Appunti corso biologia applicata, primo semestre

Biologia lunedì 4 novembre 2019

Introduzione alla biologia

Biologia

Studio della materia vivente e dei rapporti tra l’ambiente e l’individuo. Per ambiente

si intende sia quello fisico che quello biologico, ovvero l’insieme dei viventi che

coesistono in un’area geografica.

Questa scienza viene studiata su varie scale:

Scala molecolare: biochimica, genetica…

• Scala cellulare: citologia…

• Scala multi-cellulare: fisiologia, anatomia, istologia…

• Scala di popolazione: etologia…

• Scala di multi-specie: sistematica…

• Scala ambientale: ecologia…

•

Organismo vivente

Un essere vivente è un sistema cellulare aperto, in grado di autoriprodursi,

attraversato da flussi di materia, energia, di informazioni per la crescita, lo sviluppo

e la conservazione. Esso è in grado di evolversi, adattandosi alle condizioni

ambientali. La complessità della materia vivente si ripete sistematicamente in tutti

gli individui di una specie. Essa è dettata dalle molecole di DNA che contiene

l’informazione genetica.

Le principali proprietà caratteristiche sono:

Nutrizione: capacità di modificare sostanze per ricavarne energia.

• Riproduzione: capacità di generare progenie.

• Sviluppo: inteso come aumento di massa.

• Continuo rinnovamento della propria struttura.

• Capacità di compiere reazioni chimiche: catabolismo e anabolismo.

• Reazione agli stimoli.

•

Acidi nucleici

A. DNA: doppio filamento

1

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I I

3 5

B. RNA: singolo filamento tRNA

mRNA rRNA

tRNA

Il DNA si trova in tutte le cellule e l’informazione genetica è codificata nello stesso

modo in tutti gli organismi (unitarietà nella diversità).

Nucleotide

Base azotata: adenina, guanina, citosina, tinia, uracile.

•

A+T C+G (DNA) A+U C+G (RNA) teoria della complementarietà

Zucchero: desossiribosio (DNA)/ribosio (RNA)

• Fosfato

•

Teoria evoluzionistica

Viene enunciata da Darwin nel 1859 ne “sull’origine delle specie per selezione

naturale”. Ne ricaviamo 2 affermazioni principali:

1. Tutti gli organismi presenti sul pianeta derivano da organismi primordiali vissuti 4

miliardi di anni fa.

2. La diversificazione e la specializzazione dei viventi derivano da 2 fattori:

mutazioni e selezione naturale.

NEODARWINISMO: RIPRENDE LE IDEE DI DARWIN, MA AGGIORNATE ALLE CONOSCENZE

SCIENTIFICHE ATTUALI.

MUTAZIONE: MODIFICAZIONE DEL GENOTIPO CHE SI MANIFESTA FENOTIPICAMENTE.

Unitarietà nella diversità

Sapendo che tutti gli esseri viventi derivano da un progenitore comune, è logico che

si somiglino, sia strutturalmente che funzionalmente. La diversità è data dalla

pressione selettiva che ha esercitato l’ambiente sui viventi. Analizzando un

fenomeno biologico, esso deve sempre essere interpretato come qualcosa di

vantaggioso.

Teoria cellulare

Essa fa perte dei fondamenti della biologia moderna e viene riassunta cosi:

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Ogni essere vivente è costituito da 1 o più cellule (unicellulare/pluricellulare).

• Le reazioni chimiche avvengono all’interno della cellula.

• L’informazione ereditaria è contenuta nelle cellule e viene sempre trasmessa alle

• cellule figlie.

Le cellule si originano da altre cellule.

•

GENE: TRATTO DI DNA CHE CODIFICA PER UNA SOLA PROTEINA.

INTRONI: SEQUENZE DI DNA NON CODIFICATE.

ESONI: SEQUENZE DI DNA CODIFICANTE (TRASCRITTE NELLA SINTESI PROTEICA).

ISTONI: PROTEINE BASICHE CHE IMPEDISCONO AL DNA DI AGGROVIGLIARSI.

NUCLEOLO: CORPUSCOLO CONTENENTE PROTEINE LEGATE AD ACIDO RIBONUCLEICO,

PRESENTE NEL NUCLEO DI TUTTE LE CELLULE; È IL SITO NEL QUALE AVVIENE LA

TRASCRIZIONE DELL'RNA RIBOSOMIALE E VENGONO PRODOTTE LE SUBUNITÀ DEI RIBOSOMI.

La cellula

Essa è la struttura più semplice che compie attività per la vita. Ne esistono di 2 tipi:

Procariotica: batteri e affini (2 domini: eubacteria e archeabacteria)

• Eucariotica: animale e vegetale (dominio eukarya)

•

Procariotica, letteralmente, significa prima del nucleo; in effetti i procarioti non sono

dotati di un vero e proprio nucleo e quindi il dDNA non si trova all’interno di una

membrana che lo delimita, ma è disciolto nel citoplasma a formare il nucleoide

(surrogato del nucleo).

PROCARIOTICA EUCARIOTICA

Presenta una parete Non presenta una parete

Dimensioni: 1-10 n Dimensioni: 10-100 n

No introni nei geni Si introni in quasi tutti i geni

DNA non associato a proteine isteriche Estoni legati al DNA

Assenza di nucleolo Presenza di nucleolo

Assenza di membrana nucleare Presenza di membrana nucleare

1 solo cromosoma (circolare) 2 o più cromosomi

No microtubuli, microfilamenti, filamenti Si microtubuli, microfilamenti, filamenti intermedi

intermedi e organuli citoplasmatici e organuli citoplasmatici

Scissione binaria/gemmazione mitosi/meiosi

Assenza di steroli nella membrana Presenza di steroli nella membrana

citoplasmatica (no colesterolo, si cardiolepina) citoplasmatica (colesterolo)

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PROCARIOTICA EUCARIOTICA

Trasferimento diretto di geni da donatore ad Unione dei gameti tramite meiosi

accettare

Il cromosoma dei procarioti è spesso circolare perché occupa un minor spazio.

Il termine “cellula” è stato coniato nel 1665 da Hooke che osservò un trancio di

sughero al microscopio e vedendo queste piccole celle, scelse il nome. Tutti gli

organismi sono costituiti da cellule (schleiden e schwann). I requisiti minimi della

cellula sono la membrana plasmatica (plasmalemma) e il materiale genetico (DNA).

Le dimensioni cellulari si esprimono in micrometri (um) e gli organuli in nanometri

(nm) −3 −6 −9

10 10 10

1nm= um= mm= m

CITOPLASMA: CITOSOL (PORZIONE FLUIDA)+ORGANELLI. IL CITOSOL È FLUIDO PER LA

PRESENZA DI PROTEINE DISSOCIATE IN FORMA IONICA.

Classificazione delle cellule

A. Procariotica: semplice, meno evoluta, assenza del nucleo, tipica dei batteri

(unicellulari), diametro 0,1-1 um, DNA circolare nel citoplasma all’interno del

nucleoide, il citoplasma non presenta ne nucleo ne organelli.

B. Eucariotica: complessa, evoluta, presenza di nucleo, tipica di animali e vegetali,

diametro 1-10 um, DNA racchiuso nel nucleo, presenta compartimenti cellulari,

le cellule vegetali presentano una parete, come quella dei procarioti, a differenza

della cellula animale.

Compartimentazione

Essa si ottiene tramite la presenza di diverse membrane interne alla cellula che

creao degli spazi circoscritti cosi che la cellula possa svolgere più compiti nello

stesso momento. Queste membrane presentano la medesima struttura della

membrana citoplasmatica, ovvero il modello a mosaico fluido (2 strati di fosfolipidi e

proteine associate). Questi compartimenti hanno anche la funzione di aumentare la

superficie di lavoro della cellula stessa e confinano al loro interno delle funzioni che

potrebbero essere nocive per la cellula (lisosomi).

Principali compartimenti

RE (RER, REL)

• Mitocondri (centrali elettriche della cellula)

•

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Apparato di Golgi

• Nucleo (DNA)

• Lisosomi (eliminano le sostanze di scarto e scindono molecole complesse in più

• semplici)

Perossisomi

•

Intorno al nucleo troviamo sempre il RER costituito da cisterne dove vi sono i

ribosomi. Di seguito al RER c’è il REL e accanto ad esso l’apparato di Golgi formato

da pile. Quest’ultimo presenta 3 porzione: cis (vicino al RER), trans (vicino la

membrana plasmatica), mediale. Tutto quello che si forma nel RER va nella porzione

cis del Golgi, poi nella mediale ed infine nella trans. I mitocondri sono formati da 2

membrane, una esterna e una interna nella quale si trovano le creste e le annesse

proteine, ossia, gli enzimi).

Nella cellula animale, troviamo nel nucleo, dei pori permettono il passaggio di

sostanze. I nucleoli sono visibili solo in alcune fasi della vita cellulare. La membrana

plasmatica è la barriera selettiva che permette gli scambi tra esteso e interno

cellulare. Essa contribuisce all’omeostasi interna, quindi regola la concentrazione di

soluti e sostanze in essa contenuti.

Le cellule e le loro forme

Le cellule hanno forme diverse in relazione alle funzioni che svolgono. La posizione

del nucleo nella cellula è dettata dalla sua forma.

- Globuli rossi: presentano la forma a disco biconcavo dato che, per fluire anche in

spazi stretti come i capillari, possono impilarsi.

- Cellule epiteliali: sono cubiche/cilindriche. Queste cellule hanno due poli, quello

apicale che in base alla sua posizione presenta una specializzazione; quello

basale che è in contatto con uno strato di tessuto connettivo.

- Neurone: è nota la sua forma stellata dove vi è un corpo cellulare con nucleo, dei

dendriti (corti) e un assone (ramo lungo).

APOPTOSI: È LA MORTE PROGRAMMATA DELLA CELLULA, QUANDO ESAURISCE IL SUO CICLO

VITALE.

NECROSI: È LA MORTE ACCIDENTALE DELLA CELLULA.

Il rapporto superficie/volume ci spiega che all’aumentare della grandezza della

cellula, la sua superficie aumenta molto meno rispetto al volume.

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Microscopia

Microscopio ottico (MO): utilizza la luce e permette una definizione grossolana

• della cellula; il suo potere d’ingrandimento è 1000x (ingrandisce l’immagine 1.000

volte).

Microscopio elettronico a trasmissione (MET): utilizza un sistema a fascio di

• elettroni e permette di studiare l’ultrastruttura cellulare con un potere

d’ingrandimento di 250.000x.

Microscopio elettronico a scansione (MES): permette di studiare la superficie

• cellulare.

Centrifugazione

Consente la separazione delle particelle in un composto in base al loro peso. Quelli

che sedimentano di più (pensano di più) si depositano sul fondo, quelli che

sedimentano meno si trovano in superficie.

SVEDBERG: UNITÀ DI MISURA DI CENTRIFUGAZIONE

La cellula

Cellula procariotica

Tipica dei batteri; il DNA è immerso nel citosol in un area definita nucleoide. Il

citoplasma è privo di nucleo e di organuli circondati da membrana. Nel citosol ci

sono particelle immerse, tra cui: ribosomi, granuli lipidici o di glicogeno. Essa è

meno evoluta dell’eucariotica.

Parete cellulare: involucro che da forma e protegge la cellula

Membrana: mantiene l’ambiente interno al sicuro

Citoplasma: soluzione acquosa fluida, dove sono immersi i costituenti cellulari. Vi

hanno luogo le reazioni metaboliche per il mantenimento e la riproduzione della

cellula.

Il mesosoma è un’introflessione della membrana citoplasmatica; presenta tutte le

proteine enzimatiche che realizzano le reazioni di ossido-riduzione.

Non vi è una parete nucleare ma è presente il materiale genetico.

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Cellula eucariotica

Tipica degli organismi animali e vegetali; il materiale genetico è rappresentato da

DNA racchiuso all’interno del nucleo. Il citoplasma contiene organuli circondati da

membrana (mitocondri, perossisomi, lisosomi, cloroplasti). Hanno un nucleo ben

definito; una struttura definita tramite la presenza di membrane biologiche.

I compartimenti aumentano la superficie di lavoro, permettono lo svolgimento di

funzioni diverse nello stesso momento e dividono dalla cellula le reazioni che

potrebbero essere dannose per la cellula (lisosomi).

Componenti cellulari

Membrana plasmatica

Delimita tutte le cellule, costituendo una barriera selettiva per gli scambi fra

ambiente interno ed esterno.

Essa presenta funzioni metaboliche:

Mantiene l’integrità dell’ambiente interno cellulare (OMEOSTASI)

• consente uno scambio di sostanze con l’ambiente esterno (ingresso di sostanze

• nutritizie, uscita scorie)

Regola il volume cellulare e la composizione interna

•

Funzioni non metaboliche:

Trasmette impulsi (eccitabilità) nei muscoli e nei nervi

• Comunica tra cellula a cellula

•

Dal punto di vista chimico, è costituita da un doppio strato di fosfolipidi a cui sono

associate proteine specializzate e carboidrati.

I fosfolipidi

Il fosfolipide è una molecola complessa, che costituisce le membrane cellulari ed è

costituito da: una porzione superiore, la testa (formata da colina+fosfato+glicerolo) e

da una porzione inferiore, una coda di acidi grassi. La loro testa è idrofilica (polare) e

la coda idrofobica (apolare); vengono denominate molecole anfipatiche. In acqua, le

code si porgono verso l’interno e le teste verso l’esterno.

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Proteine di membrana

Le proteine di membrana sono di diverso tipo:

1. Attraversano la membrana da una parte all’altra una testa è interna alla cellula,

l’altra è esterna. Le parti funzionali della proteina che escono sono i domini, che

sono idrofilici. Uno stimolo citoplasmatico o extracellulare può essere trasmesso

attraverso la trasformazione di queste proteine. (proteine transmembranarie

stanno da tutte e due i lati, le proteine periferiche si affacciano solo da una

parte)

2. Alcune sono legate alle membrane fosfolipidiche con legami covalenti

3. Altre sono addossate sul versante interno ed esterno della membrana

citoplasmatica

Sulla superficie esterna della membrana sono presenti polisaccaridi: glicolipidi

( partecipano ai processi di comunicazione intracellulare), glicoproteine sono

associate al sistema HLA (sistema glicoproteico che ha un ruolo immunologico che

ci caratterizza) e hanno la funzione di riconoscere le cellule.

Un altro composto associato alla membrana plasmatica degli eucarioti è il

colesterolo (presente solo nelle cellule eucariotiche) che ha la funzione di regolare la

fluidità della membrana in rapporto con la temperatura e gli steroli. A temperature

troppo basse, la permeabilità della membrana si riduce e gli scambi tra interno ed

esterno non possono più avvenire producendo la morte per assideramento.

Queste strutture che abbiamo descritto rispondono ad un principio, il modello a

mosaico fluido della membrana formulato da Singer e Nicholson, che descrivono la

membrana come una struttura dinamica. A mosaico perché è composta da proteine

quindi sembrano tanti tasselli di un mosaico viste dall’alto; fluido perché i fosfolipidi

e le proteine sono liberi di muoversi sul piano. Tutte le membrane cellulari sono

uguali per permettere la fusione delle vescicole ad essi associati. Questo fenomeno

è controllato dalle proteine fusogene, in grado di attivare il processo di fusione (la

fecondazione è possibile).

La membrana citoplasmatica ha funzioni di filtro selettivo, di superficie di

comunicazione permettendo lo scambio di informazioni, di superficie catalitica per

l’abbondante presenza di enzimi legati ad essa.

Esistono 2 classi di proteine di membrana:

Proteine estrinseche: si trovano nel versante interno e esterno della membrana e

• sono idrofile, interagiscono con la porzione sporgente delle proteine integrali

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Proteine intrinseche: si trovano sul doppio starato fosfolipidico e possono stare

• sia all’interno che all’esterno della membrana

Le funzioni delle proteine di membrana sono:

Enzimatica (mitocondri, cloroplasti)

• Adesione (giunzioni tra cellule)

• Recettoriale: trasferimento dell’informazione del segnale

• Riconoscimento cellulare: proteine MCH delle cellule umane, sistema HLA,

• proteine recettoriali dei batteri…

trasporto: traffico di sostanze attraverso la membrana

•

Permeabilità della membrana

La membrana plasmatica presiede all’omeostasi cellulare, grazie alla membrana

semipermeabile selettivamente. Sono consentite il passaggio di: acqua e molecole

−

Na

non polari; è una barriera per la maggior parte delle molecole polari (K, Cl, ).

Diffusione: quando una sostanza passa da una soluzione a concentrazione (tono)

maggiore ad una soluzione a concentrazione minore quando le membrane sono

vicine.

Soluzione: è una miscela costituita da 2 o più sostanze, di cui una è il solvente e

una è il soluto.

2 soluzioni con stesso tono = isotoniche

Le due soluzioni con tono differente, con una membrana permeabile si scambiano

solvente e soluto fino ad arrivare all’equilibrio.

I meccanismi di trasporto passivo sono:

Diffusione semplice: movimento di molecole attraverso una membrana

• permeabile (non selettiva) secondo gradiente di concentrazione, le molecole

passano da una zona ipertonica alla zona ipotonica.

Diffusione facilitata: trasporto di una sostanza secondo il gradiente di

• concentrazione, mediante una proteina di trasporto (carrier) che si combina con la

sostanza accelerandone il movimento attraverso la membrana. Le proteine di

trasporto sono le porine, che si pongono sullo strato fosfolipidico a formare canali

dove passano ioni e molecole di piccole dimensioni.

Osmosi: passaggio attraverso una membrana semipermeabile (selettiva) dove le

• molecole passano da una zona a bassa concentrazione a una ad alta

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concentrazione, non passa il soluto ma passa il solvente (acqua), quindi contro

gradiente di concentrazione (dalla zona ipotonica a ipertonica). Se metto il globulo

rosso in una soluzione ipotonica l’acqua entra e il globulo rosso scoppia; nella

soluzione ipertonica si raggrinzisce.

Il plasmalemma quindi funziona da: filtro, da superficie di comunicazione e da

superficie catalitica per la presenza di proteine.

Proteine di trasporto