Biologia animale

BIOLOGIA

LA CELLULA PROCARIOTICA

I procarioti sono organismi privi di nucleo. Hanno solitamente forma sferica, a

bastoncello o elicoidale e dimensioni molto ridotte. Spesso sono rivestiti da

un involucro protettivo robusto chiamato parete cellulare che si trova intorno

alla membrana plasmatica e che a sua volta racchiude citoplasma e DNA. Al

microscopio elettronico la matrice si presenta irregolare e granulosa.

In condizioni ottimali si riproducono abbastanza velocemente tramite divisioni

ripetute, generando miliardi di discendenti.

Si trovano in moltissimi habitat sulla Terra, non esiste materiale organico a cui

non corrisponda un determinato tipo di batterio.

Classifichiamo i procarioti in batteri e archeobatteri. Questi ultimi in

particolare sono quelli che sono in grado di vivere in ambienti estremi.

LA CELLULA EUCARIOTICA

Le cellule eucariotiche sono più grandi è più complesse rispetto a batteri e

archeobatteri. Possono condurre vita indipendente come fanno amebe e

lieviti oppure riunirsi in aggregati pluricellulari. Tutte le cellule eucariotiche

sono provviste di nucleo. Hanno una dotazione molto ampia di organelli, molti

racchiusi in una membrana.

Il nucleo è l’organello più grande della cellula eucariotica ed è delimitato da

due membrane concentriche che costituiscono l’involucro nucleare, che a sua

volta contiene il DNA.

Mitocondri

Sono gli organelli più voluminosi del citoplasma, presenti in tutte le cellule

eucariotiche. Appaiono come strutture vermiformi per formare delle reti che

ramificano. Ogni mitocondrio è delimitato da due membrane separate, quella

interna formata da pieghe.

I mitocondri generano energia chimica per la cellula ossidando le molecole

che derivano dagli zuccheri e dai grassi per produrre ATP

(adenosintrifosfato). L’intero processo svolto dai mitocondri è chiamato

respirazione cellulare.

Contengono DNA e si riproducono per scissione binaria.

Cloroplasti

Sono organelli di grandi dimensioni di colore verde che si trovano nelle cellule

di piante e alghe. Hanno struttura più complessa dei mitocondri, oltre ad

avere le membrane esterne ne hanno anche di interne contenenti la clorofilla.

Sono responsabili della fotosintesi clorofilliana, processo in cui l’energia

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solare viene catturata per produrre molecole di zucchero ad alto contenuto

energetico rilasciando ossigeno come sottoprodotto. Anche i cloroplasti

possiedono un DNA proprio e dividono per scissione binaria.

Membrane interne

Aiutano a importare nella cellula le materie prime e ad esportare i materiali di

rifiuto.

Il reticolo endoplasmatico (RE) è la sede di produzione della maggior parte

dei componenti delle membrane cellulari. Ha dimensioni maggiori in cellule

specializzate nella secrezione delle proteine.

L’apparato di Golgi modifica e impacchetta le molecole prodotte dal RE che

devono essere poi trasportate in altri compartimenti cellulari.

I lisosomi sono organelli di forma irregolare in cui avviene la digestione

intracellulare, processo in cui si rilasciano le sostanze nutritive derivate dalle

particelle ingerite e si demoliscono le molecole indesiderate, che verranno

riutilizzate o espulse.

I perossisomi sono vescicole racchiuse in una membrana che crea un

ambiente adatto ad una serie di reazioni in cui H O viene utilizzato per

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inattivare molecole tossiche.

Tra questi vari apparati avviene un continuo scambio di materiali mediato da

vescicole. Queste possono andare incontro ad un processo di endocitosi se

veicolano sostanze dall’esterno della cellula all’interno, o di esocitosi se

avviene il processo inverso.

Citosol

Si tratta della parte di citoplasma che non è delimitata da una membrana

intracellulare. Contiene molecole di varie dimensioni e per questo non si

comporta come un fluido ma più come un gel acquoso. Nel citosol avvengono

molte reazioni fondamentali per la vita della cellula.

Citoscheletro

Si tratta di un sistema di filamenti proteici di tre tipi:

 filamenti di actina, i filamenti più sottili presenti in tutte le cellule

eucariotiche, molto numerosi nelle cellule muscolari perché parte

integrante della contrazione muscolare

 microtubuli, i filamenti più spessi, contribuiscono alla distribuzione

regolare dei cromosomi tra le cellule figlie.

 Filamenti intermedi, che conferiscono resistenza meccanica alla cellula

PICCOLE MOLECOLE NELLA CELLULA

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Quasi tutte le molecole nella cellula sono costituite da carbonio, ed infatti tutti

i composti del carbonio, o meglio la maggior parte, costituiscono le molecole

organiche.

Le cellule contengono quattro famiglie principali di molecole organiche:

zuccheri, acidi grassi, amminoacidi e proteine.

Zuccheri

Gli zuccheri più semplici sono i monosaccaridi, composti di formula generale

(CH O) . gli zuccheri vengono anche chiamati carboidrati per il fatto che

2 n

associano atomi di H e O. il glucosio così come gli altri zuccheri possono

trasformarsi in zuccheri diversi cambiando l’orientamento dei gruppi -OH, e

hanno forme speculari che differenziamo con le lettere D e L.

Gruppi con stessa formula chimica ma diversa struttura sono detti isomeri e

le coppie identiche ma speculari sono chiamate isomeri ottici. Gli isomeri in

generale sono molto diffusi tra le molecole organiche e spiegano la grande

varietà di molecole.

I monosaccaridi si possono unire tra loro a formare disaccaridi che a loro

volta formano oligosaccaridi e polisaccaridi.

Gli zuccheri si uniscono tramite l’unione dei gruppi -Oh con una reazione di

condensazione e possono separarsi con il processo inverso che è una

reazione di idrolisi.

Il glucosio è il monosaccaride con il ruolo centrale poiché tramite lui si

produce energia per la cellula demolendolo in molecole più piccole. Per

immagazzinare energia a lungo termine le cellule accantonano polisaccaridi

che prende il nome di glicogeno per gli animali e amido per le piante.

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La sostanza organica più abbondante sulla Terra è un polisaccaride con

funzione di sostegno, cioè la cellulosa. Un altro composto molto abbondante

è la chitina dell’esoscheletro degli insetti.

Acidi grassi

La molecole di un acido grasso presenta due regioni distinte, una catena

idrocarburica idrofoba e chimicamente poco reattiva e idrofoba, e un gruppo

carbossilico che ha comportamento di acido, ionizzato in soluzione, idrofilo e

poco reattivo. Le molecole che sono sia idrofile che idrofobe vengono dette

anfipatiche.

Nelle cellule quasi tutte le molecole di acido grasso sono legate

covalentemente ad altre molecole grazie al gruppo carbossilico.

Gli acidi grassi possono essere:

 Saturi, se la loro catena idrocarburica non presenta doppi legami tra gli

atomi di carbonio;

 Insaturi, se la loro catena idrocarburica presenta dei doppi legami.

Questa caratteristica spiega per esempio perché il burro a temperatura

ambiente è solido mentre l’olio è liquido. Nel burro gli acidi grassi sono

perfettamente incastrati tra loro poiché saturi, nell’olio gli acidi grassi hanno

dei doppi legami che formano dei comiti che non gli permettono di incastrarsi

bene.

Fungono da riserva di nutrienti e dalla loro demolizione si ricava energia

estraibile dal glucosio. Molte cellule lo accumulano nel citoplasma sottoforma

di goccioline che chiamiamo triacilgliceroli, costituite da tre catene di acido

grasso legato covalentemente a una di glicerolo.

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Gli acidi grassi e tutti i derivati sono esempi di lipidi, insieme costituito da

molecole insolubili in acqua, solubili nei grassi e il solventi organici come il

benzene.

I lipidi contengono lunghe catene idrocarburiche o anelli aromatici multipli

come nel caso degli steroidi.

Il ruolo più importante che ricoprono è quello di materiale strutturale per il

doppio strato fosfolipidico, struttura di base di tutte le membrane cellulari.

I fosfolipidi sono costituiti da acidi grassi e glicerolo, quest’ultimo si unisce a

due catene di acido grasso e non a tre. La loro capacità di formare

membrane in ambiente acquoso deriva dal loro essere anfipatiche: tendono a

distendersi sulla superficie con le coda rivolta verso l’aria e la testa rivolta

verso l’acqua.

Amminoacidi

Piccole molecole organiche che possiedono un gruppo acido carbossilico e

.

un gruppo amminico legati allo stesso carbonio denominato Legato ad

esso c’è inoltre una catena laterale che identifica il tipo di amminoacido di cui

si sta parlando.

Le cellule usano gli amminoacidi per formare le proteine, polimeri di

amminoacidi uniti testa e coda in una lunga catena che si ripiega poi in una

struttura tridimensionale.

Il legame tra due amminoacidi si chiama legame peptidico ed è per questo

che la catena di amminoacidi viene chiamata anche peptide.

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Il fatto che alle due estremità di un amminoacido si possa individuare un

gruppo amminico e uno carbossilico fa si che la molecole abbia una polarità

strutturale.

Nelle proteine si trovano comunemente 20 tipi di amminoacidi ciascuno con

una catena laterale differente.

Tutti gli amminoacidi eccetto la glicina hanno isomeria ottica, le forme D e L.

Cinque dei 20 amminoacidi hanno catene laterali che formano ioni in

soluzione e quindi capaci di avere carica elettrica.

Nucleotidi

Sono le subunità di DNA (acido desossiribonucleico) e RNA (acido

ribonucleico).

Si tratta di un nucleoside legato a uno o più gruppi fosfato che può essere o

ribonucleotide se lega un gruppo ribosio o desossiribonucleotide se lega un

desossiribosio.

Gli anelli con azoto sono generalmente chiamati basi per la loro tendenza a

legare un protone e aumentare la concentrazione di -OH.

Sono pirimidine la citosina (C), la timina (T) e l’uracile (U) e derivano da un

anello a sei membri.

Sono purine la guanina (G) e l’adenina (A) e derivano da un anello a cinque

membri fuso con quello a sei membri.

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I nucleotidi possono funzionare da vettori temporanei di energia chimica,

soprattutto l’ATP che viene sintetizzata attraverso i nutrienti La scissione del

.

gruppo fosfato terminale libera energia utilizzabile.

I nucleotidi sono i costituenti degli acidi nucleici, lunghi polimeri in cui le

singole unità sono legate da un legame fosfodiesterico tra il gruppo fosfato

legato allo zucchero e il gruppo ossidrilico dello zucchero successivo.

Conosciamo due tipoi principali di acidi nucleici:

 Acidi ribonucleici o RNA, se lo zucchero è il ribosio che contiene basi

A,G,C,U. ha catena polinucleotidicas singola.

 Acidi desossiribonucleici o DNA, se lo zucchero è il desossiribosio che

contiene basi A,G,C,T. ha catena polinucleotidica doppia.

Il DNA funge da deposito dell’informazione ereditaria, l’RNA è vettore di

istruzioni molecolari.

LA MEMBRANA PLASMATICA

Serve a delimitare il sistema di molecole che forma la cellula ed è talmente

sottile e trasparente da non potert essere vista al microscopio ottico.

Le cellule la utilizzano per proteggere i propri componenti chimici

dall’ambiente esterno, ma anche per comunicare con ciò che c’è al di fuori e

far avvenire degli scambi tra interno e esteno grazie all’utilizzo di proteine di

trasporto, che possono in alternativa avere funzione di recettori.

Ha una strutturas semplice costituita da un doppio strato lipidico che funziona

come una barriera impermeabile alla maggior parte delle molecole

idrosolubili.

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DOPPIO STRATO LIPIDICO

I lipidi delle membrane cellulari possiedono una testa idrofila e una coda

idrofoba, sono quindi fosfolipidi, molecole che per questa loro caratteristica

peculiare sono dette anfipatiche; è una caratteristica fondamentale che

spiega la loro tendenza ad aggregarsi in un doppio strato.

Le molecole idrofile si dissolvono in acqua poiché contengono gruppi carichi

oppure neutri e polari.

Le molecole idrofobe sono invece impossibilitate a sciogliersi in acqua perché

hanno atomi privi di carica o sono apolari. Le molecole d’acqua quando si

trovano con molecole di questo tipo sono constrette ad organizzarsi per

chiudere le idrofobe.

I fosfolipidi sono quindi soggetti a due froze opposte, una di attrazione per

l’acqua e una di repulsione.

Nella formazione del doppio strato i fosfolipidi fanno in modo di incastrarsi per

rendere il margine libero il più scarso possibile.

L’ambiente acquoso interno ed esterno impedisce ai lipidi di sfuggire dal

doppio strato, ma sono in graqdo di spostarsi e scambiarsi all’interno di esso.

La membrana è quindi un fluido bidimensionale, caratteristica fondamentale

per il suo funzionamento.

Aggiungendo all’acqua fosfolipidi puri si ottengono vescicole che prendono il

nome di liposomi.

Nelle membrane i lipidi si ribaltano molto rapidamento e questo meccanissmo

prende il nome di flip-flop; questo evento non è però così frequente, si stima

che avvenga una volta al mese o meno per la molecola lipidica.

In seguito a moto termico le molecole lipidiche tendono a scambiarsi di posto

continuamente con le loro vicineall’interno del monostrato in cui si trovano.

Le singole molecole lipidiche possono ruotare molto velocemente attorno al

proprio asse maggiore.

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Un’altra caratteristica fondamentale della membrana è la sua fluidità, che

dipende dalla natura dei suoi lipidi ed in particolare dalle code idrocarburiche;

più le code sono fitte tanto più viscoso è il doppio strato. Più sono corte le

code minore sarà la tendenza di queste ad interagire tra loro e perciò sarà

maggiore la fluidità. I doppi strato che contengono in numero maggiore di

fosfolipidi insaturi sono più fluidi.

Nelle nostre cellule la fluidità di membrana è modulata dalla presenza di

colesterolo che deve essere presente al 20% rispetto al resto dei lipidi. Il suo

ruolo è quello di riempire gli spazi tra le molecole che si creano per la

presenza di gomiti dati dai doppi legami presenti nelle code idrocarburiche di

fosfolipidi saturi. Il colesterolo così facendo rende il doppio strato

impermeabile ma più rigido.

Nelle cellule eucariotiche i fosfolipidi vengono prodotti da enzimi associati al

RE, che vengono depositati nel foglietto citosolico del doppio strato.

La membrana plasmatica è generalmente asimmetrica, i fosfolipidi che

compongono i due strati sono estremamente diversi.

Nell’apparato di Golgi si trova una famiglia di enzimi capaci di trattare i

fosfolipidi, chiamati flippasi, che mantengono l’asimmetria. La membrana

cellulare ha quindi due facce distinte, il foglio interno si affaccia sempre sul

citosol, quello esterno invece è esposto al mondo esterno della cellula o nel

caso di un organello si affaccia nel suo lume.

PROTEINE DI MEMBRANA

A svolgere quasi tutte le funzioni di membrana sono appunto le proteine di

membrana, che rappresentano il 50% della composizione di essa stessa.

Possono avere diverse funzioni:

 trasportano sostanze nutritive, metaboliti e ioni attraverso il doppio

strato;

 funzionano da recettori, quindi rilevando segnali chimici all’esterno e

trasmettendoli all’interno;

 funzionano come enzimi che catalizzano reazioni di membrana

Possono essere associate alla membrana in diversi modi:

1. disposte attraverso il doppio strato, sporgendo quindi da entrambi i lati.

Sono chiamate proteine transmembrana e sono anfipatiche;

2. interamente nel citosol e associate al foglietto citosolico mediante



un’elica che si vede sulla superficie della proteina;

3. interamente fuori dal doppio strato lipidico e ancorate alla membrana

con solo uno o due gruppi lipidici;

4. legate l’una all’altra faccia della membrana.

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Le proteine la cui unione con il doppio strato lipidico è diretta sono dette

proteine integrali di membrana, al contrario vengono definite proteine di

membrana periferiche.

Il cortex

Quasi tutte le membrane cellulari possiedono un’inbtelaiatura proteica che le

è collegata alle proteine trasmembrana, il cortex.

Il cortex studiato più a fondo è stato quello deei globuli rossi, formato

principalmente da spettrina, proteina di forma allungata. Se questo reticolo

presenta anomalie, nel caso dei globuli rossi si presenta l’anemia, dove

questi presentano forma sferica invece che appiattita e sono in numero

inferiore rispetto al normale.

Le cellule sono in grado di confinsre determinati tipi di proteine in zone

precise della cellula che sono dette domini di membrana.

La superficie della cellula è rivestita di carboidrati che formano uno strato

chiamato glicocalice.

TRASPORTO DI PARTICELLE

Il trasporto delle molecole dipende da proteine di membrana specializzate

che sono in grado di creare passaggi attraverso la membrana.

A fare questo possono essere trasportatori, canali o canali ionici.

Principi del trasporto di membrana

Sappiamo che l’interno idrofobo della cellula blocca il passaggio a molte

molecole idrofile; sappiamo anche però che cellule e organelli devono

permettere il passaggio di molecole idrofile solubili in acqua, ioni, zuccheri,

amminoacidi, nucleotidi e metaboliti.

Sono molecole che non possono attraversare lo strato per diffusione

semplice poiché sarebbe un processo troppo lento, è necessario l’intervento

di proteine specializzate attraverso un processo detto trasporto facilitato.

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La velocità di diffusione varia a seconda della dimensione e della solubilitò

della molecola. Più una molecola è piccola e idrofoba, più la sua diffusione

sarà rapida.

1. Piccole molecole non polari si sciolgono facilmente nei doppi strati

lipidici e quindi attraversano velocemente per diffusione;

2. Molecole polari prive di carica diffondono abbastanza rapidamente

attraverso i doppi strati a patto che siano rela