Appunti Biologia

La biologia

La biologia è la scienza che studia la vita, quindi gli organismi viventi. Questi sono caratterizzati da:

• Organizzazione cellulare
• Metabolismo, divisibile in: catabolismo, ovvero reazioni chimiche che permettono di trasformare sostanze complesse in semplici con produzione di energia; anabolismo, cioè da sostanze semplici a sostanze complesse con consumo di energia.
• Istruzioni chimiche: contenute nella molecola di DNA
• Riproduzione: capacità di generare altre cellule, una progenie
• Sviluppo: un uovo fecondato si divide in molte cellule che alla fine danno origine a un adulto
• Adattamento all’ambiente: al fine di mantenere l’omeostasi, cioè una condizione stazionaria interna, grazie a risposte che compensano i cambiamenti all’ambiente esterno
• Evoluzione

Organizzazione cellulare

La cellula rappresenta l’unità biologica fondamentale, tant'è vero che tutti i meccanismi patologici hanno base sul malfunzionamento della cellula. In questo senso gli organismi si dividono in:

• Unicellulari: formati da una singola cellula che autonomamente presenta tutte le caratteristiche (es.: batteri e protozoi)
• Pluricellulari: divisi in animali e vegetali, sono organismi che dipendono dall’organizzazione di più tipologie di cellule, che vivono in gruppi coordinati interdipendenti; non possono quindi sopravvivere da sole.

Le caratteristiche comuni di organismi unicellulari e pluricellulari sono:

• Membrana plasmatica, che delimita la cellula, regola il passaggio in ingresso e in uscita delle molecole e permette la comunicazione cellulare.
• Citoplasma, l’ambiente interno della cellula, è una matrice semifluida contenente elementi inorganici (acqua, zuccheri, proteine, AA) e complessi sopra-macromolecolari (ribosomi).
• Nucleoide (nei procarioti) o Nucleo (negli eucarioti) rappresenta la regione citoplasmatica contenente il materiale genetico, cioè il DNA.

Procarioti ed eucarioti

In base alla presenza di un nucleo, cioè una porzione di citoplasma delimitata da membrana contenente DNA, le cellule si distinguono in:

• Procarioti, quelle cellule non aventi nucleo ma nucleoide.
• Eucarioti, cellule aventi il nucleo.

Macromolecole biologiche

Necessarie alla cellula sono le macromolecole biologiche o biomolecole: proteine, lipidi, acidi nucleici e carboidrati. Le biomolecole sono composte principalmente da atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Esse hanno la struttura di polimeri organici, cioè sono il risultato dell’unione sequenziale di unità più semplici, detti monomeri, uniti da legami covalenti molto forti.

Proteine

Le proteine hanno il monopolio funzionale, ovvero tutte le funzioni dipendono dalla loro presenza. Il monomero che le costituisce sono gli amminoacidi, che sono in 20 tipi diversi. Gli amminoacidi sono uniti da un legame peptidico. La sequenza, combinata diversamente in ogni proteina, rappresenta la struttura primaria.

Solo con questa la proteina non è in grado di funzionare. Essa è geneticamente predeterminata, cioè le informazioni sono determinate dalla corrispondente sequenza di DNA.

L’amminoacido rappresenta la struttura portante (sempre la stessa), ma le proteine hanno diverso gruppo funzionale. Ogni AA presenta un gruppo amminico NH2 a sinistra e un gruppo carbossilico COOH a destra. Durante la sintesi proteica, la parte N-terminale emerge subito: a questa corrisponde una breve sequenza di amminoacidi.

La catena polipeptidica si ripiega nello spazio ad assumere una conformazione spaziale: così diventa funzionante. Questa conformazione si chiama struttura secondaria, che può essere in due modi diversi. Se la catena si avvolge attorno ad un immaginario asse centrale, allora sarà ad alfa elica; se due catene interagiscono tra loro assumendo un andamento a zig zag, allora si avrà il foglietto beta pieghettato.

Le proteine con S2 hanno una funzione strutturale, di resistenza meccanica; quindi delle proprietà elastiche. Saranno proteine fibrose (esempi collagene, cheratina, fibrina, elastina, che fanno parte dei tessuti; oppure la tubulina, che fa parte dei microtubuli del citoscheletro). Un ulteriore ripiegamento determina la struttura terziaria. In questo caso le proteine sono globulari, le cui funzioni sono di: trasporto (metalli, lipidi, membrana), deposito (ferratina), immunitaria (anticorpi), comunicazione (recettori e ormoni), regolazione, tossine, catalisi (enzimi).

Se 4 catene polipeptidiche si associano tra loro, si ha la struttura quaternaria. Un esempio ne è l’emoglobina, che è una proteina coniugata, cioè è composta oltre che da amminoacidi da gruppi prostetici (nel caso dell’emoglobina gruppo eme).

Le proteine possono quindi essere divise in semplici (composte da soli AA) e coniugate (AA+gruppo prostetico). Tra queste ultime ci sono le glicoproteine, lipoproteine, eminiche e metalloproteine.

La relazione tra la struttura e la funzione è quindi importante; molte malattie sono infatti dovute al difettoso ripiegamento di una proteine. Ad esempio, l’Alzheimer e l’encefalopatia spongiforme. In quest’ultimo caso, le proteine non sono più in grado di raggiungere la loro struttura funzionale e tendono a formare grandi aggregati. Nell’encefalopatia spongiforme bovina, l’agente proteico sbagliato è il prione, che abbiamo nel SNC con una certa conformazione: questo può modificare il suo folding e a contatto con proteine normali induce in queste un cambiamento simile, quindi produce la morte della cellula.

Il prione rappresenta quindi un agente infettivo che può dare una patologia.

Gli enzimi

Sono catalizzatori della reazione chimica. Infatti le reazioni sarebbero troppo lente, non compatibili con la vita. Gli enzimi servono quindi a consentire le reazioni chimiche, abbassando l’energia di attivazione che i reagenti devono superare per trasformarsi in prodotti. Gli enzimi fanno sì che i reagenti possano raggiungere la condizione di prodotti.

Infatti nell’enzima è presente un sito attivo o catalitico, che lega i reagenti in maniera specifica. I reagenti sono definiti substrati, che si legano alla propria porzione di competenza nel sito. I due reagenti si incontrano quindi nel sito attivo dell’enzima. I prodotti non avranno più specificità per il sito arrivo e quindi saranno rilasciati. Questo meccanismo è detto chiave-serratura (esempio ligasi e polimerasi).

Alcuni enzimi hanno bisogno di cofattori, che possono essere fatti da specie chimiche semplici, come ioni metallici; oppure da molecole complesse: allora si parlerà di coenzimi (esempio vitamine). Anche altre molecole svolgono funzione catalitica, come i ribozimi, cioè RNA con funzione appunto catalitica.

Acidi nucleici

I monomeri che li costituiscono sono i nucleotidi, uniti dal legame fosfodiesterico. Gli acidi nucleici sono DNA e RNA. Il nucleotide è formato da tre componenti:

• Base azotata: sono varie raggruppabili in base alle dimensioni: purine sono le più grandi: adenina e guanina; pirimidine più piccole: citosina, timina, uracile. Rappresentano la parte variabile del nucleotide (DNA: AT CG; RNA: AU CG).
• Zucchero pentoso: zucchero con 5 atomi di carbonio. Desossiribosio nel DNA, ribosio nel RNA. Al 3’ c’è un gruppo OH in entrambi, perché è impegnato nella formazione del legame.
• Gruppo fosfato: deriva da H₃PO₄, cioè acido fosforico, carico negativamente, quindi acido.

Si parla di direzionalità in base al modo in cui si dispongono i nucleotidi. 5’P-> 3’OH La catena polipeptidica ha inizio e fine. Il primo nucleotide ha il 5’P libero; la parte terminale ha il gruppo OH 3’ libero. Quindi l’allungamento ha tale direzione, cioè si attacca al 3’ OH. Quindi anche l’enzima funziona in direzione 5’->3’ letta sul filamento in fase di sintesi. Nella catena c’è quindi una parte invariante e una parte variabile.

La struttura di DNA e RNA è diversa. RNA è formato da una singola catena peptidica 5’->3’; esistono vari tipi: mRNA, tRNA, rRNA (sintesi proteica); citoplasmatici, nucleari, miRNA (regolano espressione genetica). Il DNA è una molecola a doppia elica, formata da due catene polipeptidiche disposte ad alfa elica.

Grazie alle interazioni tra basi azotate, possono interagire attraverso ponti a idrogeno, che sono interazioni singolarmente deboli ma che insieme rendono la struttura stabile. Le basi seguono la regola della complementarietà delle basi, quindi l’appaiamento è specifico: 1 purina + 1 pirimidina.

Secondo il modello Watson e Crick, i due filamenti sono disposti antiparallelamente, proprio perché le basi interagiscono. La molecola è caratterizzata da estrema stabilità, tanto che può mantenersi fino a 15 minuti a 90 gradi. Il DNA ha le funzioni di:

1. Trattenere le informazioni sotto forma di tratti specifici, cioè geni, per produrre le proteine (attraverso mRNA).
2. Ereditarietà: può infatti duplicarsi per essere trasmesso di generazione in generazione.

Carboidrati

I monomeri sono i monosaccaridi, che sono:

• Glucosio, che è il più rappresentato. È l’unico zucchero che alimenta il tessuto nervoso.
• Galattosio
• Fruttosio
• Ribosio
• Desossiribosio

Questi sono uniti dal legame glicosidico. Sono classificati in:

• Disaccaridi: formati da 2 monosaccaridi
• Oligosaccaridi: da 3 a 10 unità
• Polisaccaridi: più di 10 unità di glucosio. Tra questi ci sono amido, cellulosa (funzione strutturale), glicogeno, chitina, galattosommina.

I carboidrati hanno importanza biologica perché costituiscono i glicolipidi e le glicoproteine. Tra le funzioni ci sono infatti:

• Riconoscimento cellula-cellula
• Smistamento delle proteine citoplasmatiche
• Antigeni di membrana dei gruppi sanguigni nei sistemi AB0 ed RH (permettono l’attivazione del sistema immunitario)

Lipidi

Sono una classe eterogenea caratterizzata da insolubilità in acqua, affinità per i solventi apolari. I trigliceridi, lipidi più semplici costituiti da glicerolo al quale si legano 3 molecole di acido grasso, rappresentano una riserva di energia. Zuccheri e lipidi sono le molecole più importanti da cui il nostro corpo ricava energia. Gli adipociti sono le cellule del tessuto adiposo dove si accumula il trigliceride.

Tra i lipidi ci sono i fosfolipidi e i sfingolipidi (dove il glicerolo è sostituito da sfingosina). I fosfolipidi sono molecole anfipatiche, cioè composte da una testa (Molecola polare + gruppo fosforico) fortemente polare, che ha affinità per l’acqua, e due code (glicerolo + acidi grassi) idrofobe apolari, che hanno affinità per i lipidi. Messi in ambiente acquoso, essi si dispongono in un doppio strato fosfolipidico in cui le teste sono rivolte verso l’ambiente acquoso e le code sono all’interno, vicine tra loro. Rappresentano l’elemento portante delle membrane cellulari.

In base alla presenza di doppi legami, gli acidi grassi sono divisi in:

• Saturi, se non ci sono doppi legami
• Insaturi, se ci sono da 1 a 6 doppi legami.

La presenza di doppi legami definisce il grado di saturazione e fluidità della membrana. Gli steroidi sono molecole complesse derivanti dal colesterolo, che contribuisce, qualora presente in condizioni fisiologiche, alla fluidità della membrana. Possono essere ormoni, quali cortisolo e ormoni sessuali maschili e femminili (testosterone ed estrogeni); oppure vitamina D, che è attivata a livello della pelle dalle radiazioni ultraviolette ed è fondamentale per il metabolismo delle ossa.

Bioelementi

Sono composti da ossigeno, idrogeno, carbonio e azoto, elementi più abbondanti; ci sono calcio, fosforo, potassio, zolfo, cloro, magnesio, ferro; più elementi in traccia, ad esempio lo iodio. Una carenza di quest’ultimo nella dieta influisce sulla funzione della tiroide, che produce ormoni che regolano metabolismo e crescita.

Cellula procariotica

La cellula procariotica non possiede nucleo, ma contiene un nucleoide, cioè una regione di citoplasma che contiene il DNA genomico o batterico, ma non è delimitata da membrana. Sono detti procarioti quegli organismi con organizzazione cellulare procariotica, essi hanno una grande capacità di adattamento. Essi si identificano grossomodo con i batteri, organismi unicellulari, ovvero in cui una cellula si comporta come un intero organismo. Questi si dividono in:

• Eubatteri (o propriamente detti): sono il gruppo più numeroso, distribuiti in tutto l’ambiente che ci circonda, di cui una piccola parte è patogena. Si dividono in:
  • Micoplasmi, che mancano della parete cellulare.
  • Cianobatteri, che hanno proprietà fotosintetiche.
• Archebatteri: molto antichi, sono in grado di sopravvivere anche in ambienti ostili.

Esiste una molteplicità di forme, ma possono essere divisi in:

• Cocchi (sferica)
• Bacilli (allungata)
• Spirilli (a spirale)

Sono tutti organismi unicellulari, ma possono associarsi in gruppi, pur mantenendo ogni individuo la propria autonomia.

• Se si dispongono a catenella -> streptococco.
• Se si dispongono a grappolo -> stafilococco.

Hanno dimensioni estremamente piccole, da 0,3 a 2 micrometri. Sono quindi più piccole delle cellule eucariotiche. Naturalmente i batteri avranno un’organizzazione molto semplice.

Essi possiedono una membrana plasmatica, involucro di contenimento del citoplasma che ha una struttura a doppio strato fosfolipidico. In alcuni punti essa si introflette nel citoplasma a costituire il mesosoma la cui funzione, nei batteri con metabolismo aerobio, è di ospitare gli enzimi deputati alla respirazione cellulare e di facilitare la corretta distribuzione delle molecole di DNA quando il batterio si divide.

Il processo di divisione batterica è la scissione binaria, in cui la cellula raddoppia il suo DNA e tutto il suo interno, poi si divide in due cellule figlie. All’interno della membrana, nel citoplasma, sono presenti:

• DNA, contenuto nel nucleoide. Il genoma batterico consiste in una singola molecola circolare nuda, cioè non associato a proteine.
• Ribosomi, necessari per la sintesi proteica.
• Enzimi funzionali al metabolismo, produzione proteine.

All’esterno della membrana c’è la parete cellulare, che fornisce sostegno, protezione, e conferisce la forma al batterio. È composta da una molecola complessa, il peptidoglicano, su cui si basa la tecnica di “colorazione di Gram”: se il colore del batterio è blu, sarà gram-positivo, se invece è rosa, sarà gram-negativo. Questa colorazione è importante perché si è visto che i batteri gram-negativi sono solitamente patogeni. Laddove in un materiale biologico quale un tampone faringeo o simili si riscontrano batteri gram-negativi, quindi rosa, ciò è indicativo dal punto di vista clinico di un batterio patogeno.

Fuori dalla parete cellulare in alcuni batteri si può avere un ulteriore rivestimento, la capsula. È un rivestimento gelatinoso, in grado di assorbire molta acqua, pertanto in grado di proteggere il batterio stesso ad esempio dall’essiccamento. Per alcune specie patogene, a lv delle quali è presente la capsula, sembra che essa svolga una funzione di difesa dal sistema immunitario, è quindi un meccanismo che ne aumenta la patogenicità. Questo significa che il batterio patogeno può invadere un ospite perché il sistema immunitario non lo riconosce come estraneo grazie alla presenza della capsula di rivestimento.

Sono dotati inoltre di locomozione, quindi caratterizzate da strutture formate dalla proteina flagellina, che sono pertanto dette flagello, un singolo e lungo prolungamento. Alcuni batteri nel citoplasma presentano il plasmide, che è una molecola circolare di DNA genomico aggiuntiva, che si replica indipendentemente da esso, in grado di conferire resistenza agli antibiotici. I batteri si riproducono rapidamente e sono adatti e versatili a vivere in qualsiasi ambiente.

Gli antibiotici

L’antibiotico è una sostanza chimica prodotta naturalmente da microorganismi, inclusi i batteri. Il nostro antibiotico “progenitore” è la penicillina, che fu scoperta ed estratta nel 1929 da un fungo da Flaming Chase. Dall’etimologia anti-bios, capiamo che servono ad impedire la crescita di altri organismi. Esiste infatti una competizione tra diverse specie batteriche, per cui quando l’ossigeno o i nutrienti cominciano a scarseggiare, una cerca di uccidere l’altra. Una delle due specie batteriche quindi produce l’antibiotico, volto ad uccidere la specie concorrente che però produce una proteina che sia un grado di inattivare l’antibiotico.

Il plasmide è colui che contiene informazioni necessarie per la produzione di queste proteine. Gli antibiotici sono efficaci per i batteri, ma non per i virus, che non sono degli organismi viventi e vengono debellati dal nostro sistema immunitario. Gli antibiotici non agiscono solo contro i patogeni, ma anche contro i non patogeni. Infatti quando assumiamo gli antibiotici uccidiamo anche la nostra flora batterica dell’intestino. Infatti, accanto ad una terapia antibiotica, si ricorre anche alla somministrazione di proteine.

Per fare in modo di somministrare un antibiotico che sia efficace, si ricorre all’antibiogramma se, dopo aver preso l’antibiotico, il problema persiste: se ne cerca uno più specifico. Si esegue quindi un tampone faringeo; in laboratorio viene fatto crescere lo stantuffo in particolari liquidi, che diventano torbidi. Questo avviene in diversi tubetti, in cui si usano antibiotici diversi. In quello giusto ed efficace per quel batterio, il liquido torna ad essere limpido. L’antibiogramma serve quindi a valutare in maniera specifica quale antibiotico serve a debellare un batterio.