soluzione come un acido ionizzato, COO-, estremamente idrofilico e chimicamente reattivo). Sono molecole anfipatiche: hanno sia una porzione idrofila che idrofobica.

Trigliceridi: Materiale di riserva (accumulo nel citoplasma sotto forma di goccioline di grasso) composto da molecole neutre ed estremamente idrofobe. Quando necessario, sono demoliti ed utilizzati nelle reazioni per produzione di energia. Derivano dall'esterificazione del glicerolo con 3 acidi grassi saturi (stearico) o insaturi (oleico) con un numero di atomi di C compreso tra 14 e 22.

Fosfolipidi e glicolipidi: Sono costituiti da catene di acidi grassi (porzione idrofoba) attaccate ad uno scheletro di glicerolo. Hanno estrema importanza biologica per la loro natura anfipatica e sono i principali costituenti delle membrane.

Fosfolipidi: Formati da una molecola di glicerolo esterificata da due acidi grassi e nel terzo carbonio è legato ad un P occupato che a sua volta lega un gruppo organico generalmente azotato. Sono molecole anfipatiche.

Steroidi: Hanno una struttura diversa da quella degli altri lipidi. Hanno una molecola policiclica. Il più importante è il colesterolo, uno steroide importante per costituire le membrane, di cui contribuisce a mantenere l'integrità e gli ormoni sessuali prodotti dalle ghiandole surrenali (testosterone, aldosterone, estradiolo) ed altri ormoni steroidei (es. cortisone).

Colesterolo: Può essere sintetizzato dalle cellule (origine endogena) o introdotto con l'alimentazione (origine esogena). Il colesterolo svolge funzioni essenziali al metabolismo:

• Costituente delle membrane cellulari delle cellule animali
• Precursore della vitamina D (importante per la crescita ossea e dei denti)
• Composto di partenza per la sintesi degli acidi biliari (prodotti da fegato)

Perché tenere il colesterolo sotto controllo? Il colesterolo in eccesso nel fegato si accumula dando origine ai calcoli biliari. Il colesterolo in eccesso nel sangue si accumula sulle pareti interne delle arterie provocando la formazione di placche che causano arteriosclerosi. Oltre al colesterolo, sono steroidi:

• Sali biliari: Favorisce l'idrolisi degli acidi grassi presenti nell'intestino.
• Ormoni steroidei: Secreti dalle gonadi e dalla corteccia del surrene, regolano aspetti del metabolismo di molti animali (vertebrati, insetti e crostacei)
• Estrogeni, testosterone, progesterone: Ormoni coinvolti nella sessualità e nella riproduzione.
• Steroidi anabolizzanti: Sostanze illegali usate per aumentare artificialmente la massa muscolare, pericolosissimi in particolare per l'apparato circolatorio

Cere: Composti apolari di consistenza solida o semisolida. Sono lipidi strutturali di rivestimento protettivo del tegumento, del pelo e del piumaggio degli animali. Prodotti dalla combinazione di: acidi grassi saturi/insaturi + alcoli monovalenti a lunga catena. Funzione: Essendo insolubili in acqua, le cere svolgono un'importante funzione di rivestimento protettivo e impermeabilizzante.

Animali: Secreti ghiandolari

Animali marini: Sostanze di riserva

Vegetali: Foglie e frutti.

Proteine

Sono polimeri composti da 20 amminoacidi in diverse proporzioni e disposti in ordine diverso.

Legame peptidico: Gli amminoacidi si combinano fra loro legando il carbonio del –COOH di una molecola all'N del gruppo –NH₂ dell'altra. Un'estremità della catena ha un gruppo amminico libero mentre all'estremità opposta si trova un gruppo carbossilico libero.

Struttura proteica:

• Struttura primaria: Monomeri di amminoacidi sono uniti a formare catene polipeptidiche; stabilizzata da legame peptidico.
• Struttura secondaria: Le catene polipeptidiche possono formare elica e foglietto; sono stabilizzate da legame idrogeno.
• Struttura terziaria: I polipeptidi si ripiegano dando origine a forme specifiche; stabilizzate da legami idrogeno, ponti disolfuro, interazioni idrofobiche.
• Struttura quaternaria: Due o più polipeptidi possono aggregarsi formando grandi molecole proteiche; stabilizzati da: legami idrogeno, ponti disolfuro, interazioni idrofobiche, interazioni ioniche.

Classificazione delle proteine

In base alla funzione:

• Strutturali: Sostegno, protezione, forma
• Dinamiche: Enzimi, proteine di trasporto anticorpi, ormoni

In base alla composizione chimica:

• Semplici
• Coniugate: Glicoproteine, lipoproteine, emoproteine

Enzimi: Catalizzano (accelerano) le reazioni bio-chimiche

Proteine strutturali: Conferiscono stabilità fisica e permettono il movimento

Proteine di difesa: Riconoscono le sostanze estranee (non-self) e vi rispondono (es. anticorpi)

Proteine di segnalazione: Controllano processi fisiologico (es. ormoni di segnalazione)

Proteine recettore: Ricevono i segnali chimici e vi rispondono

Trasportatori di membrana: Regolano il passaggio di sostanze attraverso le membrane cellulari

Proteine di accumulo: Immagazzinano amminoacidi per un uso successivo di accumulo

Proteine di trasporto: Legano e trasportano sostanze nell'ambito di un organismo

Proteine regolatrici dei geni: Determinano l'intensità di espressione di un gene nel tempo.

Molte malattie: Sono dovute al difettoso ripiegamento di una proteina. Alcune derivano da proteine che non sono in grado di raggiungere la loro struttura funzionale e che tendono a formare grossi aggregati (fibrille o forme amiloidi): Alzheimer, Parkinson, encefalopatia spongiforme, diabete di tipo II.

Acidi nucleici

• DNA: Acido desossiribonucleico
• RNA: Acido ribonucleico

Funzioni:

1. Conservano l'informazione genetica di ogni unità biologica elementare.
2. Consentono la trasmissione ereditaria tramite il processo di replicazione.
3. Contribuiscono, tramite i processi di trascrizione e traduzione, alla realizzazione del piano strutturale e funzionale di un individuo.
4. Partecipano, come molecole singole, a vari meccanismi di trasferimento di energia (ATP, GTP). I nucleotidi sono infatti composti ricchi di energia, che svolgono anche diverse attività a supporto del metabolismo cellulare.

Sono polimeri di nucleotidi, composti ricchi di energia, che svolgono anche diverse attività a supporto del metabolismo cellulare.

Nucleoside: Base Azotata + Zucchero Pentoso

Nucleotide: Nucleoside + Gruppo Fosfato

I nucleotidi:

• AMP: Adenosin monofosfato
• dAMP: Deossiadenosin monofosfato
• UDP: Uridin difosfato
• ATP: Adenin trifosfato

I nucleotidi si legano tra di loro tramite legame fosfodiesterico o ponte fosfodiestere.

Acido desossiribonucleico (DNA)

Conservazione del programma genetico. Nel 1953, Watson e Crick propongono il modello della molecola di DNA: due catene polinucleotidiche associate l'una all'altra a formare una doppia elica ad avvolgimento destrorso disposte tra loro in maniera antiparallela. Le basi azotate (adenina, timina, guanina e citosina) sono disposte verso l'interno dell'elica e formano coppie (purina+pirimidina) di basi unite da legami H ed interazioni idrofobiche. La sequenza di basi di ciascuna catena è legata a quella della catena partner da una relazione obbligata detta complementarietà.

Il DNA contiene le istruzioni per lo sviluppo degli organismi. Ha una struttura a doppia elica con catene polinucleotidiche complementari e antiparallele.

Stabilità della molecola (doppia elica) di DNA:

• Presenza scheletri covalenti
• Interazioni idrofobiche tra coppie di basi
• Legami H all'interno di ogni coppia

Le interazioni idrofobiche ed i legami H appartengono alle interazioni chimiche deboli, ma assumono grande efficacia stabilizzatrice sia per la conformazione ordinata della doppia elica, sia per l'elevato numero di coppie di basi contenute in una molecola.

Acido ribonucleico (RNA)

La molecola dell'RNA è costituita da singole catene polinucleotidiche di dimensioni variabili che acquisiscono strutture secondarie. È formato da nucleotidi composti da uno zucchero, il ribosio; da 4 basi azotate: adenina, citosina, guanina ed uracile; un gruppo fosforico. Il DNA veicola le informazioni e le esprime attraverso l'RNA.

Gli acidi nucleici DNA e RNA sono polimeri composti da monomeri nucleotidici. La sequenza nucleotidica del DNA contiene le informazioni utilizzate dall'RNA per determinare la struttura primaria delle proteine. L'informazione genetica contenuta nel DNA viene passata da una generazione all'altra e può servire a comprendere le parentele evolutive.

Organismi viventi

Ogni cellula è capace di vita autonoma.

• Le cellule dei vari organismi viventi sono straordinariamente simili tra loro. Ogni organismo, cioè ogni cellula, riceve l'informazione da quella che l'ha preceduta.
• La cellula madre, si accresce, vive e a sua volta si duplica passando tale informazione alle cellule figlie.
• Quindi ogni cellula rappresenta un singolo anello di una catena ideale che ha avuto origine da quella che abbiamo chiamato cellula primordiale, da cui qualche miliardo di anni fa ha avuto origine la vita sulla terra.
• È un trasportatore attivo dell'informazione genetica.

1665: Cellula; termine impiegato la prima volta da Robert Hooke dopo aver osservato con la lente di ingrandimento la struttura del sughero. Descriveva delle unità cave delimitate da residui di parete cellulare.

1674: A. Van Leeuwenhoek migliora il potere di risoluzione delle lenti e descrive per la prima volta il nucleo all'interno di organismi unicellulari liberi.

1855: Rudolf Virchows introduce il concetto di divisione cellulare "Tutte le cellule derivano dalla divisione di una cellula preesistente".

1910: G.B. Carnoy Università di Lovanio in Belgio pubblica il primo giornale dedicato alla biologia cellulare - intitolato La cellule.

La teoria cellulare (1838)

• Tutti gli organismi sono formati da cellule (da una o più cellule).
• Ogni cellula deriva da altre cellule. Le cellule compiono tutte le funzioni proprie degli esseri viventi e sono le unità base di tutti gli organismi.
• Le cellule attuali si sono evolute da un progenitore comune; la singola cellula è il veicolo dell'informazione ereditaria che definisce la specie.

Caratteristiche comuni a tutte le cellule (procarioti ed eucarioti):

• Tutti gli organismi viventi sono formati di cellule.
• Ogni cellula è capace di vita autonoma.
• Le cellule dei vari organismi viventi sono straordinariamente simili tra loro.
• Ogni organismo, cioè ogni cellula, riceve l'informazione da quella che l'ha preceduta; la cellula madre, si accresce, vive e a sua volta si duplica passando tale informazione alle cellule figlie.
• Quindi ogni cellula rappresenta un singolo anello di una catena ideale che ha avuto origine da quella che abbiamo chiamato cellula primordiale, da cui qualche miliardo di anni fa ha avuto origine la vita sulla terra.
• È un trasportatore attivo dell'informazione genetica. Il risultato è la dinamicità e la plasticità degli esseri viventi, fenomeno di grande rilevanza biologica.

La dimensione delle cellule è limitata dal rapporto tra superficie e volume; quando un oggetto si ingrandisce, il suo volume aumenta più rapidamente della sua superficie. Per funzionare, le cellule devono mantenere un rapporto superficie-volume elevato. Ciò spiega il motivo per cui i grandi organismi sono composti da tante piccole cellule piuttosto che da poche ed enormi. Il volume è correlato al metabolismo, mentre dalla superficie dipende la quantità di sostanze che può transitare dall'esterno alla cellula e viceversa.

Livello di organizzazione nei viventi

1. Particelle subatomiche: Sono le particelle che si trovano nell'atomo; elettroni, protoni, neutroni.
2. Atomo: La più piccola particella della materia.
3. Molecole: Due o più atomi uniti da legami chimici.
4. Organuli/strutture cellulari: Sono formati da biomolecole e si trovano all'interno delle cellule.
5. Cellule: La più piccola unità di un essere vivente con le proprietà della vita.
6. Tessuti: Insieme di cellule uguali unite tra loro.
7. Organi: Insieme di più tessuti.
8. Apparati: Insieme di più organi.
9. Organismi pluricellulari: Insieme di più apparati.
10. Popolazione: Insieme di organismi che in quel momento vivono nello stesso ambiente.
11. Comunità: Insieme di popolazioni diverse che vivono nello stesso luogo in un certo momento.
12. Ecosistema: Insieme delle comunità viventi e dell'ambiente fisico in cui vivono, e le loro interazioni.
13. Biosfera: Insieme di tutti gli ecosistemi della terra.

Modelli di organizzazione cellulare

Esistono due modelli diversi di organizzazione cellulare: Procarioti (unicellulari, batteri ed alghe azzurre) ed Eucarioti (uni o pluricellulari, cellule più complesse e compartimentalizzate).

Procarioti

Anche se non possiamo vederli ad occhio nudo, rappresentano la forma vivente più diffusa sulla Terra. Si dividono in due domini:

• Eubatteri: Gran parte dei batteri (fotosintetici e patogeni)
• Archea: Metanobatteri, sulfobatteri, alobatteri

Caratteristiche dei procarioti:

• Dotati di parete cellulare
• DNA concentrato in una regione detta nucleoide, non circondata da membrana: non hanno nucleo
• Possiedono una singola molecola di DNA circolare
• Contengono ribosomi 70S, ma sono privi di organelli circondati da membrana: assenza di compartimentalizzazione

I batteri dotati di movimento posseggono flagelli, molto diversi da quelli eucariotici, composti dalla proteina flagellina. I batteri non hanno citoscheletro come quello degli eucarioti. Il flagello è attaccato ad una serie di anelli proteici immersi nella membrana esterna ed in quella plasmatica interna, che ruotano insieme al flagello. La rotazione è alimentata dal flusso di protoni attraverso un anello esterno di proteine, lo statore, con un meccanismo che potrebbe somigliare a quello della ATP-sintetasi.

I batteri si riproducono per semplice scissione binaria.

Classificazioni in base alla forma

Cocchi: Gli stafiloc