Appunti Biologia applicata

Biologia applicata

Bioindicatore e biomarker

Bioindicatore: qualsiasi organismo (animale, vegetale, batterio, protista, fungo) che può essere utilizzato come indicatore del livello di contaminazione di un determinato ambiente. Si valuta la biodisponibilità degli inquinanti.

Biomarker: quella variazione, indotta da un contaminante, a livello delle componenti biochimiche o cellulari di un processo, di una struttura o di una funzione, che può essere misurata in un sistema biologico.

Biomarker eco-tossicologico: quella variazione biochimica, cellulare, fisiologica o comportamentale, che può essere misurata in un tessuto, in un fluido biologico o a livello dell’intero organismo (individuo o popolazione), la quale fornisce l’evidenza di un’esposizione e/o un effetto ad uno o più composti inquinanti e/o radiazioni.

L’utilizzo di biomarker per un’indagine eco-tossicologica comporta la scelta a monte di un valido organismo bioindicatore.

Caratteristiche degli organismi viventi

Inquinante: sostanza che provoca inquinamento. Un organismo vivente è un'entità soggetta alle leggi naturali, le stesse che controllano il resto del mondo fisico, ma tutti gli organismi viventi, comprese le loro parti, vengono controllati anche da una seconda fonte di causalità: i programmi genetici. L'assenza o la presenza di programmi genetici indica il confine netto tra l'inanimato e il mondo vivente. [Ernst Mayr, “Differences between living organism and inanimate matter”]

Cellula: organismo che presenta le fondamentali proprietà, tipiche della vita: la capacità di riprodursi, di reagire, di metabolizzare, di crescere (non soltanto in volume ma anche differenziandosi), di cambiare, di perpetuare le proprie variazioni e di morire. Sono piccole per ottimizzare il rapporto superficie/volume. Ciò consente alla cellula di ottenere una superficie di scambio con l’esterno adeguata al passaggio di nutrienti e scarti. Lo strumento che ci consente di osservare le cellule più piccole di 0,1 mm è il microscopio.

La differenza tra queste visioni è che con il microscopio ottico e con l’occhi umano, la visione è reale ma solo aumentata. Con il microscopio elettronico bisogna fare degli artifizi per riuscire a vedere qualcosa, bisogna fare una fissazione perché ci sono pressioni e raggi che colpiscono il campione. La fissazione si può fare in paraffina. Con il microscopio elettronico non si guarda in divenire. La cellula è l’unità base della materia vivente. Le cellule vengono originate solo da altre cellule preesistenti. Di cellule ne conosciamo di tre tipi: virus, le cellule procariotiche e le cellule eucariotiche.

La teoria cellulare

• Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule.
• Le reazioni chimiche di un organismo vivente, compresi i meccanismi di liberazione dell’energia e le reazioni di biosintesi, hanno luogo dentro le cellule.
• Le cellule si originano da altre cellule. Una cellula si replica fino a 56 volte.
• Le cellule contengono le informazioni ereditarie degli organismi di cui fanno parte, e queste informazioni passano dalla cellula madre alla cellula figlia.

Sebbene i virus siano in grado di effettuare molte delle funzioni normalmente espletate da una cellula vivente, essi mancano della capacità cellulare di sopravvivere, svilupparsi e replicarsi in modo autonomo e, pertanto, non vengono considerati esseri viventi.

Tipi di cellule

Le cellule procariotiche

Le cellule procariotiche sono prive di un nucleo racchiuso da una membrana. Gli organismi unicellulari sono costituiti da cellule procariotiche. I procarioti sono classificati in due domini: Archaea (archei) e Bacteria (batteri).

Le cellule eucariotiche

Le cellule eucariotiche hanno un nucleo delimitato da una membrana ben distinta, che racchiude il DNA. Gli organismi eucariotici, ossia protisti, funghi, piante e animali, fanno tutti parte del dominio degli Eukarya (eucarioti).

Struttura di una cellula animale

Le cellule animali sono connesse tra loro tramite tre tipi di giunzioni:

• Giunzioni di ancoraggio, o desmosomi;
• Giunzioni occludenti, o serrate;
• Giunzioni comunicanti, o giunzioni gap.

Il sistema delle membrane interne corrisponde quindi a una serie di organuli rivestiti da membrana, che comprendono il reticolo endoplasmatico, l’apparato di Golgi, i lisosomi e le vescicole di trasporto. I vari componenti lavorano in sinergia fino al rilascio delle sostanze all’esterno (secrezione per esocitosi).

Struttura di una cellula vegetale

• Membrana nucleare interna
• Membrana nucleare esterna
• Reticolo endoplasmatico: sintetizza e trasporta proteine e lipidi
• Apparato di Golgi: modifica e confeziona le proteine
• Vescicole e i vacuoli: diverse funzioni
• Citoscheletro: forma e movimento
• Membrana plasmatica

Le cellule vegetali sono connesse tra loro tramite sottili canali, i plasmodesmi. Essi consentono lo scambio di materiali tra cellule adiacenti e, di conseguenza, tra tutte le cellule della pianta.

Nucleo cellulare

Il nucleo svolge un ruolo cruciale nel controllo della vita della cellula e nel processo di divisione cellulare. Entrambe le funzioni dipendono strettamente dall’acido desossiribonucleico (DNA) contenuto nel nucleo. Il nucleo è delimitato da una doppia membrana (involucro nucleare) dotata di pori che consentono le comunicazioni tra il nucleo e il resto della cellula (citoplasma). All'interno del nucleo sono conservati i cromosomi, strutture filamentose composte da DNA e proteine solitamente presenti in coppie, in un numero variabile e caratteristico di ciascuna specie.

All'interno del nucleo si trova una regione specializzata, detta nucleolo, che è deputata all'assemblaggio di particelle chiamate ribosomi, che contengono RNA e proteine e che, una volta sintetizzate, migrano nel citoplasma, dove presiedono alla sintesi proteica. Il nucleo controlla la sintesi proteica inviando nel citoplasma diverse molecole con funzione di messaggeri.

Il reticolo endoplasmatico

Sintetizza e trasporta proteine e lipidi. Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) è contraddistinto dalla presenza di ribosomi sulla membrana e sintetizza le proteine. Il reticolo endoplasmatico liscio (REL) non presenta ribosomi alla superficie e sintetizza lipidi di vario tipo. Proteine e lipidi vengono inglobati all’interno di vescicole di trasporto e diretti all’apparato di Golgi.

L’apparato di Golgi

Modifica e confeziona le proteine. Transitando nell’apparato di Golgi, proteine e lipidi subiscono degli interventi e trasformazioni sostanziali. Le sostanze vengono quindi impacchettate in vescicole di trasporto e dirette verso la membrana plasmatica, dove avrà luogo la secrezione (o esocitosi).

Le vescicole e i vacuoli

Svolgono diverse funzioni. I lisosomi contengono enzimi che digeriscono le macromolecole e i rifiuti cellulari. I perossisomi hanno un aspetto simile a lisosomi svuotati e demoliscono gli acidi grassi. Nei vacuoli delle piante vengono accumulate sostanze di riserva (acqua, zuccheri, sali). Essi hanno inoltre funzione di sostegno mantenendo il turgore.

Il citoscheletro

Lo scheletro della cellula, dà forma alla cellula e ne guida i movimenti. Mantiene la forma della cellula, contribuisce alla formazione delle giunzioni tra cellule e permette il movimento sia della cellula stessa sia dei suoi organuli. Il citoscheletro degli eucarioti è costituito da tre tipi di elementi: i filamenti di actina, i filamenti intermedi e i microtubuli.

La sintesi proteica

È una delle funzioni primarie della cellula. L’informazione genetica necessaria per sintetizzare le proteine è contenuta nel nucleo. Tale informazione viene trasmessa da una generazione alla successiva dai geni, che si possono considerare le «unità ereditarie» della cellula. Essi sono costituiti da DNA e si trovano nei cromosomi. I ribosomi sono la sede della sintesi proteica.

La cellula gestisce la produzione e il consumo di energia. I cloroplasti e i mitocondri sono le «centrali energetiche» cellulari. Tali organuli gestiscono la produzione di energia tramite i processi di fotosintesi e respirazione.

I cloroplasti

I cloroplasti catturano l’energia solare e producono carboidrati. Le piante e le alghe usano l’energia del Sole per produrre carboidrati (glucosio) e ossigeno a partire dall’anidride carbonica e dall’acqua, attraverso il processo della fotosintesi. I cloroplasti svolgono funzione fotosintetica. La doppia membrana racchiude un ampio spazio (stroma) dove avviene la sintesi dei carboidrati. La clorofilla che cattura la luce solare è localizzata nella membrana dei tilacoidi (sacculi appiattiti delimitati da membrana immersi nel liquido stromatico. I tilacoidi sono sovrapposti tra loro formando delle pile).

I mitocondri

I mitocondri demoliscono i carboidrati e producono ATP. Gli organismi eucariotici producono energia (ATP) attraverso il processo della respirazione cellulare, che consente di liberare l’energia immagazzinata nel glucosio usando ossigeno. La respirazione cellulare ha sede nei mitocondri. Essi sono suddivisi in comparti: membrana esterna, spazio intra-membrana, membrana interna, creste e matrice. Il glucosio viene demolito nella matrice, mentre nelle creste si produce l’ATP.

Difetti dei mitocondri possono essere causa di malattie. Patologie come la malattia di Parkinson e la malattia di Alzheimer possono essere correlate a mutazioni del DNA mitocondriale (mtDNA). I mitocondri vanno anche ad originare radicali liberi accelerando l’invecchiamento.

Elementi del citoscheletro

Filamenti di actina (f-actina) sono disposti in fasci o a reticella e svolgono un ruolo strutturale fondamentale. Si tratta di filamenti flessibili e relativamente resistenti, tanto da consentire alle cellule di spostarsi con movimento ameboide o strisciando.

Filamenti intermedi sono simili ad una corda ritorta, sono costituiti da diversi polipeptidi fibrosi e svolgono una funzione strutturale, sostenendo l’involucro nucleare e la membrana plasmatica. Hanno un diametro medio di 10 nm.

Microtubuli sono costituiti da una proteina globulare chiamata tubulina. I microtubuli agiscono come rotaie lungo le quali si spostano i vari organuli cellulari. Lo scorrimento è reso possibile dalla presenza di molecole motrici associate ai microtubuli.

Ciglia e flagelli contengono microtubuli. Sono estroflessioni a forma di frusta che si trovano in alcune cellule procariotiche e eucariotiche. Negli animali svolgono ruoli cruciali lungo il tratto respiratorio e riproduttivo. Le ciglia (al singolare, ciglio) sono strutture brevi (2-10 μm). I flagelli sono appendici più lunghe (200 μm).

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica è un biomarker applicativo che sta all’origine della vita. La membrana è costituita da componenti lipidiche e proteiche. Può cambiare nell’espressione dei suoi costituenti. Circa 3.5 miliardi di anni fa sono comparse le alghe, prima testimonianza di vita. Questa vita era basata sull’atomo di carbonio. Durante tutte le fasi in cui il nostro ecosistema ha modificato le sue condizioni, ci sono state varie modificazioni che hanno portato alle varie forme di vita che oggi conosciamo. Molto probabilmente, l’inizio della vita prende spunto dalla molecola di un fosfolipide generico, che poi andrà a comporre la membrana. La testa è polare e la coda è apolare.

I fosfolipidi si dispongono in un doppio strato con la coda verso l’interno. Sono molto importanti perché costituiscono la membrana e perché sono una barriera selettiva tra l’interno e l’esterno. Sicuramente, avendo una capacità idrofobica, quando si sono andate a costituire le prime cellule, la prima cosa che si è creata è un lipide, poiché è una molecola semplice. La prima cellula è stata studiata partendo dai fosfolipidi, poiché si possono ciclizzare e chiudersi. Ciclizzati raggiungono anche una certa stabilità. Si ciclizzano quando nell’ambiente ci sono altre molecole, come ioni metallici.

Chiudendosi vanno a creare un ambiente favorevole all’insediamento, al loro interno, di varie macromolecole come soluti. Le prime cellule furono le protocellule. È possibile che i ciclo-fosfolipidi abbiano svolto un ruolo fondamentale nel passaggio di varie molecole dall’esterno della molecola all’interno.

In laboratorio, l’acqua di mare si crea con queste concentrazioni, soprattutto quelle di sodio e magnesio. Il sodio destabilizza la formazione di protocellule in modo dipendente. Quando la molarità del sodio cambia, le membrane si destabilizzano. È possibile che i ciclofosolipidi abbiano svolto un ruolo fondamentale nel passaggio da (proto)cellule indipendenti dalle proteine a quelle proteine-dipendenti.

La struttura della membrana plasmatica permette:

• Scambi di sostanze tra cellule
• Scambi di sostanze tra la cellula e l’ambiente esterno

La membrana si è trasformata in una membrana che permette scambi. Questi avvengono non solo attraverso il gradiente. I principali componenti della membrana sono:

• Fosfolipidi (lipidi fosforilati, testa di glicerolo fosforilato e due code di acidi grassi)
• Glicolipidi
• Colesterolo
• Proteine (molto diversi dalle altre componenti)

Il citoscheletro ha dei prolungamenti che escono dalla membrana che permettono ai messaggi di passare tra le varie cellule. Le membrane plasmatiche assomigliano a cristalli liquidi: i fosfolipidi sono distribuiti ordinatamente con le teste all’esterno e le code all’interno. Le code idrocarburiche sono sempre in movimento. I fosfolipidi si possono spostare nello stesso strato della membrana (lateralmente), quindi questa è fluida. Però non possono passare all’altro strato.

La fluidità deve essere sempre ottimale. Dipende dalla componente lipidica (i grassi insaturi aumentano la fluidità impedendo l’interazione fra lipidi), dal colesterolo (cellule animali) e steroli vegetali (cellule vegetali). Questi ultimi due sono idrofobici ma hanno un gruppo ossidrile che interagisce con le teste idrofiliche dei fosfolipidi. In questo modo hanno una doppia funzione a seconda della temperatura.

Se la temperatura è bassa fungono da spaziatori e aumentano la fluidità della membrana che si è condensata. Riescono a mantenere la fluidità ottimale. Quando la temperatura si alza, la fluidità aumenta e supera quella ottimale, quindi, il colesterolo aggancia le teste e le tiene unite, riducendo la fluidità.

Tipi di proteine di membrana

Proteine integrali: saldamente legate alla membrana, sono anfipatiche, alcune attraversano una o più volte tutta la membrana. Per essere tolte bisogna togliere la parte di membrana nella quale sono localizzate. Se si togliesse solo la proteina rimarrebbe il buco.

Proteine di superficie: associate alla superficie interna o esterna della membrana, spesso sono legate alle porzioni esposte delle proteine integrali. Per essere rimosse basta che vengano tagliate. Queste proteine possono essere di ancoraggio (integrine): si ancorano alla matrice extracellulare e si connettono ai microfilamenti intracellulari.

Permeabilità selettiva

Permeabili a molecole idrofobe e di piccole dimensioni e impermeabili a quelle polari. Permeabili a molecole di acqua (polare), ai gas (CO₂, O₂, N₂) a molecole piccole polari (glicerolo) e molecole grandi apolari (idrocarburi). Ioni, zucchero e amminoacidi riescono ad attraversare la membrana grazie alle proteine trasportatrici.

Diffusione semplice

Tipo di trasporto in cui l’unica forza che interviene è quella osmotica. L’osmosi ha un significato ben particolare, è una forza chimica. È il risultato del movimento termico casuale di molecole. Il flusso delle molecole esiste, ma è pari a 0.

Prima legge di Fick della diffusione e cinetica della diffusione

Quello che fa la differenza nel passaggio è il peso molecolare. Chi pesa di più fa più fatica a passare/diffondere. Entra prima chi pesa meno, a parità di caratteristiche uguali. La diffusione netta è direttamente proporzionale al gradiente di diffusione. A parità di coefficiente K di ripartizione, la permeabilità della membrana a due composti diminuisce con l’aumentare del peso molecolare.

• Quanto maggiore è la superficie della membrana, tanto maggiore è l’efficienza della diffusione.
• Quanto minore è lo spessore della membrana, tanto maggiore è l’efficienza della diffusione.
• Quanto maggiore è il coefficiente di diffusione della molecola nella membrana, tanto maggiore è l’efficienza della diffusione.
• La permeabilità della membrana plasmatica ad una particolare sostanza aumenta con l’aumentare della liposolubilità della sostanza.

Le sostanze che diffondono liberamente attraverso la membrana plasmatica sono: acqua, anidride carbonica, ossigeno, etanolo, urea, sostanze liposolubili. Al contrario, la membrana plasmatica è difficilmente attraversabile da: zuccheri, molecole con cariche elettriche, piccoli ioni.

Trasporto mediato

Si divide in diffusione facilitata e trasporto attivo. La diffusione semplice avviene secondo gradiente di concentrazione (movimento di particelle che utilizzano l’energia immagazzinata dal gradiente). È un processo spontaneo.

Diffusione facilitata: nella diffusione facilitata, la membrana è resa permeabile a sostanze idrofile (ioni e molecole polari) grazie alla presenza di proteine canali e carrier. Questi fanno da tunnel nei quali passano le sostanze che senza questi non riuscirebbero ad attraversare la membrana. Il trasporto secondo gradiente va incontro a saturazione parziale, cioè ci può essere un momento nei quali tutti i siti sono pieni di influsso. Più trasportatori vengono utilizzati, più andiamo verso una saturazione completa.

Il trasporto attivo consuma energia, solitamente non ve...