Appunti di Biologia

Università degli Studi di Trieste

Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica e Informatica

Curriculum Biomedico

Biologia Don’t stay awake for too long

Autori: Don’t go to bed

I’ll make a cup of coffee for your

Nicole Giannotto head

Martina Maione I’ll get you up and going out of

Gaia Michelazzi bed

Olesia Ronzon 26 dicembre 2020

Indice

1 Cellule 3

1.1 Strumentazione per campioni biologici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 La teoria cellulare e le cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Organizzazione di un organismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4 Molecole organiche e l’ambiente fisiologico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Macromolecole 8

2.1 Subunità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Macromolecole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Membrana 18

3.1 Componenti della membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4 Trasporto transmembrana 28

4.1 Osmosi nella cellula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2 Principi del trasporto trasmembrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.3 Trasporto passivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.4 Trasporto attivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.5 Trasporto vescicolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5 Sistema endomembranoso 47

5.1 Nucleo cellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.2 Reticolo Endoplasmatico (RE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.3 Apparato di Golgi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.4 Lisosoma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6 Mitocondrio e Perossisoma 54

6.1 Mitocondrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6.2 Produzione di energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6.3 Perossisoma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

7 Citoscheletro 64

7.1 Filamenti intermedi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

7.2 Microtubuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

7.3 Filamenti di actina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

8 DNA 78

8.1 DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

8.2 Cromosomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

9 Replicazione del DNA 85

9.1 Processo di replicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

1

10 Sintesi proteica 91

10.1 RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

10.2 Trascrizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

10.3 Traduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

10.4 Smistamento proteico e degradazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

11 Divisione cellulare 105

12 Riproduzione asessuata 107

12.1 Interfase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

12.2 Divisione (o fase M) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

12.3 Sistemi di controllo del ciclo cellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

13 Riproduzione sessuata 114

14 Segnalazione cellulare 116

14.1 Recezione del segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

14.2 Trasduzione del segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

14.3 Diffusione dei segnali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

15 Morte cellulare 124

15.1 Apoptosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

15.2 Nécrosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

15.3 Morti cellulari a confronto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

16 Giunzioni cellulari e tessuti 128

16.1 Giunzioni cellulari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

16.2 Matrice extracellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

17 Tessuti 135

17.1 Tessuto epiteliale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

17.2 Tessuto connettivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

17.3 Tessuto muscolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

17.4 Tessuto nervoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

2

Capitolo 1

Cellule

1.1 Strumentazione per campioni biologici

Microscopio ottico

Strumento di misura che utilizza come una lampada e per

fonte luminosa lenti

ingrandire fino ad un massimo di Ha un

1200 ingrandimenti. limite di

di per un campione fissato.

risoluzione 200 nm

Microscopio elettronico

Strumento di misura che usa un ed apparati elettronici per

fascio di elettroni

ingrandire fino a oltre Osserva anche grosse

500’000 ingrandimenti.

macromolecole. Il suo è di per un campione fissato. Ne

limite di risoluzione 2 nm

esistono 2 tipologie:

• il campione viene rivestito da un velo sottilissimo di un

A scansione (SEM):

come l’oro, e viene scansionato da un fascio di elettroni messo

metallo pesante,

a fuoco sul campione da avvolgimenti magnetici che fungono da lenti. La

riflessione degli elettroni restituisce un’immagine della in 3D.

superficie

• un fascio di elettroni il campione e

A trasmissione (TEM): attraversa

mostra l’interno della cellula.

Citofluorimetro a flusso

Strumento di misura costituito da un sistema fluidico, un banco ottico e un sistema

elettronico che utilizza un per e

fascio di luce laser rilevare, conteggiare

le cellule.

caratterizzare 3

1.2 La teoria cellulare e le cellule

Teoria cellulare

La teoria cellulare è stata sviluppata attorno alla fine del ’800 e agli inizi del ’900 da Schleiden,

Schwann e Virchow, i quali studiarono le cellule e e asserirono che:

animali vegetali

• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule e vengono chiamati rispettiva-

mente o

unicellulari pluricellulari.

• La cellula è la in cui è organizzato l’organismo.

più piccola unità di materia vivente

• Tutte le cellule derivano da altre cellule preesistenti.

Le cellule

Cellula

La cellula è la più piccola unità di materia in cui è organizzato un organismo.

vivente

Curiosità

Il termine deriva dal latino cellula, diminutivo di cella, che significa "cameretta".

cellula

Infatti le cellule furono osservate per la prima volta nel 1665 da Robert Hooke che esaminò

con un microscopio ottico un pezzo di sughero e notò la presenza di minuscole

concamerazioni, alle quali diede questo nome.

Una cellula si definisce perché, anche se compie azioni caratteristiche degli esseri

vivente isolata,

viventi come:

• Respirare: respirazione cellulare

attività metabolica

• Nutrirsi:

• Riprodursi: divisione o

mitotica meiotica

Nucleo

L’organello più importante della cellula contenente l’informazione ovvero

genetica,

il DNA. Etimologia

Il termine deriva dalla parola greca karyon.

nucleo 4

Le cellule possono essere di 2 tipi:

1. Procariote

2. Eucariote

Cellula procariotica

La (dal latino pro=prima e dal greco karyon=nucleo) è una

cellula procariotica

cellula priva di nucleo, rivestita da una che racchiude in un unico

parete cellulare

comparto il citoplasma e il DNA.

Cellula eucariotica

La (dal greco eu=organizzato e karyon=nucleo) è una cellula

cellula eucariotica

provvista di nucleo, dotata di molti altri organelli racchiusi da una membrana. Nelle

cellule eucariote le molecole di DNA sono racchiuse dall’involucro nucleare.

Dimensione delle cellule −6

µm

Le dimensioni delle cellule sono dell’ordine di grandezza del (1 = 10 m).

micron

Curiosità

µm)

Le cellule più piccole sono quelle dei batteri (1 e quelle più grandi sono le cellule uovo di

µm

molti animali (100 nell’uomo) e le fibre di alcune piante.

5

1.3 Organizzazione di un organismo

Un organismo è composto da livelli via via più complessi:

Gerarchia cellulare

La cellula è l’unità degli organismi viventi, nonché la più piccola

morfologico-funzionale

struttura classificabile come vivente.

A sua volta cellula è costituita dai seguenti 5 livelli:

• molecole organiche piccole (nucleotidi, amminoacidi)

Livello 1:

• macro-molecole (DNA, proteine, cellulosa)

Livello 2:

• strutture sopra-molecolari (cromosoma, membrana, parete cellulare)

Livello 3:

• organuli e altre strutture (nucleo, mitocondrio, cloroplasto)

Livello 4:

• cellula

Livello 5:

1.4 Molecole organiche e l’ambiente fisiologico

Una cellula è composta da:

• H O

70% 2

• altri composti chimici:

30% 4% ioni, piccole molecole

– 2% fosfolipidi

– 1% DNA

– 6% RNA

– 15% proteine

– 2% polisaccaridi

–

Proprietà della molecola di acqua

1. È un in cui sono disciolti tutti gli altri composti costituenti la cellula.

solvente

2. Favorisce, dal punto di vista le interazioni tra molecole o ioni

energetico, idrofili.

◦

3. È una molecola avente un angolo di 104.5 tra i due atomi di

triatomica semplice

idrogeno. 6

4. È un dipolo:

• Ossigeno: è quindi attrae gli elettroni del legame covalente, di

elettronattrattore, −

δ

conseguenza, su di esso è presente una parziale carica negativa .

: sono quindi respingono gli elettroni del legame

• Idrogeni elettrondonatori, +

δ

covalente, di conseguenza, su ciascuno di essi è presente una parziale carica positiva .

5. Presenta quindi legami forti.

legami covalenti,

6. È in grado di dissociarsi.

7. Regola la concentrazione idrogenionica, ovvero il all’interno dell’organismo e la

pH,

mantiene (pH=7/7.4).

neutra

8. Passa da uno all’altro quando si spezzano i legami a idrogeno, aumentando l’energia

stato

termica.

Legami a idrogeno

Legami intramolecolari molto deboli.

9. Ha una funzione di All’interno delle cellule ci sono molte

termoregolazione. reazioni

la maggior parte della quali ovvero liberano energia sotto forma

chimiche, esoergoniche,

di calore. Il calore specifico dell’acqua è molto quindi serve molta energia per

alto,

◦

aumentare di 1 C la temperatura di 1 g . Di conseguenza il calore non surriscalda la cellula,

ma ne va a rompere i legami a idrogeno, causando l’evaporazione. Quindi, attraverso la

essa mantiene la sua temperatura, evitando la

sudorazione, combustione.

7

Capitolo 2

Macromolecole

Le sono molecole di dimensioni molto grandi e di peso molecolare molto elevato,

macromolecole

che si formano a partire da molecole organiche molto piccole, dette Le macromolecole

subunità.

biologiche più importanti sono:

• si formano a partire da monomeri.

Polimeri:

• si formano a partire da acidi grassi.

Lipidi complessi:

Monomeri

I sono gli elementi costitutivi della sintesi delle macromolecole

monomeri

polimeriche cellulari. I monomeri sono:

• Zuccheri

• Amminoacidi

• Nucleotidi

Polimeri

I sono lunghe catene di monomeri legati da legami covalenti. I polimeri

polimeri

sono:

• Carboidrati

• Proteine

• Acidi nucleici 8

Polimerizzazione

La è una in cui una molecola

polimerizzazione reazione di condensazione,

d’acqua viene eliminata per ogni monomero aggiunto ad un’estremità in cui è

presenta la funzione ossidrilica OH.

Questa reazione è catalizzata da enzimi specifici che garantiscono l’incorporazione

esclusiva dei monomeri appropriati. I polimeri sono costituiti da monomeri uniti tra

loro tramite legami covalenti.

Depolimerizzazione

Processo di degradazione di un polimero che porta alla formazione di prodotti a peso

molecolare inferiore, fino ad arrivare al Per questi legami è

monomero. lisare

necessario aggiungere delle quindi la reazione prende il nome di

molecole d’acqua,

idrolisi.

2.1 Subunità

Monosaccaridi

Composti organici formati da atomi di e legati

stabili carbonio, idrogeno ossigeno

n

con con formula generale (CH O) , dove vale generalmente 3, 4,

legami covalenti 2 n

5 o 6.

Sono molecole fortemente e sono in grado di formare con

idrofiliche ponti idrogeno

le molecole di acqua.

I monosaccaridi necessari alla cellula sono:

• Griceraldeide

Zucchero costituito da di carbonio (trioso) che svolge una

3 atomi

funzione di struttura necessaria per costituire la membrana cellulare.

• Pentoso

Zucchero costituito da di carbonio, come il e il

5 atomi ribosio

e ha una funzione di informazione per la cellula.

desossiribosio,

• Esoso

Zucchero costituito da di carbonio come il che

6 atomi glucosio

fornisce energia alla cellula. 9

Nucleotidi

Composti formati da 3 componenti:

• una legata al "carbonio 1" dello zucchero che può essere una:

base azotata

– Base pirimidinica

Base con un può essere (C),

unico anello esatomico, citosina

(T) e (U)

timina uracile

– Base purina

Base con un fuso con un

anello esatomico anello pentatomico,

può essere (G) e (A)

guanina adenina

• uno zucchero pentoso

– Ribosio

– Desossiribosio

• un legato al "carbonio 5" dello zucchero

gruppo fosfato

Il nucleotide senza il gruppo fosfato prende il nome di nucleoside.

Amminoacidi

Composti organici che possiedono un gruppo ( COOH) e un

acido carbossilico

( NH ), entrambi legati allo stesso atomo di carbonio, detto

gruppo amminico 2

α. Ci sono diversi amminoacidi.

carbonio 20-22

Acidi grassi

Catene composte da un numero di atomi di compreso tra 4 a 28

alifatiche carbonio

e un unico ( COOH) ad un’estremità.

gruppo carbossilico 10

2.2 Macromolecole

Carboidrati

I carboidrati sono i polimeri degli zuccheri.

Funzioni:

• Funzione energetica

• Riserva energetica

• Funzione strutturale

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono composti organici le cui subunità sono i Negli

aperiodici nucleotidi.

organismi viventi si trovano tipi di acidi nucleici:

2

(Acido desossiribonucleico)

• DNA

Ha come zucchero il e le 4 basi azotate che possono legarsi ad

desossiribosio

esso sono: e

adenina, citosina, guanina timina.

• (Acido ribonucleico)

RNA

Ha come zucchero il e le 4 basi azotate che possono legarsi ad esso sono:

ribosio e

adenina, citosina, guanina uracile.

Sono polimeri con una determinata dalla polarità delle due estremità, da quella

direzionalità 5’

con un libero alla con il libero. Questa direzionalità

gruppo fosfato 3’ gruppo ossidrile

conferisce significato alla sequenza di nucleotidi che trasporta informazione genetica.

Proteine

Le sono lunghe catene polipeptidiche di amminoacidi unite tra loro da

proteine legami

covalenti, che svolgono varie funzioni nella cellula. Per ogni proteina possiamo

peptidici

identificare, convenzionalmente, o

3 4 livelli di organizzazione:

1. specifica degli amminoacidi.

Struttura primaria: sequenza

2. configurazione

Struttura secondaria: spaziale.

3. configurazione

Struttura terziaria: tridimensionale.

4. delle

Struttura quaternaria: aggregazione subunità.

11

Dominio proteico di una proteina, definito come qualunque parte di catena

Unità organizzativa

polipeptidica che può ripiegarsi indipendentemente in una struttura compatta

Solitamente comprende da 40 a 350 amminoacidi.

e stabile.

Struttura primaria

La della proteina è data dalla degli

struttura primaria sequenza amminoacidi

che la compongono.

Una proteina è composta da una lunga di ciascuno unito a quello

catena amminoacidi,

adiacente da un per questa ragione le catene prendono il nome di

legame peptidico covalente,

e le proteine di

catene polipeptidiche polipeptidi.

L’ordine degli amminoacidi nella catena viene detto ed è

sequenza amminoacidica

rappresentata nella struttura primaria.

Ogni catena polipeptidica è costituita da un’ossatura a supporto delle

di base, catene laterali

dei vari amminoacidi. Questa ossatura polipeptidica è costituita da una sequenza ripetuta di

N C C caratteristica di ogni amminoacido. Ad un’ estremità è presente un

atomi base e all’altra un La sequenza di amminoacidi ha come

gruppo amminico gruppo carbossilico.

quella che va dal terminale fino al terminale Le catene

direzione amminico carbossilico.

laterali possono essere o oppure possono essere caricate o

polari apolari, positivamente

e sono quelle che conferiscono le diverse proprietà alle proteine. A causa della

negativamente

presenza di queste catene laterali, la struttura di una protein