Riassunto esame Biologia generale e cellulare, Prof. Battaglioli Elena, libro consigliato Il mondo della cellula, Becker

Il mondo della cellula

Biologia generale e cellulare

Scienza che studia gli organismi viventi e i loro rapporti con l’ambiente circostante.

Caratteristiche della materia vivente

• Complessità (biodiversità)
• Capacità di accrescimento
• Capacità di autoproduzione
• Adattamento all’ambiente

Biodiversità

È un numero enorme di specie viventi, cioè la diversità che assume la Terra. Tante più sono le specie nell’ecosistema, tanto più sarà bassa l’estinzione della vita a causa delle alterazioni e variazioni del clima/terra. Regni: batteri, protisti, animali, funghi, piante. Ogni specie ha una complessità specificatamente determinata, costante nel tempo. Esistono macromolecole informazionali (che contengono grandi quantità di informazioni): il DNA, che è il composto chimico in cui è depositata l’informazione genetica. L’insieme delle molecole di DNA contenenti l’informazione genetica di una cellula ne costituisce il genoma.

Capacità di accrescimento

Gli organismi nascono, crescono e si sviluppano. Devono essere in grado di produrre energia dalla materia, e lo fanno tramite l’esistenza di catalizzatori estremamente specifici ed efficienti, gli enzimi, che accelerano una reazione che richiederebbe mesi. In ogni organismo, si svolgono solo le reazioni per le quali esso è in grado di produrre il corrispondente enzima; una buona parte dell’informazione genetica riguarda il modo in cui sintetizzare i diversi enzimi.

Capacità di autoproduzione

È la necessità di un meccanismo di replicazione e di trasmissione dell’informazione genetica specifica di ciascun organismo. Necessità che la moltiplicazione delle cellule degli organismi avvenga solo quando il materiale genetico è stato duplicato e la crescita è stata sufficiente. Esiste un meccanismo di replicazione del DNA che assicura la conservazione dell’informazione: duplica il patrimonio genetico di una cellula. Esistenza di meccanismi che assicurano la precisa ripartizione del materiale replicato tra cellule figlie (Mitosi: duplicazione tramite la creazione di due cellule figlie; e Meiosi: processo che avviene dei gameti, con dimezzamento del patrimonio genetico). Esistenza di meccanismi che controllano la divisione cellulare in funzione della crescita della cellula e della replicazione del materiale genetico.

Adattamento all’ambiente

Necessità di un meccanismo di adattamento compatibile con la conservazione e la trasmissione dell’informazione genetica, tramite vari tentativi che vengono selezionati, con la selezione naturale, tramite un meccanismo di evoluzione per selezione naturale su fenotipi generati dall’insorgenza di mutazioni casuali nell’informazione genetica. A volte insorgono delle mutazioni, anche all’interno di organismi di una stessa specie. Tra un individuo e l’altro, che hanno contenuti gli stessi geni, vi sono delle differenze, perché i geni hanno delle sequenze diverse, e questo produce proteine leggermente differenti, che crea le differenze tra gli individui.

Organizzazione biologica

È gerarchica. Ogni livello della gerarchia ha proprietà emergenti e caratteristiche non presenti ai livelli inferiori. Atomo—molecola—macromolecole—organello—cellula—tessuto—organo—sistema di organi—organismo—popolazione—comunità—ecosistema—biosfera.

Teoria cellulare

La cellula è l’unità fondamentale della materia vivente, ed è la più piccola unità capace di vita indipendente. Tale teoria si basa su tre principi fondamentali:

• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da una (unicellulari) o più cellule (pluricellulari).
• La cellula è l’unità di base della struttura di tutti gli organismi.
• Tutte le cellule derivano esclusivamente per divisione da cellule pre-esistenti.

Hooke, osservando fettine di sughero con un rudimentale microscopio da lui costruito, conia il termine cellula. Leeuwenhoek, progettò i primi microscopi e costruisce lenti con potere di ingrandimento 300X. Schleiden scoprì che tutti i tessuti vegetali sono costituiti da insiemi organizzati di cellule. Schwann estese le osservazioni di Schleiden ai tessuti animali e propose una base cellulare comune a tutti gli organismi viventi. Virchow afferma che le cellule possono essere originate solo da altre cellule preesistenti.

Carattere gerarchico dell’organizzazione cellulare

L’acqua

La vita è nata nell’acqua. Una cellula batterica è composta chimicamente al 70% da acqua, e al 30% da DNA, RNA, polisaccaridi, proteine, fosfolipidi, ioni, piccole molecole. L’acqua è l’unico composto presente sulla Terra allo stato liquido in quantità così abbondante.

Proprietà dell’H₂O

Polarità: È una molecola polare, quindi è un ottimo solvente per soluti ionici e polari. È una caratteristica dovuta ad una diversa distribuzione delle cariche elettriche tra l’ossigeno e gli atomi di idrogeno. Una molecola di H₂O può fare contemporaneamente 4 legami a idrogeno: i legami a idrogeno si formano tra un atomo di idrogeno (legato covalentemente ad un atomo elettronegativo) e un atomo elettronegativo, come ossigeno, azoto, fluoro di molecole diverse oppure della stessa molecola (legame idrogeno intramolecolare). Una molecola di acqua da 4 legami solo quando è allo stato solido (energia cinetica e temperatura bassa). Il ghiaccio galleggia perché i legami tra le molecole di H₂O hanno la distanza maggiore e ciò implica un volume maggiore e una densità più bassa.

Coesione: Forza che tiene unite le cellule. Essa è dovuta ai legami a idrogeno tra le molecole d’acqua. La coesione spiega alcune caratteristiche dell’acqua, come la sua elevata tensione superficiale (alcuni insetti possono camminare sull’acqua) e il suo elevato punto di ebollizione.

Adesione: È un fenomeno dovuto a legami a idrogeno tra l’acqua e altre sostanze polari. Capillarità: Coesione e adesione dell’acqua spiegano il fenomeno della capillarità, cioè la capacità di risalire all’interno di tubi molto stretti contro la forza di gravità, come si osserva nelle piante.

Alto calore specifico: È la quantità di calore, che un grammo di una sostanza deve assorbire, per aumentare la sua temperatura di un grado centigrado. L’acqua possiede un alto calore specifico, a seguito dei numerosi legami a idrogeno tra le molecole d’acqua. Ciò consente agli organismi di mantenere relativamente costante la temperatura interna e fa sì che gli oceani e le altre masse d’acqua mantengano una temperatura costante. L'acqua a 15°C ha un calore specifico di 1 cal / (g × °C) mentre l'alcol etilico 0,581 cal / (g × °C).

Alto calore di evaporazione: È quantità di energia necessaria per convertire un grammo di liquido in vapore. Le molecole d’acqua, quando passano allo stato di vapore, portano con loro una grande quantità di calore, determinando così un raffreddamento per evaporazione. Tendenza a dissociarsi: È la caratteristica che produce ioni idrogeno (protoni, H⁺) e ioni idrossido (OH^-).

Sostanze idrofiliche

L’acqua è un solvente di composti ionici (sali) e di composti polari (carboidrati, aminoacidi, nucleotidi). Le molecole che si sciolgono in acqua sono dette polari o idrofiliche.

Sostanze idrofobiche

Nell’acqua non sono solubili le molecole apolari (molecole sulla cui superficie non si verifica uno sbilanciamento nella distribuzione degli elettroni). Le molecole che non sono solubili in acqua sono dette apolari o idrofobiche.

Da sapere: Nel 1742, Anders Celsius definì la scala di temperatura che prende il suo nome, ponendo il punto di fusione dell'acqua (alla normale pressione atmosferica) a 0 gradi ed il punto di ebollizione a 100 gradi.

Classi di molecole organiche presenti nella cellula

I lipidi

Sono una classe eterogenea di composti, sono insolubili (idrofobi), o solubili solo in solventi apolari.

Funzioni lipidiche

• Deposito: Riserva energetica.
• Strutturale: Compongono le membrane.
• Ormoni: Alcuni sono “messaggeri chimici”, sia all’interno della cellula, sia tra le cellule stesse.
• Isolante: Contro le basse temperature.
• Vitamine ADEK: Tutti sono composti chimicamente dagli acidi grassi.

Gli acidi grassi sono acidi monocarbossilici a catena lunga (solitamente non ramificata), con numero pari di atomi di C, e possono essere saturi o insaturi.

Acidi grassi

• Catene non ramificate di idrocarburi con un gruppo carbossilico (COOH) ad una estremità.
• Generalmente, numero pari di atomi di carbonio: 16 – 18.
• Gruppo COOH: “testa” polare. Catena idrocarburica: “coda” non polare.

Formula generale di acido grasso saturo: no doppi legami -C=C- nella catena (lineari). Formula generale di acido grasso insaturo: ha uno o più doppi legami -C=C- nella catena (ramificati). La presenza del doppio legame crea una curvatura nella molecola, non essendo più lineare. Ciò modifica il punto di fusione, abbassandolo.

Lipidi semplici

Sono i lipidi più abbondanti nei viventi. Hanno funzione energetica per le cellule. Sono composti da glicerolo e uno o più acidi grassi. Il glicerolo è un alcool a 3 atomi di C, contenente 3 gruppi OH, a ciascuno dei quali è legato un acido grasso. Il glicerolo legato all’acido, fa una reazione di esterificazione, (formazione di un legame estere tra il C2 e il C3) e si ottiene un trigliceride. Questa è una reazione di condensazione perché porta alla perdita di una molecola di acqua.

• Monogliceride: Glicerolo + 1 acido grasso.
• Digliceride: Glicerolo + 2 acidi grassi.
• Trigliceride: Glicerolo + 3 acidi grassi.

I trigliceridi rappresentano i principali lipidi di deposito sia negli organismi animali che vegetali. Poiché sono insolubili in acqua, sono presenti nelle cellule all’interno del citoplasma, sotto forma di goccioline, che in alcuni tessuti specializzati, come il tessuto adiposo, possono occupare gran parte della cellula.

Lipidi complessi

Fosfolipidi

Sono molecole anfipatiche, lipidi composti da una molecola di glicerolo, legato a 2 acidi grassi (digliceridi) e a un gruppo fosfato (P) e un gruppo polare. Costituiscono tutte le membrane cellulari tramite un doppio strato fosfolipidico, posizionando le teste idrofile verso l’esterno e le code all’interno, creando una barriera idrofobica, impedendo alle molecole di H₂O di passare liberamente nella membrana. In soluzioni acquose possono formare anche strutture differenti (liposomi e micelle).

Glicolipidi

• Cerebrosidi: Sono residui monosaccaridici (D-glucosio, D-galattosio). Costituiscono la guaina mielinica.
• Gangliosidi: Sono residui oligosaccaridici. Costituiscono la membrana delle cellule nervose.

Steroidi

Presentano uno scheletro carbonio ciclico ad anelli condensati a cui sono legate varie catene laterali e gruppi funzionali. (colesterolo, vitamina D, cortisone, testosterone).

• Acidi bilari: vitamina D2, cortisolo.
• Ormoni sessuali: Testosterone.
• Colesterolo: Molecola anfipatica. È un importante costituente delle membrane (si inserisce nella porzione polare del doppio stato fosfolipidico, interferendo nell’impiccamento delle code dei lipidi, aumentando la fluidità). Si trova nel plasma complessato con proteine di trasporto ed è precursore di molti ormoni.

Carboidrati

I carboidrati / glucidi / zuccheri hanno formula bruta: (CH₂O)_n. Comprendono composti che contengono nella loro molecola un gruppo aldeidico o un gruppo chetonico e diversi gruppi alcolici.

Funzioni dei carboidrati

• Energetica: Fonte di energia per la cellula ("carburante" cellulare).
• Riserva energetica: Ad esempio amido, glicogeno.
• Materiale di partenza per la sintesi di altri costituenti cellulari.
• Sostegno: Ad esempio la cellulosa forma la parete cellulare delle cellule vegetali.
• “Segnali" di identificazione delle cellule (ad esempio, il gruppo sanguigno ABO).

Classificazione: per categoria

• Monosaccaridi: 1 monomero.
• Disaccaridi: 2 monomeri.
• Oligosaccaridi: da 3 a 10 monomeri.
• Polisaccaridi: più monomeri.

Classificazione: per struttura

Monosaccaridi: classificati in base al numero di atomi di carbonio

• Triosi (3C)
• Tetrosi (4C)
• Pentosi (5C)
• Esosi (6C)
• Eptosi (7C)

Stereo isomeri: i composti organici possono presentarsi sotto forma di stereoisomeria, quando 4 gruppi differenti sono legati ad un atomo di carbonio tetraedrico.

Formula lineare o di Fischer

C₆H₁₂O₆. In natura queste molecole di glucosio sono chiuse: l’ossigeno del gruppo aldeidico del carbonio 1 interagisce con il gruppo ossidrile del carbonio 5, formando un legame intramolecolare, formando una struttura esagonale. Il gruppo OH, legato al C1, può essere rivolto verso l’alto (BETA) o verso il basso (ALFA).

Monosaccaridi

Glucosio: Monosaccaride più abbondante nelle cellule. Fonte di energia per tutte le cellule. Prodotto tramite fotosintesi, a partire dall’anidride carbonica: 6CO₂ + 6H₂O diventa C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Prodotto dagli altri organismi a partire da composti organici.

Esiste in due formule diverse: formula alfa-D-glucopiranosio e beta-D-glucopiranosio. Le formule divergono per la posizione del gruppo OH legato al C1 (alfa si trova in basso e beta in alto).

Disaccaridi

Due monomeri di zucchero uniti da un legame covalente (glicosidico).

• Saccarosio (zucchero da cucina) = glucosio + fruttosio.
• Lattosio (zucchero nel latte) = galattosio + glucosio.
• Maltosio (zucchero del malto, prodotto di degradazione dell’amido) = glucosio + glucosio.

Un disaccaride può essere idrolizzato, cioè rotto, nelle due unità monosaccaridiche che lo compongono: è necessario un enzima (catalizzatore proteico). Ogni disaccaride è idrolizzato da un enzima diverso. Legame alfa 1-4.

Polisaccaridi

Sono macromolecole. Sono polimeri di unità ripetute di zuccheri semplici (generalmente il glucosio). Possono essere a catena ramificata o lineare.

Funzioni

• Riserva: Glicogeno (animali), amido (vegetali).
• Sostegno: Cellulosa (parete cellulare e vegetali), chitina ecc…

Glicogeno, cellulosa e amido sono polimeri dello stesso monomero: il glucosio. La cellulosa è un polimero di glucosi, in cui due beta-D-glucosio si legano tra di loro da legami beta 1-4. È lineare, non ramificata.

L’amido è un polimero di glucosi, in cui due alfa-D Glucosio si legano tra di loro da legami alfa 1-4. Si forma un disaccaride. Le ramificazioni si hanno grazie al legame alfa 1-6.

Il glicogeno è un polimero di alfa-D Glucosio legati da legami alfa 1-4. È molto ramificato. È un polisaccaride di riserva delle cellule animali.

Differenza tra amido e glicogeno

• Amido: Fatto di amilosio (lineare) e amilopectina (con ramificazioni alfa1-6) ogni 24-30.
• Glicogeno: Ramificazioni alfa1-6 ogni 12-15 residui di glucosio.

Differenza tra molecole L e D

L = molecole che inducono rotazione levogira (sx) della luce polarizzata. D = molecole che inducono rotazione destrogira (dx) della luce polarizzata. Poiché non ci sono regole in base alle quali si possa predire a priori se una molecola sia D o L, esiste una seconda nomenclatura che chiama le molecole S o R in base ad uno schema di priorità specifiche basata sul peso atomico, da maggiore a minore.

• S= sinistrus
• R= rectus

Proteine

Macromolecole costituite da amminoacidi. Nel genoma umano sono contenuti 25000 geni: 19000 geni codificano per enzimi (circa 4000) e proteine; 6000 geni codificano per RNA.

Funzioni

• Enzimatica - strutturale - regolatrice (ormoni)

Tipi di proteine

• Enzimi: catalisi di una reazione chimica (DNA polimerasi).
• Proteine strutturali: proteggono cellule e tessuti (collagene).
• Proteine di deposito: riserva di nutrienti (albume).
• Proteine trasporto: trasporto di sostanze attraverso le membrane cellulari (emoglobina).
• Proteine regolatorie: ormoni o fattori di crescita (insulina).
• Proteine contrattili: movimenti cellulari (actina e miosina).
• Proteine di protezione: difendono l’organismo (anticorpi).

Amminoacidi

Molecole composte da un carbonio alfa che lega 4 gruppi diversi: un idrogeno (H), un gruppo amminico (H₂N), un gruppo carbossilico (COOH) e una catena laterale (R). Gli amminoacidi che costruiscono le proteine sono 20 e possono essere indicati con 3 o 1 lettera.

Classificazione degli amminoacidi

Si classificano in base alla polarità delle catene laterali (R).

• Apalari idrofobici: Glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, Metionina, prolina, fenilalanina, triptofano.
• Polari non carichi idrofili: Serina, treonina, asparagina, glutamina, tirosina, cisteina. Possono formare legami a idrogeno con l’acqua.
• Polari carichi idrofili:
  • Basici: (carichi positivamente a pH fisiologico) lisina, arginina, istidina.
  • Acidi: (carichi negativamente a pH fisiologico) acido aspartico, acido glutammico.