Mappe Biologia animale

Alcuni fondamenti utili

La biologia animale studia gli animali seguendo una suddivisione per temi: rapporti forma-funzione, anatomia comparata (morfologico e funzionale), zoologia sistematica, ecologia (animale e ambientale), zoogeografia.[1]

Fondamenti di biologia

L’uniformità e l’eterogeneità degli organismi viventi risultano evidenti anche a livello cellulare. Gli organismi più piccoli consistono di una singola cellula e non sono visibili a occhio nudo. Gli organismi più grandi sono costituiti da più tipi di cellule, diverse per dimensioni, forme e funzioni svolte. Ma tutte le cellule, da quelle degli organismi più semplici a quelle degli organismi più complessi, hanno in comune alcune proprietà fondamentali, che possono essere apprezzate soprattutto a livello biochimico.

• Tutte le cellule sono circondate da una membrana plasmatica. Hanno anche un corredo di geni, localizzati in un nucleoide (batteri e archea) o nel nucleo (eucarioti).
• Tutti gli organismi necessitano di una fonte di energia per poter svolgere il lavoro cellulare.
• Le cellule eucariotiche possiedono un nucleo e molti compartimenti. Alcuni processi avvengono in organelli specializzati.
• Le proteine del citoscheletro si organizzano in lunghi filamenti che conferiscono alla cellula forma e rigidità, su cui si muovono gli organelli all’interno della cellula.
• I complessi sopramolecolari sono tenuti insieme da interazioni non covalenti e formano una gerarchia di strutture.[2]

Fondamenti di chimica

La biochimica si propone di spiegare le forme biologiche e le loro funzioni in termini chimici. L’idea attuale che tutti gli organismi abbiano un’origine comune è basata in parte sull’universalità delle trasformazioni chimiche e degli intermedi chimici, che va spesso sotto il nome di “unitarietà biochimica”.

Meno di 30 dei più di 90 elementi chimici che si trovano in natura sono essenziali per gli organismi viventi. La maggior parte degli elementi che compongono la materia vivente ha numeri atomici relativamente bassi. Solo due hanno un numero atomico superiore a quello del selenio (34).

I quattro elementi più abbondanti negli organismi viventi, espressi come percentuale del numero totale di atomi, sono l’idrogeno, l’ossigeno, l’azoto e il carbonio, che nell’insieme formano più del 99% della massa della maggior parte delle cellule. Sono gli elementi più leggeri, in grado di formare rispettivamente 1, 2, 3 e 4 legami.

1- Per la sua versatilità nel formare legami, il carbonio può dare origine a un’ampia gamma di scheletri carboniosi, con diversi gruppi funzionali; sono questi gruppi funzionali che conferiscono alle biomolecole non solo le proprietà chimiche, ma anche quelle biologiche.

Nelle cellule viventi sono presenti circa un migliaio di piccole molecole, pressoché ubiquitarie.

Le proteine e gli acidi nucleici sono polimeri lineari costituiti da semplici unità monomeriche; le loro sequenze contengono l’informazione che conferisce a ciascun polimero la sua struttura tridimensionale e la sua funzione biologica.

La configurazione molecolare può essere cambiata solo rompendo i legami covalenti. Per ogni atomo di carbonio i quattro gruppi sostituenti diversi (carbonio chirale) possono essere disposti in due modi diversi, generando stereoisomeri con proprietà diverse. La conformazione molecolare, invece, è la posizione degli atomi nello spazio e può essere cambiata semplicemente ruotando i legami intorno ai loro assi.

Le interazioni tra le molecole di interesse biologico sono quasi sempre stereospecifiche e richiedono un adattamento preciso tra strutture complementari.

Rappresentazione delle molecole

3 modi per rappresentare la struttura dell’amminoacido alanina (qui nella forma ionica a pH neutro).

• Formula di struttura in prospettiva. Il simbolo ( ) indica un legame in cui l’atomo all’estremità più larga del simbolo si proietta al di fuori del piano del foglio, verso il lettore; lo stesso simbolo tratteggiato ( ) rappresenta un legame che si proietta sotto il piano del foglio.
• Modello a palle e bastoncini che mostra le lunghezze relative dei legami e gli angoli che essi formano.
• Modello spaziale, in cui ogni atomo è riportato con un raggio di van der Waals proporzionale alle sue dimensioni reali.

a) Configurazione degli isomeri geometrici. Isomeri come l’acido maleico e l’acido fumarico (fumarato) non possono essere convertiti l’uno nell’altro senza rompere i legami covalenti.

(b) Asimmetria molecolare: molecole chirali e molecole achirali. Quando un atomo di carbonio presenta quattro gruppi sostituenti diversi (a, b, X, Y), essi possono disporsi intorno al carbonio in due modi diversi, che rappresentano le immagini speculari non sovrapponibili l’uno dell’altro (enantiomeri). Quando un atomo di carbonio è asimmetrico viene chiamato anche atomo chirale o centro chirale. 2

Fondamenti di fisica

Le cellule e gli organismi viventi devono compiere un lavoro per rimanere vivi e per riprodursi. Le reazioni di sintesi che si svolgono nelle cellule, come i processi di sintesi in una fabbrica, richiedono un apporto di energia.

Nel corso dell’evoluzione le cellule hanno sviluppato meccanismi altamente efficienti per accoppiare l’energia ottenuta dalla luce solare o da combustibili chimici con i molti processi che consumano energia. Uno degli obiettivi della biochimica è comprendere, in termini quantitativi e chimici, i meccanismi deputati all’estrazione, all’incanalamento e al consumo di energia nelle cellule viventi.

Le conversioni energetiche cellulari, come le altre conversioni di energia, possono essere considerate nel contesto delle leggi della termodinamica.

Le cellule sono sistemi aperti, che scambiano materia ed energia con l’ambiente circostante, estraendo e incanalando l’energia per mantenere uno stato stazionario dinamico, lontano dall’equilibrio.

La tendenza di una reazione chimica a procedere verso l’equilibrio può essere espressa dalla variazione di energia libera, ΔG.

• Quando il ΔG di una reazione è negativo, la reazione è esoergonica e tende ad andare a compimento;
• Quando il ΔG è positivo, la reazione è endoergonica e tende ad andare nella direzione opposta.
• Quando due reazioni sono accoppiate e generano una terza reazione complessiva, il ΔG della reazione globale è dato dalla somma dei ΔG delle due reazioni separate.

La variazione di energia libera standard di una reazione, ΔG°, è una costante fisica correlata alla costante di equilibrio dall’equazione ΔG° = - RT ln K_eq.

La maggior parte delle reazioni cellulari procede a velocità consone alle necessità della cellula, grazie agli enzimi che le catalizzano. Gli enzimi agiscono riducendo l’energia di attivazione, ΔG ‡, e aumentando la velocità di reazione di molti ordini di grandezza.

Il metabolismo è la somma di molte reazioni tra loro correlate, che interconvertono i metaboliti cellulari.[4]

Fondamenti di genetica

Tra le scoperte fondamentali in campo biologico nel XX secolo vi è sicuramente la definizione della natura chimica e della struttura tridimensionale del materiale genetico, l’acido deossiribonucleico o DNA.

La sequenza delle subunità monomeriche, i nucleotidi (più precisamente i deossiribonucleotidi), di questo polimero lineare contiene le istruzioni per formare tutti gli altri componenti cellulari e fornisce uno stampo per la produzione di altre molecole di DNA identiche da distribuire alla progenie quando la cellula si divide.

Per la perpetuazione di una specie biologica è necessario che la sua informazione genetica sia mantenuta in una forma stabile, sia espressa accuratamente nella forma di prodotti genici e sia riprodotta con il minimo di errori. L’immagazzinamento, l’espressione e la riproduzione del messaggio genetico sono proprietà caratteristiche delle singole specie, che le distinguono le une dalle altre e assicurano la loro continuità nelle generazioni.

L’informazione genetica è codificata nella sequenza lineare di quattro deossiribonucleotidi nel DNA. La doppia elica del DNA contiene uno stampo interno per la sua replicazione e riparazione.

Le molecole del DNA sono straordinariamente grandi. Nonostante la dimensione enorme, la sequenza dei nucleotidi all’interno del DNA è molto precisa e costituisce la base della continuità genetica degli organismi. 3

La sequenza lineare degli amminoacidi di una proteina, codificata nel DNA del gene per quella proteina, produce un’unica struttura tridimensionale della proteina, secondo un processo che dipende anche dalle condizioni dell’ambiente.

Dal DNA all’RNA alla proteina all’enzima

(esochinasi). Una sequenza lineare dei deossiribonucleotidi del DNA (il gene) che codifica la proteina esochinasi viene prima trascritta in una molecola di acido ribonucleico (RNA) con una sequenza complementare di ribonucleotidi. La sequenza dell’RNA (RNA messaggero) viene quindi tradotta nella catena lineare dell’esochinasi, che si ripiega nella sua forma nativa tridimensionale, molto probabilmente con l’aiuto di chaperoni molecolari. Una volta nella sua forma nativa, l’esochinasi acquista la sua attività catalitica, la fosforilazione del glucosio, usando l’ATP come donatore del gruppo fosforico.

Complementarità delle due catene del DNA

Il DNA è un polimero lineare costituito da quattro tipi di deossiribonucleotidi diversi: deossiadenilato (A); deossiguanilato (G); deossicitidilato (C) e deossitimidilato (T), uniti tra loro da legami covalenti. Ogni nucleotide, con la sua peculiare struttura tridimensionale, può associarsi specificamente, ma in modo non covalente, con un altro nucleotide della catena complementare: A si associa sempre con T, e G con C. Quindi, nella molecola a doppia elica del DNA, la sequenza dei nucleotidi in una catena è complementare alla sequenza dell’altra catena.

Le due catene del DNA, tenute insieme da un gran numero di legami idrogeno (rappresentati dalle linee verticali blu) tra le coppie di nucleotidi complementari, si avvolgono l’una sull’altra, formando la doppia elica tipica del DNA. Nella replicazione del DNA le due catene (in blu) si separano e vengono sintetizzate due nuove catene, ciascuna con una sequenza complementare a una delle catene del filamento originario. Il risultato è la formazione di due molecole a doppia elica esattamente uguali fra loro e al DNA originario. 4

Amminoacidi peptidi e proteine

Introduzione

Le proteine mediano praticamente tutti i processi che hanno luogo nelle cellule e svolgono un numero enorme di funzioni. Quando studiano i meccanismi molecolari dei processi biologici, i biochimici quasi inevitabilmente si imbattono in una o più proteine.

Le proteine sono le macromolecole biologiche più abbondanti, presenti in tutti i tipi di cellule e in tutte le frazioni subcellulari. La loro varietà è molto grande: in una singola cellula se ne possono trovare migliaia di tipi diversi. Poiché la funzione molecolare dipende dalle proteine, esse possono essere considerate i più importanti prodotti finali dei processi di manipolazione dell'informazione.

Le proteine sono gli strumenti molecolari tramite i quali si esprime l’informazione genetica. Unità monomeriche relativamente semplici sono alla base della struttura delle migliaia di differenti proteine. Le proteine di qualsiasi organismo, dai batteri più semplici agli esseri umani, sono formate sempre dalla stessa serie di venti amminoacidi.

Poiché ogni amminoacido ha una catena laterale con specifiche proprietà chimiche, questo gruppo di 20 precursori delle proteine può essere considerato come una forma di alfabeto con cui è scritto il linguaggio della struttura delle proteine.

Per generare una particolare proteina, gli amminoacidi vengono legati covalentemente in una caratteristica sequenza lineare. Quello che più meraviglia è che le cellule sono in grado di produrre proteine dotate delle più disparate proprietà e attività, semplicemente unendo i venti amminoacidi in combinazioni differenti.

Gli amminoacidi

I 20 amminoacidi che si trovano comunemente nelle proteine contengono un gruppo carbossilico, un gruppo amminico e un gruppo R caratteristico legati all’atomo di carbonio α che in tutti gli amminoacidi, eccetto la glicina, è asimmetrico.

Nelle proteine si trovano solo gli stereoisomeri L, che hanno una configurazione correlata alla configurazione assoluta della L-gliceraldeide.

Gli amminoacidi sono classificati in cinque tipi in base alla polarità e alla carica (a pH 7) dei loro gruppi R. Gli amminoacidi variano nelle loro proprietà acido-base. Amminoacidi e monoamminici e monocarbossilici (con gruppi R non ionizzabili) sono acidi diprotici (H⁺NCH(R)COOH) a basso pH e si trovano in differenti forme ioniche a valori maggiori di pH 5.

I peptidi e le proteine

Gli amminoacidi possono essere legati covalentemente mediante legami peptidici, per formare peptidi e proteine. Questo tipo di legame si genera per eliminazione di una molecola di acqua (deidratazione) dal gruppo α-carbossilico di un amminoacido e dal gruppo α-amminico dell’altro. Le cellule generalmente contengono migliaia di proteine diverse, ciascuna delle quali ha una specifica attività biologica.

I peptidi contengono un solo gruppo α-amminico libero e un solo gruppo α-carbossilico libero, posti alle due estremità della catena. Questi gruppi ionizzano come quelli degli amminoacidi liberi, anche se le costanti di ionizzazione sono diverse per l’assenza del gruppo con carica opposta sul carbonio α. I gruppi R di alcuni amminoacidi possono ionizzarsi e quindi determinare le caratteristiche acido-base del peptide. 6

Le proteine possono avere catene polipeptidiche molto lunghe, contenenti da 100 a diverse migliaia di residui amminoacidici. Alcuni peptidi presenti in natura contengono solo pochi residui amminoacidici, mentre alcune proteine sono composte da catene polipeptidiche associate in modo non covalente tra loro, dette subunità.

Le catene polipeptidiche presenti in una proteina multisubunità possono essere identiche o diverse tra loro. Se almeno due sono identiche, la proteina viene detta oligomerica e le unità identiche (che possono essere costituite da una o più catene polipeptidiche) sono chiamate protomeri.

Alcune proteine contengono gruppi chimici diversi dagli amminoacidi. Le proteine coniugate contengono anche altri componenti, come metalli o gruppi prostetici di natura organica.

Lavorare con le proteine

Le proteine possono essere separate e purificate in base alle loro proprietà. Esse possono essere precipitate per cambiamenti nel pH, nella temperatura, o con l’aggiunta di sali. Le cromatografie a scambio ionico, per esclusione molecolare, per affinità e ad alta prestazione, si basano sulle differenze in dimensioni, affinità di legame, carica ed altre proprietà.

L’elettroforesi separa le proteine sulla base della loro carica e della loro massa. L’elettroforesi su gel in presenza di SDS e l’isoelettrofocalizzazione possono essere usate separatamente o in combinazione, per ottenere una maggiore risoluzione.

L’isoelettrofocalizzazione è una tecnica usata per determinare il punto isoelettrico (pI) di una proteina.

La struttura delle proteine

La struttura di molecole di grandi dimensioni come le proteine può essere descritta a vari livelli di complessità, in una sorta di gerarchia concettuale. In genere vengono definiti quattro livelli di struttura delle proteine:

• Struttura primaria: costituita da tutti i legami covalenti (principalmente i legami peptidici e disolfuro) che uniscono tra loro i vari amminoacidi in una catena polipeptidica. L’elemento principale della struttura primaria di una proteina è la sequenza degli amminoacidi che la compongono.
• Struttura secondaria: si riferisce a particolari organizzazioni stabili di brevi sequenze amminoacidiche, che danno origine a profili strutturali ricorrenti.
• Struttura terziaria: descrive tutti gli aspetti tridimensionali di un polipeptide.
• Struttura quaternaria: se una proteina è costituita da due o più subunità polipeptidiche, la sua struttura è definita quaternaria. 7

La struttura di una proteina è stabilizzata da interazioni deboli multiple. Le interazioni idrofobiche, derivate dall’aumento dell’entropia dell’acqua circostante quando le molecole o i gruppi non polari sono raggruppati insieme, contribuiscono in modo decisivo alla stabilizzazione della forma globulare della maggioranza delle proteine solubili. Alla stabilizzazione contribuiscono anche le interazioni di van der Waals.

I legami covalenti di tipo non peptidico, in particolare i ponti disolfuro, hanno un ruolo nella stabilizzazione della struttura in alcune proteine.

La natura dei legami covalenti nello scheletro carbonioso della catena polipeptidica impone restrizioni alla struttura del polipeptide. Il legame peptidico ha un carattere di parziale doppio legame, che mantiene l’intero gruppo costituito dai sei atomi del legame peptidico in una configurazione planare rigida. I legami N-Cα e Cα-C possono ruotare, per definire rispettivamente gli angoli diedrici f e Ψ.

Il grafico di Ramachandran è la rappresentazione visiva delle combinazioni degli angoli diedrici Φ e c che sono permessi nello scheletro di un peptide o che non sono permessi a causa delle limitazioni steriche.

Struttura primaria

Le differenze funzionali delle proteine sono il risultato di differenze nella composizione amminoacidica e nelle sequenze:

• Le sequenze amminoacidiche possono essere dedotte mediante framm