Appunti biologia

Acidi nucleici

Sono materiali molto abbondanti del nucleo della cellula con caratteristica acida. Sono grandi polimeri formati da monomeri più semplici detti nucleotidi.

Nucleotidi

Formati da tre parti:

• Composto ciclico contenente azoto base azotata, possono essere di 5 tipi:
  • Purine (più grandi): Adenina e Guanina
  • Pirimidine (più piccole): Timina/Uracile, Citosina
• Monosaccaride formato da 5 atomi di carbonio:
  • Ribosio (-OH) nell’RNA
  • Desossiribosio (-H) nel DNA
• Acido fosforico

DNA vs RNA

Perché hanno un nucleotide diverso? Perché c’è RNA in uno e DNA nell’altro? Il primo organismo vivente strutturalmente era fatto di RNA che può sia svolgere funzioni come proteine sia fungere da molecola nutrizionale. Prima quindi c’era l’uracile e il ribosio mentre il DNA nasce dopo. Mentre l’RNA partecipa attivamente alla sintesi delle proteine si occupa quindi di “costituire” il DNA invece come un “manuale” ci dà le informazioni per costruire tramite le proteine un organismo.

Le informazioni però vengono copiate più volte ma copiando la singola informazione molte volte è facile introdurre degli errori, può anche essere rotta; infatti il DNA si rompe in continuazione, è per questo necessario proteggerla per evitare che incorra in trasformazioni. L’uracile viene così sostituito dalla timina perché la citosina ha la tendenza a perdere un gruppo amminico diventando identica all’uracile. (NH₂)

Se nel DNA abbiamo l’uracile e la citosina è difficile distinguere quale è sempre stata uracile, se invece mettiamo timina sappiamo subito che se c’è uracile questo è una citosina trasformata. In questo modo è molto più facile individuare gli errori, questo scambio stabilizza l’informazione. Se sostituiamo anche il ribosio con il desossiribosio la molecola diventa ancora più stabile, con nessuna possibilità di modifica.

ATP

ATP = Adenosintrifosfato. Oltre ad essere un reagente necessario per la sintesi dell’RNA è usato anche come “combustibile” per reazioni che avvengono all’interno della cella che richiedono energia.

Sintesi degli acidi nucleici

I nucleotidi non esistono come molecole funzionali singole, ma devono essere legati tra loro attraverso il legame fosfodiesterico. Tutti gli acidi nucleici hanno come unica modalità di sintesi 5’-3’. Tutti i processi che riguardano il DNA hanno un ordine di lettura, dal 5’ al 3’. Gli atomi di carbonio nella molecola di zucchero vengono numerati per distinguerli dagli atomi delle basi. Il gruppo ossidrilico 5’ di una unità nucleotidica è legato al gruppo 3’ di quella successiva. Estremità 5’ e 3’ non sono impiegati da un legame fosfodiesterico. I gruppi carbossilici presenti al carbonio 5’ e 3’ si legano al gruppo fosfato che funge da ponte tra un nucleotide e l’altro. Tutti i nucleotidi vengono legati così fosfato – zucchero – fosfato – zucchero. Questa alternanza viene chiamata scheletro del DNA mentre le basi azotate danno l’informazione.

Struttura del DNA

Ma il DNA non esiste come singolo filamento (tranne che nei virus) bensì come doppia elica, tutti gli organismi hanno nel loro genoma la doppia elica. La doppia elica infatti soddisfa i due requisiti che una molecola deve soddisfare:

• Stabilità
• Semplicità di copiatura

Il modello a doppia elica viene proposto per la prima volta nei primi anni 50, 1953 da James Watson e Francis Crick ma grazie anche all’importante contributo di una donna, Rosalind Franklin, purtroppo però solo Watson e Crick ricevettero il Nobel per la medicina in quanto Rosalind morì prima dell’assegnazione del premio. Furono i primi a decifrare la struttura del DNA.

La doppia elica ha una struttura relativamente semplice in quanto la si può vedere come una scala a pioli. Alternanza zuccheri/fosfato sta all’esterno mentre le basi sono sempre all’interno, le basi formano i pioli e per fare un gradino ogni base piccola è associata ad una base grande. Tutto il DNA ha lo stesso numero di basi pirimidiniche e puriniche perché i pioli della scala devono essere tutti della stessa lunghezza. La doppia elica è formata da due filamenti di DNA antiparalleli e complementari. 5’ e 3’ sono le direzioni opposte. In uno c’è sempre 5’ da un lato e nell’altra 3’. Se quindi conosciamo la base azotata e un filamento dobbiamo conoscere anche l’altra che non è identica ma complementare.

C’è questa restrizione selettiva negli appaiamenti perché ci sono dei legami deboli che fanno stare assieme tutto, per stare in piedi dal punto di vista energetico creiamo dei legami deboli, legami idrogeno, nel numero previsto dall’appaiamento. La lunghezza del DNA di ogni singola cellula è di circa 2 metri. Il processo che rompe la doppia elica si chiama denaturazione, si può ottenere alzando la temperatura a 60° per esempio e dividendo le 2 eliche. I nucleotidi impilati uno sull’altro formano dunque interazioni deboli di Wan der Walls. Questa particolare struttura del DNA ci permette di trasmettere l’informazione con meno errori possibili e di riparare errori/danneggiamenti che può subire nel corso della vita. Tutta l’instabilità del DNA comunque ha permesso l’evoluzione dal batterio fino all’uomo sapiens.

Solco minore e maggiore

• Solco minore
• Solco maggiore: molto più facile da decifrare, qui avvengono molti contatti tra proteine e DNA; l’appaiamento selettivo tra basi assicura che i due appaiamenti siano complementari.

Genoma umano

I geni presenti nell’uomo (Y) non sono fondamentali perché le donne non li hanno e riescono comunque a sopravvivere. Si stanno sequenziando anche le malattie, il sequenziamento di un individuo si può fare in 2 giorni. Gli atleti migliori hanno delle sequenze particolari che li rendono più adatti. Quando è stato sequenziato il genoma è stato scoperto che l’uomo ha circa 20 mila geni. Si pensava che ci fosse del DNA spazzatura, piano piano si scoprì che è difficile identificare il DNA che non serve. All’interno del nostro DNA possiamo codificare:

• DNA codificanti 4% che alla fine troviamo nelle proteine
• DNA non codificanti
• Sequenze ripetute che hanno il ruolo di organizzazione strutturale del genoma

Telomeri e cromosomi

• Telomeri: estremità dei cromosomi formate da sequenze di basi azotate.
• Cromosomi: Strutture organizzate di DNA e proteine che si trova nelle cellule. Noi abbiamo i cromosomi liberi, anche se alcune specie hanno i cromosomi circolari (per esempio i batteri). Nell’evoluzione prima c’era il cromosoma circolare, ma ha un limite di dimensione; quello lineare invece può diventare molto lungo. Il passaggio da cromosoma circolare a lineare è stata una sfida per il mantenimento dell’informazione.

RNA

È una sequenza nucleotidica specificata da un particolare segmento di DNA detto gene. Il processo prende il nome di TRASCRIZIONE e porta alla formazione di RNA. La maggior parte dell’RNA è a singola elica anche se ci possono essere alcuni tratti a doppia elica. L’RNA ha una struttura molto varia. Se l’RNA è esclusivamente a doppia elica è spesso indice di un problema, infatti le nostre cellule interpretano questo come un’infezione virale e producono una forte risposta che spesso porta alla morte dell’intera cellula. I virus solitamente possiedono l’RNA a doppia elica come il Rhinovirus (virus del comune raffreddore) noi quindi nel nostro corpo siamo pieni di enzimi che distruggono l’RNA in quanto tanti virus sono da esso composti.

Noi siamo fatti di cellule EUCARIOTE mentre i batteri sono PROCARIOTI.

Tipi di RNA

• 4% dell’RNA codificante, contiene cioè le informazioni per costruire le proteine, passa in uno stato di precursore e da qui formerà l’mRNA.
• 96% dell’RNA non codificante, non serve a produrre proteine ma è più o meno sempre coinvolto nel normale processo di sintesi delle proteine.

RNA complesso

Sono presenti solo negli organismi più complessi:

• snRNA
• snoRNA
• scRNA
• mRNA

mentre vRNA e tRNA si trovano in tutti gli organismi.

Ribosoma

Sono costituiti da circa 80 proteine e RNA ribosomiali diversi. Le doppie eliche che si formano nell’RNA sono segmenti molto piccoli formati da circa una decina di nucleotidi ma molto importanti per la struttura della molecola.

Proteina

È formata da tanti aa legati da legami peptidici. Deriva da un’informazione che arriva dall’RNA ma poi viene tradotta in AA che poi nel ribosoma si sviluppano. Sono polimeri di AA. (circa 20) AMMINOACIDI: formati da un carbonio (C) legato a un gruppo amminico (NH₂) e un gruppo carbossilico (COOH), idrogeno a catena laterale.

Tipi di amminoacidi

In natura ci sono 20 AA diversi.

• Con gruppo R non polare (apolari, idrofobici)
  • Glicina
  • Alanina
  • Prolina
  • Valina
  • Leucina
  • Isoleucina
  • Metionina
  • Fenilalanina
  • Triptofano
• Con gruppo R polare (senza carica)
  • Serina
  • Treonina
  • Cisteina
  • Asparagina
  • Glutammina
  • Mirosina
• Con gruppo R carico positivamente
  • Lisina
  • Arginina
  • Istidina
• Con gruppo R carico negativamente
  • Aspartato
  • Glutammato

Strutture proteiche

• Struttura primaria dipende dalla sequenza degli amminoacidi (si risale attraverso il DNA).
• Struttura secondaria determina la posizione α elica o foglietto β in base a che legame si forma con l’amminoacido vicino.
• Struttura terziaria si dimostra sperimentalmente, determina nelle 3 dimensioni qual è la struttura di un pezzo di proteina.
• Struttura quaternaria mostra esattamente le interazioni fra i diversi pezzi o sub-unità determinanti la struttura terziaria a mostrare un complesso multi-proteico.

Cellula

Unità minima in grado di dare origine a una progenie. La cellula è l’unità base di tutti gli organismi viventi; noi siamo fatti da un numero infinitamente grande di cellule in continuo rinnovo.

Tipi di cellule

• Procarioti: batteri
• Eucarioti:
  • Monocellulari: lievito
  • Pluricellulari: animali

Il virus non è una cellula, in quanto essa è l’unità minima in grado di dare origine a progenie mentre il virus non è capace di dare origine ad altri virus se isolato, deve penetrare dentro la cellula ed usare i meccanismi di quest’ultima. Sono incompleti perché devono usare organismi presenti in altre cellule. Esistono sia negli eucarioti (virus del raffreddore per esempio) sia tra i procarioti (nei batteri i fagi).

Sei regni

• Monere (batteri archeti) PROCARIOTI
  • Eubatterio
  • Archibatteri
• Protisti EUCARIOTI
• Piante EUCARIOTI
• Funghi EUCARIOTI
• Animali EUCARIOTI

Procarioti ed eucarioti

Procarioti ed eucarioti hanno progenitore comune. C’è stato un progenitore comune fatto di RNA che poi ha dato origine a un’evoluzione strutturata da cui si sono sviluppate poi cellule sempre più raffinate. I batteri hanno la dimensione di circa 3µm mentre una cellula può essere grande da un minimo di 10µm a 100µm. I batteri sono divisi in 2 grandi raggruppamenti in onore di un batteriologo:

• Gram+
• Gram-

La differenza tra i due è data principalmente da una diversa composizione della parete cellulare nei gram+ costituita da molti strati di peptidoglicani uniti tra loro da AA mentre nei gram- è costituita da un solo strato di Peptidoglicani ricoperto da una spessa membrana esterna di fosfolipidi.

Peptidoglicani

È una lamina resistente presente solo nei batteri e conferisce rigidità alla parete cellulare, è responsabile della colorazione dei gram dei batteri. Infatti presenta una struttura con molti pori che a seconda del tipo di batterio si aprono e chiudono con la conseguenza di intrappolare o lasciare defluire il colorante. Quindi una differente composizione della parete cellulare porta ad una differente colorazione. I gram+ quindi si colorano proprio perché possiedono una spessa parete cellulare mentre i gram- hanno sopra lo strato peptidico una membrana esterna.

Organismi eucariotici

Gli organismi eucariotici unicellulari (es lievito di birra) hanno come unico impegno quello di mangiare, crescere e dividersi; mentre un organismo eucariota pluricellulare svolge, oltre a queste, altre funzioni. Per gli organismi eucarioti pluricellulari dobbiamo risolvere il problema di istruire la cellula a svolgere azioni e funzioni diverse, questo processo prende il nome di differenziamento ed è una prerogativa degli eucarioti pluricellulari.

Tutti gli organismi originano da una cellula che è l’uovo fecondato che prende il nome di zigote. (cellula totipotente da essa si può ricavare qualsiasi tipo di tessuto). Da questa cellula noi organizziamo tutto l’organismo vivente. Man mano che il processo si sviluppa e va avanti si formano una serie di cellule tutte uguali anche all’interno della blastocellula. Poi si va a specializzare, si instaura un processo attraverso il quale dalla massima capacità di fare ogni cosa le cellule fanno delle scelte e così perdono la capacità di fare altre cose. Un percorso inverso in termini di capacità.

Il neurone infatti per esempio può fare solo alcune cose mentre l’embrione nelle sue prime fasi, come quella dello zigote, possiede cellule totipotenti. In realtà anche nell’uomo adulto vengono conservate alcune cellule totipotenti con lo scopo di rinnovare il tessuto, alcune cellule staminali fanno la rigenerazione muscolare, midollo osseo (staminali emopoietiche) tessuto adiposo ecc.

Differenziamento cellulare

Chi dice alla cellula quale azione svolgere (cioè per esempio, diventare neurone)? Ci sono dei segnali che accendono alcuni geni e ne spengono altri dicendo in che tipo di cellula si trasformerà quella in esame. Es: neurone e linfocita queste due cellule sono molto diverse tra loro ma possiedono lo stesso DNA. La differenza sostanziale è che i geni che hanno accesi sono differenti. I geni sono accesi o spenti in base anche alle relazioni con fattori esterni che li influenzano creando adattamenti. L’informazione genetica non viene mai persa, è tutta una questione di riprogrammazione nel DNA delle cellule adulte non c’è perdita di informazione.

Cellule che ci appaiono molto diverse hanno in realtà lo stesso DNA.

Pecora Dolly

Non è richiesto nessun procedimento sessuale né la presenza di genitori. La cellula adulta viene privata del nucleo che viene asportato nel citoplasma a sua volta privo di nucleo della cellula uovo di un'altra pecora, riuscendo così a formare un organismo del tutto identico a quello che ha fornito il DNA.

Interno di una cellula

Procariote non ha nucleo, eucariote ha un vero nucleo. In realtà però le differenze sono molto più ampie: negli eucarioti c’è la compartimentalizzazione, ci sono zone diverse, organelli ognuno con funzione specifica.

Organelli cellulari

• Nucleo: sintesi DNA e RNA
• Mitocondri: fosforilazione ossidativa, generazione ATP
• Reticolo endoplasmatico liscio: sintesi di lipidi
• Reticolo endoplasmatico rugoso: sintesi glicoproteine
• Apparato di Golgi: direziona le membrane ed i suoi componenti in specifici siti della cellula
• Perossisomi: metabolismo del perossido di idrogeno
• Lisosomi: degradazione di proteine, lipidi, acidi nucleici
• Citosol: ambiente nel quale sono immersi tutti questi organelli. È una soluzione dove il solvente è l’acqua il soluto è DNA, proteine. Trasmissione segnali, maturità, citoscheletro.

Membrana cellulare

La membrana cellulare non è completamente isolata dall’ambiente esterno, deve restare in rapporto con esso capendo cosa succede fuori e comportandosi di conseguenza. Questo lo può ottenere con delle proteine sulla membrana chiamati recettori.

Alcuni materiali all’esterno devono entrare e sono necessari dei materiali che permetteranno questo passaggio perché la cellula ha una membrana semipermeabile. Tutto il movimento di una cellula è poi legato al movimento di proteine specifiche a livello della plasmomembrana.

Fosfolipidi

Questa funzione di barriera, della plasmomembrana è conferita dai fosfolipidi. Fosfolipidi: molecole anfipatiche che derivano da molecole completamente idrofobiche il trigliceride. (usa uno zucchero di glicerolo) Per passare dal trigliceride al fosfolipide si toglie un acido grasso e lo si aggiunge al gruppo fosfato. Ce ne sono tantissimi gruppi diversi. Sono anfipatiche in un ambiente acquoso si distribuiscono in maniera organizzata simile con simile; se ne abbiamo poche micelle se ce ne sono tante formano una struttura planare formando una zona idrofobica dove anche l’acqua ha difficoltà a passare. I trigliceridi non sono solubili in acqua. Il fosfolipide si può rappresentare con due gambe dritte o con una dritta e l’altra storta (nel caso degli insaturi). I fosfolipidi possono anche avere acidi grassi saturi o insaturi, il ripiegamento della gamba ha una conseguenza, mi occupa più spazio; infatti in uno spazio con tanti fosfolipidi insatura ho molto meno spazio libero.

Colesterolo

Il colesterolo è un lipide ed è un altro costituente delle membrane. È una catena di carboni e un gruppo –OH. È un importante costituente delle membrane nonché l’elemento di partenza per creare gli ormoni steroidei.