Lezioni, Biologia applicata

Biologia: componenti macromolecolari

Acqua

Acqua: dipolo elettrico; solvente di elezione per tutte le reazioni (composti polari e composti ionici-idrofili; composti apolari-idrofobici formano un'emulsione).

Carboidrati

Carboidrati: base della chimica organica; composto principale dei nostri cibi. (C₆H₁₂O₆).

Monosaccaridi (serie D): carboidrati più semplici, facilmente solubili.

• Glucosio, fruttosio, mannosio, galattosio, ribosio, 2-desossiribosio.

Disaccaridi [monosaccaride - legame glicosidico – monosaccaride].

• Glucosio + glucosio = maltosio.
• Galattosio + glucosio = lattosio.

Legame glicosidico: il carbonio glicosidico che utilizza l'OH semiacetalico per formare un acetale (glicoside) con eliminazione di una molecola di acqua, reagendo con un OH alcolico.

Polisaccaridi [più monomeri e più legami glicosidici].

• Di riserva: cellulosa.
• Di sostegno: amido e glicogeno.

Lipidi

Lipidi: solubili in solventi apolari; funzione di riserva, di deposito e di struttura.

Acidi grassi: lunga catena carboniosa, con un gruppo carbossilico COOH terminale; insolubili in acqua:

• Saturi: solo legami semplici.
• Insaturi: almeno un doppio legame (importante per la fluidità della membrana).

Lipidi semplici: gliceridi (glicerolo + acidi grassi); possono essere:

• Solidi, se gli acidi grassi costituenti sono saturi.
• Liquidi o fluidi, se gli acidi grassi costituenti sono insaturi.

Glicerolo: molecola che possiede 3 gruppi alcolici per altrettanti acidi grassi --> se avviene l'esterificazione completa si ha un trigliceride (+ liberazione di 3H₂O).

Lipidi complessi: fosfogliceridi (glicerolo + acidi grassi + gruppo fosfato).

• Molecole anfipatiche, in acqua formano strutture stabili.

Altri tipi: steroidi --> colesterolo (importante per la fluidità).

Proteine

Proteine: Magic 20 (20+2); monomeri di amminoacidi legati tra loro da legami peptidici (reazione di condensazione).

Funzioni:

• Catalizzatori biologici (enzimi).
• Fattori di trascrizione per l'espressione genica.
• Funzioni strutturali (citoscheletro).
• Trasporto di ioni (carriers, pompe e canali).
• Proteine contrattili (motilità).
• Ormoni e fattori della crescita.
• Recettori dei segnali.
• Trasporto di sostanze apolari.
• Anticorpi.
• Di deposito.
• Tossine (proteine tossiche).

Proteine semplici: costituite solo da amminoacidi.

Proteine coniugate: contengono nella loro struttura molecole non proteiche, cioè dei gruppi prostetici; la proteina senza gruppo prostetico è detta apoproteina; i gruppi prostetici possono essere lipidi, carboidrati, acidi nucleici, gruppo eme, ioni metallici e acido fosforico.

Struttura generale amminoacido (serie L)

COOH = gruppo carbossilico (acido).

NH₂ = gruppo amminico (basico).

R = catena laterale, unica parte variabile.

Legame peptidico: tra il gruppo carbossilico del primo amminoacido e il gruppo amminico del secondo amminoacido, con perdita di una molecola di acqua.

L'insieme degli amminoacidi e dei legami peptidici, forma una struttura planare rigida che è considerata la struttura primaria della proteina.

La struttura primaria (quindi la sequenza degli amminoacidi) è memorizzata nel DNA.

→ → → → → → → → → → polarità, direzione → → → → → → → → → →

La struttura secondaria è il ripiegamento su sé stessa della catena di amminoacidi (grazie a interazioni intramolecolari e intermolecolari).

La struttura terziaria è l'organizzazione complessiva tridimensionale (la proteina già funziona).

La struttura quaternaria (non obbligatoria) sono più subunità proteiche insieme, uguali (omodimeri) o diverse (eterodimeri).

-- Processo di denaturazione: pH acido o basico, urea o guanidina, causano la perdita di attività (perdita della struttura quaternaria, terziaria e secondaria).

Acidi nucleici

Acido desossiribonucleico --> DNA (molecola depositaria dell'informazione genica).

Acido ribonucleico --> RNA (coinvolto nell'espressione e nella regolazione genica).

Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi.

Struttura generale di un nucleotide

• Gruppo fosfato (legato al C5 dello zucchero).
• Zucchero pentoso; ribosio o desossiribosio (in C2 non ha l'ossigeno).
• Base azotata (legata al C1 dello zucchero); purine (Adenina e Guanina) e pirimidine (Timina - sostituita da Uracile nell'RNA - e Citosina); sporgono al di fuori della catena peptidica e contengono l'informazione genetica.

ZUCCHERO + BASE = NUCLEOSIDE.

NUCLEOSIDE + FOSFATO = NUCLEOTIDE.

Regole di Chargaff: A+T(U) → 2 legami -- C+G → 3 legami.

Legame fosfodiesterico: legame tra nucleotidi: tra il gruppo ossidrile OH legato al C3 del primo nucleotide e il gruppo fosfato legato al C5 del secondo nucleotide.

1° nucleotide ha il C5 libero (P libero) → → → n° nucleotide ha il C3 libero (OH libero).

Direzione del filamento 5'-3'.

DNA: compattato all'interno del nucleo della cellula; doppia elica in senso destroso; due filamenti complementari (ad una pirimidina corrisponde una purina e viceversa) e antiparalleli (le eliche corrono in direzione opposte e mantengono la stessa polarità 5'-3').

Compattazione: DNA a doppia elica + proteine di natura basica (ISTONI) → NUCLEOSOMI (collana di perle + DNA linker) → i nucleosomi si uniscono tra loro → formano FIBRA DI CROMATINA (si vede nel nucleo) → al momento della replicazione, la cromatina si compatta ulteriormente a formare il CROMOSOMA METAFASICO.

Cromatina, DNA e proteine istoniche possono essere di due tipi:

• Eucromatina; poco compatto e sempre attiva.
• Eterocromatina; molto compatta, di due ulteriori tipi:
  • Costitutiva, che non è mai trascritta.
  • Facoltativa, inattiva solo in alcuni momenti.

RNA: singola elica; diversi tipi (rRNA, mRNA, tRNA).

Attenzione!!!

Codice genetico: regole che mi permettono la traduzione.

Informazione genetica: sequenza di DNA che permette di avere RNA per trascrizione.

Genoma: contenuto globale di DNA di una cellula, sia quello del nucleo che quello del mitocondrio.

Classificazione organismi

Grande percorso evolutivo da un progenitore comune.

DOMINIO → REGNO → PHYLUM → CLASSE → ORDINE → FAMIGLIA → GENERE → SPECIE.

Bacteria Eubacteria Nomenclatura binomia di Carlo Linneo.

Archaea Archaebacteria.

Eukarya Protista.

Plantae.

Fungi.

Animalia.

Cellula

Cellula: costituente di tutti gli organismi viventi.

Similitudine chimica e strutturale anche di cellule di organismi molto diversi tra loro → membrana plasmatica (doppio strato di fosfolipidi), citoplasma, SNA e materiale genetico, utilizzo di proteine.

Cellula procariotica

Procarioti: unicellulari (batteri, alghe blu-verdi); più piccole rispetto agli eucarioti; forme diverse (cocchi, bacilli, spirilli).

• Citoplasma: non ci sono compartimenti, tutto è immerso nel citoplasma; enzimi e altri componenti sono liberi; il nucleo non esiste ma c'è una zona chiamata nucleoside dove si trova la singola molecola circolare di DNA.
• Membrana plasmatica (sopra al citoplasma).
• Parete cellulare (sopra alla membrana plasmatica): protegge la cellula e mantiene la forma; costituita da peptidoglicano, il responsabile della colorazione Gram.
• Capsula (strato più esterno): costituita da polisaccaridi, presenta flagelli e pili per il movimento.

Cellula eucariotica

Eucarioti: dimensioni maggiori; alta compartimentalizzazione, ORGANELLI delimitati da membrana e ognuno con funzioni specifiche.

--> Organelli: RETICOLO ENDOPLASMATICO, APPARATO DEL GOLGI, MITOCONDRI o CLOROPLASTI, RIBOSOMI, LISOSOMI, PEROSSISOMI, VACUOLI, NUCLEO.

--> Membrane biologiche: MEMBRANA PLASMATICA formata da doppio strato fosfolipidico, con proteine, glucidi e colesterolo (struttura a mosaico fluido).

Nucleo

Nucleo: forma rotondeggiante.

Delimitato dal resto della cellula da due membrane che formano un involucro nucleare o carioteca (divide il nucleoplasma dal citoplasma). Le due membrane formano uno spazio perinucleare, e esse si fondono in alcuni punti formando il poro nucleare.

Complesso del poro nucleare: struttura altamente organizzata e complessa di natura proteica.

Lamina nucleare: sottile rete di proteine nella membrana nucleare interna, mantiene la forma del nucleo ed è sito di attacco dei telomeri durante la meiosi.

Nucleoscheletro: simile al citoscheletro (matrice nucleare).

Sede dell'informazione genetica; contiene le molecole di DNA; sintetizza rRNA nel nucleolo; sede della duplicazione e della trascrizione; sintetizza gli altri RNA nel nucleoplasma.

Reticolo endoplasmatico

Reticolo endoplasmatico: sistema di membrane con organizzazione in cisterne, sacculi e canalicoli (all'interno c'è il lume).

R.E. --> continuità diretta con la membrana nucleare esterna.

Due tipi:

1. RER (reticolo endoplasmatico rugoso); ricoperto di ribosomi; sede della sintesi di proteine che poi vengono rimaneggiate all'interno del lume e poi spedite fuori la cellula con le vescicole.
2. SER ("smooth", reticolo endoplasmatico liscio); privo di ribosomi; il lume contiene enzimi che intervengono nella sintesi degli steroidi a partire da altri lipidi e carboidrati; sede della sintesi di trigliceridi e fosfolipidi; compito di detossificazione da farmaci; sequestra il Ca⁺⁺ dal citosol; nel fegato, accumula glicogeno.

Ribosomi

Ribosomi: sia nella cellula eucariotica che procariotica; organelli privi di membrana, formati da rRNA e proteine; composti da due subunità, una maggiore e una minore (si associano quando si legano ad un mRNA).

Sede della sintesi delle proteine. Possono trovarsi:

• Sparsi nel citosol, per la sintesi di proteine che rimangono nel citoplasma o per i mitocondri.
• Attaccati al RER, per la sintesi di proteine che fanno parte delle membrane oppure secrete dalla cellula tramite vescicole.

Mitocondri

Mitocondri: nella cellula vegetale, la stessa funzione ce l'hanno i CLOROPLASTI.

Ogni cellula può avere un numero diverso di mitocondri.

Forma bastoncellare, delle dimensioni di un batterio --> teoria endosimbiontica.

Teoria endosimbiontica: DNA mitocondriale è a singola molecola circolare; il mitocondrio ha un proprio sistema di trascrizione e traduzione (compresi i ribosomi); sintetizza per proteine e enzimi utili alla fosforilazione; è dotato di parziale autonomia.

Specializzati nella produzione di energia sotto forma di ATP --> respirazione cellulare: ossidazione di lipidi e dei carboidrati proveniente dagli alimenti.

Hanno una doppia membrana, separata da uno spazio intermembrana:

• Membrana interna: forma le creste mitocondriali (la matrice); costituita per il 70% da proteine ed è altamente selettiva, non lascia passare quasi nulla; non c'è colesterolo.
• Membrana esterna: provvista di porine, proteine che fanno passare anche molecole di grandi dimensioni.

Complesso del Golgi

Complesso del Golgi: costituito da pile di sacche membranose appiattite, dette cisterne (ciascuna ha uno spazio interno detto lume; in alcune regioni possono apparire rigonfie in quanto sono piene di prodotti cellulari).

Le pile di cisterne costituiscono tre aree:

1. Superficie CIS; collocata vicino al nucleo con la funzione di ricevere i materiali contenuti nelle vescicole di trasporto proveniente dal RE.
2. Regione mediale; contiene differenti enzimi.
3. Superficie TRANS; più vicina alla membrana plasmatica, impacchetta le molecole in vescicole che sono trasportate fuori dal Golgi.

In alcune cellule animali il complesso è localizzato in posizione laterale.

Nelle cellule vegetali e in altri tipi, possono essere presenti più complessi del Golgi, formati da pile membranose isolate e sparse nella cellula.

Le cellule che secernono grandi quantità di glicoproteine, hanno un gran numero di pile del Golgi.

• Nelle cellule animali sintetizzano i lisosomi.
• Quelli delle cellule vegetali producono polisaccaridi extracellulari (utilizzati come componenti della parete cellulare).
• Processa, smista e modifica le proteine; se assemblate correttamente, sono trasportate dal RE alla superficie CIS del Golgi con vescicole di trasporto che si formano dalla membrana del RE; modificate in molti modi, le proteine danno origine a molecole biologiche più complesse.

Glicoproteine: impacchettate in vescicole secretorie nella regione TRANS.

Vescicole di trasporto: si fondono tra loro per formare gruppi che si muovono lungo i microtubuli verso il complesso del Golgi e dal complesso del Golgi; le vescicole si staccano dalla membrana del Golgi, trasportando il contenuto a precise destinazioni; le vescicole che trasportano prodotti che devono essere esportati dalla cellula, si fondono con la membrana plasmatica (la membrana delle vescicole diventa parte della membrana plasmatica).

Lisosomi

Lisosomi: organelli separati da una singola membrana.

Piccole vescicole piene di enzimi disperse nel citoplasma (enzimi idrolasi acide, che lavorano con un pH intorno a 5: fosfatasi, solfatasi, proteasi e peptidasi, nucleasi, lipasi, glicosidasi).

Lisosomi primari: si formano per gemmazione dal complesso del Golgi (enzimi idrolitici sintetizzati nel RER). Quando vengono a contatto con la roba da digerire diventano LISOSOMI SECONDARI: i componenti digeriti vengono scomposti in modo da poter essere riciclati, ciò che non viene digerito diventa corpo residuo, che viene esportato fuori la cellula.

Cellule spazzino: lisosomi che digeriscono i batteri durante i processi immunitari.

Perossisomi

Perossisomi: organuli digestivi, simili ai lisosomi, con singola membrana, ma vi si differenziano perché il loro prodotto dopo la digestione è molto denso agli elettroni.

• Contengono enzimi ossidativi per la β-ossidazione degli acidi grassi.
• Che neutralizzano l'acqua ossigenata trasformandola in acqua e ossigeno.
• Con attività di detossificazione da alcol e altri prodotti tossici, nel fegato e nei reni.

Citoscheletro

Citoscheletro: determina la forma della cellula e la sua capacità di muoversi; altamente dinamico e cambia continuamente.

È costituito da una rete di fibre proteiche, o meglio detto, da TRE TIPI di FILAMENTI:

1. Microtubuli: sono i filamenti più spessi del citoscheletro, costituiti da α-β tubulina:
   • Strutture cilindriche cave costituite da 13 protofilamenti e vanno dal centrosoma alla periferia --> un microtubulo si allunga per addizione di dimeri di tubulina.
   • Dimeri di tubulina: due gruppi di proteine associate ai microtubuli, chiamate MAP (MAP strutturali ancorano l'oggetto da trasportare alle MAP motrici; MAP motrici forniscono energia per il movimento).
   • Coinvolti nel movimento dei cromosomi durante la divisione cellulare; mantengono la forma e danno sostegno.
2. Microfilamenti (filamenti di actina); fibre flessibili e solide, ciascuna formata da due stringhe intrecciate costituite da filamenti di actina:
   • Responsabili del mantenimento e del cambiamento della forma delle cellule.
   • Contribuiscono al movimento della cellula; coinvolti nella citocinesi (divisione in 2 di una cellula durante la divisione cellulare).
3. Filamenti intermedi: resistenti e flessibili, forniscono sostegno meccanico e mantengono la forma della cellula:
   • Variano per composizione proteica e dimensione nei diversi tipi di cellula.
   • Connessi ad altri tipi di filamenti mediante alcune proteine; mutazione dei geni che codificano per le proteine dei filamenti intermedi rendono la cellula più fragile.

Enzimi e metabolismo: energia

Mitocondri

Mitocondri: sono la centrale energetica della cellula: accumulano l'energia che si libera mediante i processi di catabolismo sotto forma di ATP.

ATP: molecola che è in grado di conservare l'energia libera sotto forma di energia di legame.

I mitocondri sono organuli sferici o allungati, che presentano:

• DNA mitocondriale; una singola molecola circolare, formato da due filamenti (uno spesso e uno leggero); questo consente al mitocondrio una semi-autonomia perché riesce a sintetizzare ribosomi e proteine.
• In chimica le reazioni che producono energia sono reazioni REDOX, dove un composto (riducente) trasferisce elettroni ad un altro composto (ossidante). Gli elettroni si legano ad un certo livello (orbitale); più questo è maggiore (cioè + esterno) tanto minore è l'affinità che il composto ha per gli elettroni, e viceversa. Un composto con bassa affinità tende a cedere gli elettroni ad uno con maggiore affinità: il trasferimento è caratterizzato da liberazione di energia.
• Membrana interna; ricca di proteine (che non sono altro che i trasportatori degli elettroni della catena e le pompe F₀-F₁ ATP-sintetasi) che piegata a formare le creste mitocondriali.
• La matrice è lo spazio interno delimitato dalla membrana interna.
• Membrana esterna; ricca in lipidi e in enzimi che degradano grassi e amminoacidi.
• La camera esterna è lo spazio tra le due membrane (spazio intermembrana).

Gli alimenti vengono ossidati, i due cofattori NAD e FAD vengono ridotti e diventano NADH+H₂ e FADH₂ --> questi grazie a una serie di molecole di intermedie vengono riossidati e cedono i loro elettroni all'accettore finale OSSIGENO; l'energia liberata da questa reazione viene utilizzata per compiere lavoro, ovvero per trasferire ioni H⁺ dalla matrice allo spazio intermembranario; si viene a creare un gradiente protonico che pompe H⁺-ATPasi utilizzano per riportare all'interno gli ioni H⁺, completando il processo di creazione di ATP.

Ogni sostanza subirà delle modificazioni prima delle reazioni di ossidazione (nel citoplasma):

• Carboidrati idrolizzati in monosaccaridi --> glicolisi --> formano PIRUVATO.
• Lipidi idrolizzati in acidi grassi e glicerolo --> β-ossidazione --> formano PIRUVATO.
• Proteine idrolizzate in amminoacidi --> deamminazione --> formano PIRUVATO.
• Acidi nucleici idrolizzati in nucleotidi --> formano PIRUVATO.

Il pir