Appunti completi esame di Biologia generale e cellulare

Biologia cellulare

La biologia è la scienza che studia gli organismi viventi ed i loro rapporti con l’ambiente circostante. Gli organismi viventi rappresentano domini di coerenza, sede di processi ordinati nello spazio e nel tempo. Ciascuno di loro ha un’estensione nel tempo limitata (morte). La biologia è governata da precise leggi chimico-fisiche e da istruzioni contenute nel patrimonio genetico DNA. La biologia moderna è il risultato dell’integrazione di tra scienze:

• Citologia: studio della cellula - 1 micrometro (µm) = 10^-6 m = 1000 nm - 1 Å = 10^-10 m = 0,1 nm - 1 nanometro (nm) = 10^-9 m
• Biochimica: studio della funzione delle molecole biologiche
• Genetica: studio dell’ereditarietà dei tratti fra generazioni

Caratteristiche fondamentali della materia vivente

• Complessità (biodiversità): la molteplicità di specie assicura una distribuzione del rischio di estinzione. Si tratta di una complessità specificamente determinata, costante nel tempo e nello spazio → necessità dell’esistenza di una grande mole di informazione specifica: DNA, il composto chimico in cui è depositata l’informazione genetica.
• Capacità di accrescimento: gli organismi viventi devono essere in grado di trasformare i composti inorganici in composti organici e di produrre energia dalla materia.
• Capacità di autoriproduzione: necessità di un meccanismo di replicazione e di trasmissione dell’informazione genetica specifica di ciascun organismo.
• Adattamento all’ambiente: meccanismo di adattamento compatibile con la conservazione e la trasmissione dell’informazione genetica → selezione naturale.

L’organizzazione biologica è gerarchica. Aumentando i livelli aumentano proprietà e funzioni. Ogni livello ha proprietà emergenti, caratteristiche non presenti ai livelli inferiori:

1. Particella subatomica → elettroni, protoni, neutroni
2. Atomo → La più piccola unità di un elemento chimico che possiede ancora le proprietà di un elemento
3. Molecola → Gruppo di due o più atomi, organizzati in una unità strutturale tridimensionale mediante la formazione di legami chimici tra atomi
4. Organulo → Gruppo di molecole organizzate in una unità strutturale che svolge una particolare funzione
5. Cellula → Gruppo di organuli e di molecole, organizzate in modo da formare l'unità fondamentale degli organismi viventi. È la più piccola unità capace di vita indipendente.

La teoria cellulare

L’unità fondamentale della materia vivente è la cellula, che 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 preesistenti.

Il carattere gerarchico dell’organizzazione cellulare

Cellula:

• Organuli (nucleo, mitocondri, lisosomi, cloroplasti, ecc.)
• Complessi sopramolecolari (ribosomi, membrane, complessi enzimatici)
• Macromolecole (acidi nucleici → nucleotidi; proteine → aminoacidi; polisaccaridi → monosaccaridi; lipidi → acidi grassi e glicerolo)

La composizione chimica di una cellula batterica

• 70% H₂O
• 30%:
  • 4% ioni, piccole molecole
  • 2% fosfolipidi
  • 6% RNA
  • 1% DNA
  • 15% proteine
  • 2% polisaccaridi

Carbonio

Le molecole fondamentali per la biologia cellulare hanno uno scheletro di atomi di carbonio legati fra loro in maniera covalente a formare catene o anelli chiusi. Lo studio dei composti contenenti carbonio è l’oggetto della chimica organica. Il carbonio ha valenza 4 e forma legami covalenti, ha struttura tetraedrica. Un atomo di carbonio con quattro differenti gruppi sostituenti è definito atomo di carbonio asimmetrico. Quando sono coinvolti solo atomi di idrogeno a formare molecole lineari o circolari con il carbonio i composti sono detti idrocarburi. La maggior parte dei composti biologici contiene gruppi funzionali.

H₂O

L’H₂O è il solo composto esistente allo stato liquido in quantità apprezzabile sul nostro pianeta. L’acqua costituisce circa il 75-85% del peso di una cellula.

Le proprietà dell’acqua:

• Polarità: è dovuta a una diversa distribuzione delle cariche elettriche tra l’ossigeno (più elettronegativo) e gli atomi di idrogeno → ha una struttura triangolare e non lineare.
• I legami a idrogeno si formano tra un atomo di idrogeno e un atomo elettronegativo, come ossigeno, azoto o fluoro di molecole diverse oppure della stessa molecola (legame a idrogeno intramolecolare). Le tre forme dell’acqua differiscono nel grado di formazione dei legami a idrogeno:
  • Vapor acqueo: 0, meno denso.
  • Acqua liquida: 1-4, più denso.
  • Ghiaccio: 4 ( → i legami impongono un forte distanziamento), densità inferiore del 10% rispetto all’acqua liquida.
• Coesione: è dovuta ai legami a idrogeno tra le molecole d’acqua, che è caratterizzata da un’estesa rete tridimensionale di molecole unite con legami a idrogeno. La coesione spiega alcune caratteristiche dell’acqua, come la sua elevata tensione superficiale e i suoi elevati punto di ebollizione, calore specifico, calore di evaporazione.
• Adesione: è dovuta 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: (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.
• Alto calore di evaporazione: (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: ciò dà luogo a ioni idrogeno (H⁺) e ioni idrossido (OH^-).

L’acqua è un ottimo solvente a causa della sua polarità. Le sostanze si dividono in:

• Idrofiliche (o polari):
  • Composti ionici (sali)
  • Composti polari (carboidrati, amminoacidi, nucleotidi)
• Idrofobiche (o apolari):
  • Composti apolari (molecole sulla cui superficie non si verifica uno sbilanciamento nella distribuzione degli elettroni)
• Anfipatiche

Membrane

Una membrana cellulare è una barriera selettivamente permeabile idrofobica costituita da fosfolipidi, glicolipidi e proteine di membrana. Nella membrana i fosfolipidi si dispongono spontaneamente in due strati, in modo da avere le loro teste polari orientate esternamente e le code idrofobiche in senso opposto. La struttura risultante è un doppio strato fosfolipidico, che è molto permeabile alle molecole non polari, mentre è piuttosto impermeabile a molte molecole polari e ancor di più a tutti gli ioni. L’acqua è l’esempio di una molecola molto piccola che, sebbene polare, diffonde molto rapidamente attraverso le membrane e può facilmente entrare o uscire dalle cellule. Per trasportare molecole polari dentro e fuori la cellula, le membrane biologiche sono dotate di un’ampia gamma di proteine di trasporto.

Polimerizzazione

Le macromolecole sono generate dalla polimerizzazione di monomeri. I tre tipi principali di macromolecole costituite da polimeri che si trovano nelle cellule sono le proteine, gli acidi nucleici e i polisaccaridi. Le macromolecole sono sempre sintetizzate mediante una polimerizzazione sequenziale di monomeri; l’aggiunta di ogni monomero avviene per condensazione, l’energia per accoppiare i monomeri alla molecola di trasporto è fornita da ATP o da un analogo composto ad alta energia, le macromolecole hanno una intrinseca direzionalità, ovvero i due estremi della catena polimerica sono chimicamente differenti tra loro. La degradazione di queste macromolecole si verifica per idrolisi.

Auto-assemblaggio

Il principio dell’auto-assemblaggio implica che le informazioni richieste per specificare il ripiegamento spontaneo delle macromolecole e le loro interazioni per formare strutture più complesse sono intrinseche ai polimeri stessi. Ciascuno dei processi di assemblaggio esemplifica una strategia cellulare di base, detta gerarchia di assemblaggio. Il processo gerarchico ha il vantaggio della semplicità chimica e dell’efficienza di assemblaggio e del controllo qualità, che consente di scartare i componenti difettosi a uno stadio precoce, prima che siano inseriti in una struttura più complessa.

Lipidi

Classe eterogenea di composti caratterizzati dall’essere insolubili o pochissimo solubili in acqua (idrofobi) e solubili in solventi apolari (es. acetone, benzina ecc.). Funzioni:

• Riserva energetica ( → lipidi di deposito)
• Componenti principali delle membrane ( → lipidi strutturali)
• “Messaggeri chimici” sia all’interno della cellula (“secondi messaggeri”) che tra cellule diverse ( → ormoni)
• Isolante contro le basse temperature
• Vitamine (vitamina A, D, E, K)

Possono essere divisi in sei classi principali:

• Acidi grassi
• Fosfolipidi
• Steroidi
• Triacilgliceroli
• Glicolipidi
• Terpeni

Acidi grassi

Acidi monocarbossilici saturi (C_nH_2nO₂) o insaturi (contenenti doppi legami). Catena lunga di solito non ramificata con un gruppo carbossilico ad una estremità → Il C₁ è quello appartenente a COOH, hanno numero pari di atomi di carbonio (16 – 18). Gruppo COOH: “testa” polare, catena idrocarburica: “coda” non polare → anfipatici. Sono molto ridotti, possiedono numerosi atomi di idrogeno e pochi di ossigeno, hanno una resa energetica molto elevata in seguito a ossidazione ( → riserva di energia).

I doppi legami provocano una curvatura della molecola che ne determina lo stato liquido a temperatura ambiente (es. acido oleico). I legami singoli invece permettono un perfetto allineamento delle code che determina lo stato solido a temperatura ambiente. (es. acido palmitico).

Triacilgliceroli

Sono i lipidi più abbondanti negli esseri viventi, possono essere saturi o insaturi. Hanno funzione di riserva energetica per tutte le cellule → negli organismi animali (adipociti) che vegetali (semi e frutti), in alcuni animali hanno funzione isolante contro le basse temperature. Sono costituiti da: glicerolo + 1, 2 o 3 molecole di acido grasso (monogliceridi, digliceridi, trigliceridi) → alcool + acidi grassi → reazione di esterificazione (alcol [glicerolo] + acido [acido grasso]). Insolubili in acqua dove tendono ad “unirsi” per avere la minor superficie di interazione con l’acqua (→ interazioni idrofobiche).

Fosfolipidi

Sono composti da una testa polare e una coda apolare (anfipatiche), grazie a questo consentono la formazione di membrane grazie alle interazioni idrofobiche. La lunghezza e il grado di insaturazione delle catene di acidi grassi nei fosfolipidi di membrana influiscono molto sulla fluidità della membrana e possono essere regolati dalle cellule di alcuni organismi. In acqua possono formare diverse strutture:

• Micelle (senza doppio strato)
• Liposomi: hanno uno spazio acquoso isolato all'interno le cui dimensioni variano in base all'estensione del doppio strato fosfolipidico.
• Doppio strato fosfolipidico

Fosfogliceridi

Sono il tipo prevalente di fosfolipidi presente nelle membrane. Sono costituiti da acidi grassi esterificati a una molecola di glicerolo. La componente base di un fosfogliceride è l’acido fosfatidico, che ha due acidi grassi e un gruppo fosfato attaccato a uno scheletro di glicerolo. I fosfogliceridi della membrana presentano in aggiunta un piccolo alcol idrofilo legato a un fosfato mediante un legame esterico.

Sfingolipidi

Sono importanti nella struttura della membrana e nella comunicazione cellulare. Sono basati sull’amino-alcol sfingosina. Sono presenti soprattutto nel foglietto esterno del doppio strato della membrana plasmatica, dove sono spesso localizzati nelle zattere lipidiche.

Glicolipidi

• Cerebrosidi
  • Residui monosaccaridici (d-glucosio, d-galattosio)
  • Guaina mielinica abbondante nella membrana delle cellule di Schwann, consente ai neuroni di isolare gli assoni per far propagare l'impulso senza che venga disperso
• Gangliosidi
  • Residui oligosaccaridici
  • Membrana delle cellule nervose

Contengono uno zucchero al posto di un gruppo fosfato. Sono idrofilici e hanno natura anfipatica. I glicolipidi sono componenti specializzati di alcune membrane, si trovano per la maggior parte sulla superficie esterna della membrana plasmatica.

Steroidi

Presentano un complesso scheletro idrocarburico a quattro anelli condensati a cui sono legate varie catene laterali e gruppi funzionali. Sono relativamente apolari e idrofobici, differiscono tra loro nel numero e nelle posizioni dei doppi legami e dei gruppi funzionali. Si trovano quasi esclusivamente nelle cellule eucariotiche. Gli steroidi più importanti da un punto di vista biologico sono colesterolo, acidi biliari e ormoni sessuali es. Il colesterolo è un costituente delle membrane cellulari e il prodotto di partenza per la sintesi degli ormoni steroidei. La vitamina D₂ può essere prodotta nella cute per azione delle radiazioni ultraviolette su un derivato del colesterolo. Il cortisolo è un ormone secreto dalle ghiandole surrenali. Il testosterone è un ormone sessuale maschile.

Lo steroide più comune è il colesterolo:

• È una molecola anfipatica con testa polare.
• È un importante costituente delle membrane (si inserisce nella porzione apolare del doppio strato interferendo nell'impaccamento delle code dei lipidi aumentando così la fluidità) → presente nella membrana plasmatica delle cellule animali e nella maggior parte delle membrane degli organelli (non è presente nelle membrane interne dei mitocondri e dei cloroplasti).
• Si trova anche nel plasma complessato con proteine di trasporto.
• È il precursore degli ormoni steroidei:
  • Ormoni sessuali: androgeni ed estrogeni (es. testosterone).
  • Glucocorticoidi: favoriscono la gluconeogenesi (sintesi del glucosio) e sopprimono le reazioni infiammatorie (es. cortisolo).
  • Mineralcorticoidi: regolano l’equilibrio ionico, favorendo il riassorbimento di ioni sodio, cloruro e bicarbonato nel rene (es. aldosterone).

Terpeni

I terpeni, sintetizzati dal composto isoprene a cinque atomi di carbonio, sono detti anche isoprenoidi. L’isoprene e i suoi derivati sono uniti insieme in varie combinazioni per produrre sostanze quali:

• Vitamina A
• Pigmenti carotenoidi: svolgono un ruolo nell’utilizzo della luce da parte delle piante, nel processo di fotosintesi

Carboidrati (→ idrati del carbonio)

Hanno formula bruta: (CH₂O)_n (dove n ≥ 2), comprendono composti che contengono nella loro molecola un gruppo aldeidico o un gruppo chetonico e diversi gruppi alcolici, hanno pesi molecolari e funzioni biologiche molto diverse. Funzioni:

• Fonte di energia per la cellula e riserva energetica
• Materiale di partenza per la sintesi di altri costituenti cellulari
• Sostegno
• "Segnali" di identificazione delle cellule (es. il gruppo sanguigno AB0)

Possono essere divisi in:

• Monosaccaridi: 1 monomero
• Disaccaridi: 2 monomeri
• Oligosaccaridi: da 3 a circa 10 monomeri
• Polisaccaridi: oltre qualche decina di monomeri

Monosaccaridi

Vengono classificati in base al numero di atomi di carbonio (es. esosi → glucosio, fruttosio, galattosio). Esistono due categorie:

• Aldozuccheri: gruppo carbonilico terminale (es. glucosio)
• Chetozuccheri: gruppo carbonilico interno sul carbonio 2 (es. fruttosio)

Glucosio

Formula lineare o di Fischer (Se -OH legato a C1 si trova in alto: beta, in basso: alfa). È il monosaccaride più abbondante nelle cellule (in natura è presente quasi esclusivamente il D-glucosio). Prodotto dalle piante mediante fotosintesi: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Prodotto dagli altri organismi a partire da composti organici (gluconeogenesi). Fonte di energia per tutte le cellule. Gli atomi di carbonio nel glucosio sono nominati a partire dall’estremità più ossidata della molecola, poiché il carbonio ha quattro atomi di carbonio asimmetrici (2,3,4,5) → sono possibili 2⁴ = 16 diversi stereoisomeri dell’aldozucchero C₆H₁₂O₆.

Disaccaridi

Due monomeri di zucchero uniti da un legame covalente (glicosidico). Un disaccaride può essere idrolizzato, ogni disaccaride è idrolizzato da un enzima diverso. Si forma un legame tra il C₁ e il C₄ → legame glicosidico (1-α4 o 1-β4). Es. Saccarosio (comune zucchero da cucina) = glucosio + fruttosio (legame 1-→5); Lattosio (zucchero presente nel latte) = galattosio + glucosio; Maltosio (zucchero del malto, prodotto di degradazione dell’amido) = glucosio + glucosio.

Polisaccaridi

Macromolecole con catena lineare o ramificata. Funzioni:

• Di riserva: glicogeno (cellule animali) e amido (cellule vegetali)
• Di sostegno: cellulosa e chitina

Glicogeno, amido e cellulosa sono polimeri dello stesso monomero: il glucosio.

Cellulosa

• Polimero di β-D Glucosio
• Legami β-1-4.
• Lineare (senza diramazioni)
• Polisaccaride strutturale

Per farle legare vanno orientate nel piano una all'opposto dell'altra (ribaltate di 180°).

Amido