Appunti di Biologia animale

Introduzione alla biologia animale

La biologia è la scienza della vita. Gli organismi sono composti da delle molecole fondamentali: acidi grassi, carboidrati, acidi nucleici e amminoacidi. Tutti gli organismi sono composti da cellule secondo la teoria cellulare di Schwann del 1839. Nel 1855 Wirchov teorizzò che tutte le cellule sono originate da cellule preesistenti.

Sulla Terra ci sono più di 10 milioni di specie viventi che hanno la capacità di riprodursi dando origine a generazioni successive uguali. L’organizzazione degli organismi è mantenuta tramite un consumo di energia sotto forma di ATP. Gli organismi possono essere unicellulari o pluricellulari. Ogni cellula ha una membrana costituita da fosfolipidi e proteine. Vengono classificate in eucariote/procariote in base alla dimensione, alla presenza di un nucleo ben definito, alla presenza di organelli nel citoplasma e alla conformazione dei cromosomi. Le informazioni ereditarie sono contenute nel DNA che è in grado di replicarsi. Le caratteristiche comuni sono la membrana, la presenza di DNA, i meccanismi di trascrizione e traduzione, alcune vie metaboliche, il consumo di ATP e altri fattori.

Origine delle cellule

Si ipotizza che la cellula si sia originata in 4 fasi:

• Sintesi abiotica di composti organici semplici come amminoacidi e basi azotate;
• Polimerizzazione abiotica dei monomeri in macromolecole;
• Creazione di una macromolecola con capacità di immagazzinamento di informazioni e di replicazione;
• Incapsulamento all’interno di una membrana semplice.

Per produrre tutto questo servono però delle materie prime e dell’energia. Nel 1953 Stanley Miller fece un esperimento per ricreare le condizioni ambientali prebiotiche con H₂, H₂O, CH₄, NH₃ all’interno di un sistema di tubi in vetro. Utilizzò una scarica elettrica come forma di energia ottenendo la formazione spontanea di molecole organiche come gli amminoacidi a partire dal brodo primordiale.

Procarioti ed eucarioti

I procarioti si dividono in eubatteri e archeobatteri. Gli archei vivono in condizioni estreme mentre i batteri si trovano in qualsiasi habitat. I più complessi sono i cianobatteri e sono capaci di fare la fotosintesi. Tra gli eucarioti troviamo anche i lieviti unicellulari che sono usati come modello di studio. Gli eucarioti hanno la capacità di ingerire fluidi o materiale particolare per mezzo di vescicole, le pareti cellulari contenenti cellulosa (piante), la divisione cellulare che utilizza un fuso mitotico per separare i cromosomi, la presenza di due copie di geni per ogni cellula (diploidi) ognuna derivante da un genitore, la presenza di tre sistemi diversi deputati alla sintesi di RNA, la riproduzione sessuale mediante meiosi e fecondazione.

Mitocondri e cloroplasti

I mitocondri e i cloroplasti hanno un DNA proprio circolare, sono capaci di duplicarsi autonomamente, hanno dei ribosomi, una doppia membrana e hanno dimensioni simili a quelle dei batteri. È stato ipotizzato che sono state inglobate all’interno delle cellule in un rapporto di endosimbiosi in quanto la cellula fornisce protezione agli organuli e questi permettono alla cellula di vivere in aerobiosi.

Virus

I virus sono dei parassiti incapaci di vita autonoma. Non hanno organuli e contengono solo pochi enzimi che sfruttano per utilizzare i meccanismi biosintetici delle cellule bersaglio. Le cellule possono essere studiate in silico, in vitro o in vivo.

Scoperta delle cellule

Nel 1665 Hooke costruì un sistema di lenti che gli permisero di scoprire le cellule osservando una “fetta” di sughero. Le cellule presero questo nome per la struttura simile alle cellette di un alveare. Il microscopio a fluorescenza utilizza una particolare lunghezza di luce per eccitare il colorante presente nelle proteine traccianti che agevolano le osservazioni. Tra le tecniche utili per isolare gli organelli troviamo la centrifugazione. Nel 1928 Alexander Fleming scoprì la penicillina per caso.

La chimica della cellula

Nel nostro organismo c’è abbondanza dei composti del carbonio. Le reazioni avvengono in ambiente acquoso in quanto la cellula è composta al 70% da acqua. I sistemi sono complessi e le reazioni sono altamente controllate. L’atomo è la più piccola particella di un elemento che ne conservi le proprietà distintive. Gli atomi hanno diversi livelli di stabilità che si misura seguendo la regola dell’ottetto stabile. Più un atomo ha l’ultimo livello energetico pieno, più è stabile.

Tipi di legami

Ci possono essere vari tipi di legami tra due atomi. I legami ionici si formano tra atomi che sono quasi saturi o hanno pochi elettroni sull’ultimo livello energetico. Sono attrazioni elettrostatiche che si formano tra atomi con cariche opposte. Nei legami covalenti gli elettroni vengono condivisi tra gli atomi. C’è una specifica lunghezza di legame e una forza di legame che deve essere superata se lo si vuole rompere. I legami covalenti possono essere singoli, doppi o tripli. Se gli atomi in relazione sono diversi la nuvola elettronica si sposta verso l’atomo più elettronegativo, polarizzando il legame. Nell’H₂O troviamo legami covalenti fortemente polari.

Interazioni in soluzione acquosa

Tra più molecole d’acqua si creano dei legami deboli detti legami a idrogeno che si rompono facilmente ma in grandi quantità sono additivi. In soluzione acquosa si crea spesso lo ione idronio H₃O⁺. Si chiamano acidi le sostanze che in acqua liberano H⁺. I legami non covalenti sono deboli e permettono interazioni tra molecole diverse. Sono i legami ionici, legami a idrogeno, interazioni idrofobiche e forze di Van der Waals. I composti idrofobici in acqua tendono ad aggregarsi per minimizzare i contatti con l’acqua (ad esempio l’olio). Le forze di Van der Waals riguardano piccole variazioni temporanee nella nuvola elettronica di una molecola.

Le biomolecole

I carboidrati possono essere semplici o complessi. I più semplici sono i triosi come la gliceraldeide e il diidrossiacetone. Se posti in soluzione acquosa si dispongono secondo una forma chiusa più stabile. Si distinguono i D e L in base alla posizione dell’-OH dell’ultimo carbonio chirale. Tra i pentosi troviamo il ribosio e il desossiribosio. Gli esosi più comuni sono il glucosio e il fruttosio. Gli zuccheri si dividono in aldosi e chetosi e in alfa e beta in base alla posizione dell’-OH che lega il gruppo chetonico/aldeidico (basso-alto). I legami che vanno a formare i polisaccaridi sono detti glicosidici e possono essere alfa o beta in base alla posizione dell’-OH di legame. Gli zuccheri hanno funzione energetica, strutturale e di segnale.

I lipidi fungono da accumulo di energia, compongono le membrane cellulari e fanno da segnalatori. I grassi insaturi hanno legami doppi mentre quelli saturi legami semplici. I trigliceridi sono composti da una molecola di glicerolo e da tre acidi grassi. La sfingosina è un ammino-alcol che sostituisce il glicerolo negli sfingolipidi. I fosfolipidi sono molecole anfipatiche che hanno una testa idrofila e due code idrofobe. Gli sfingolipidi prendono il nome dalla sfinge.

I nucleotidi sono formati dai nucleosidi e dalle basi azotate. Le purine sono l’adenina e la guanina e sono costituite da due anelli. La citosina, la timina e l’uracile hanno un anello e sono definite pirimidine. Il gruppo fosfato si lega al carbonio in posizione 5. Il legame fosfodiesterico si forma tra l’-OH del C in posizione 3 e il gruppo P in posizione 5 di un altro nucleotide. I polinucleotidi sono sintetizzati da 5’ a 3’. Il DNA è una molecola a due filamenti complementari, antiparalleli e in grado di replicarsi. Sono legati tra loro da legami a H più deboli in corrispondenza di adenina e timina.

Le proteine sono polimeri di 20 amminoacidi differenti. Hanno un -H, un gruppo amminico –NH₂, un gruppo carbossilico –COOH e un gruppo R (tranne la glicina che ha un altro –H). Si distinguono in apolari e polari. Possono essere anche acidi o basici. La cisteina porta un gruppo –SH che permette la creazione dei ponti disolfuro. Gli amminoacidi si legano tra loro attraverso legami peptidici tra il gruppo carbossilico di uno e il gruppo amminico dell’altro, con un rilascio di acqua.

Nelle proteine identifichiamo 4 tipi di strutture. La struttura primaria è la catena lineare. La struttura secondaria può essere a alfa-elica o beta-foglietto. La prima è più elastica e sfrutta i legami a idrogeno mentre la seconda è rigida e sfrutta anche lei legami a H. La struttura terziaria è formata da sequenze di secondarie che interagiscono tra loro coinvolgendo i gruppi R e andando a formare delle regioni dette domini. Le proteine possono essere classificate come fibrose o lineari in base alla conformazione. La struttura quaternaria è formata dalle interazioni di più catene polipeptidiche che danno delle proteine funzionali. Non tutte le proteine possono avere questa struttura.

Le proteine assumono spontaneamente il loro corretto avvolgimento. Possono essere aiutate dalle chaperones che facilitano il ripiegamento. Se le proteine assumono una conformazione sbagliata devono essere degradate. Se non sono eliminate possono essere dannose per le cellule.

L'energia e gli enzimi

La maggior parte delle funzioni cellulari richiede energia. La produzione e l’utilizzo di energia metabolica sono di primaria importanza per la vita della cellula. L’energia è intesa come la capacità di compiere un lavoro. Questo lavoro può essere di sintesi, meccanico, elettrico, di concentrazione, di produzione di calore o di bioluminescenza. Le vie cataboliche partono dai nutrienti assunti dall’ambiente esterno e li digeriscono ottenendo energia utilizzabile e elementi utili per la biosintesi. Le vie anaboliche partono da elementi semplici e sintetizzano molecole complesse che sono i costituenti delle cellule.

L’universo è costituito da sistemi formati da gruppi di molecole che reagiscono tra loro. L’ambiente è tutto ciò che resta all’esterno di un sistema. L’energia di un sistema è in parte energia cinetica (agitazioni di molecole), in parte energia potenziale (legami chimici). Queste due energie sono interscambiabili. Il primo principio della termodinamica è detto della conservazione dell’energia e afferma: la quantità totale di energia in un sistema e nel suo ambiente rimane costante, sebbene la forma di energia possa cambiare. L’energia non si crea e non si distrugge, ma si trasforma. ΔE = Q - W.

Nei processi biologici si considera il cambiamento di entalpia, ovvero del calore. H = E + PV. Il secondo principio della termodinamica afferma che il disordine totale di un sistema e del suo ambiente aumenta sempre. L’entropia stabilisce che le reazioni chimiche tendono spontaneamente al maggior grado di disordine. Le reazioni in cui il sistema va verso un’energia minima o un’entropia massima sono favorite e spontanee. Nelle reazioni chimiche l’energia dei reagenti è maggiore di quella dei prodotti in quanto si ha spontaneamente una diminuzione dell’energia.

Questa energia liberata è definita energia libera ΔG = ΔH - TΔS e mette in relazione le variazioni di entalpia e di entropia. ΔG deve andare nella direzione energetica favorevole per avere una reazione spontanea. A → B per G < 0 spontanea. B → A per G > 0 → non spontanea (necessita di lavoro). Una reazione è esoergonica se libera energia mentre è endoergonica se la assorbe. Per favorire una reazione che necessita energia posso accoppiarne una che ne libera spontaneamente. Per spingere le reazioni sfavorite si accoppia l’idrolisi dell’ATP che libera energia e ha un ΔG = -7,3 Kcal/mole. L’ATP è formato da 3 gruppi fosfato, un ribosio e un’adenina.

Alcune reazioni sono favorite ma non avvengono perché l’energia di attivazione della reazione non è sufficiente. Per superare l’ostacolo dello stato di transizione vengono impiegati gli enzimi, catalizzatori biologici che abbassano la barriera energetica delle reazioni. Gli enzimi non si modificano permanentemente e non alterano l’equilibrio della reazione. Modificano solo la velocità. Il turnover è il numero di reazioni che un enzima può catalizzare.

Gli enzimi hanno un sito attivo, distinguono i substrati e gli isomeri a cui si legano, sono diversi, sono sensibili alla temperatura e al pH. Il sito attivo è una cavità che accoglie un substrato in modo specifico, isolandolo dall’ambiente. È determinato dalla struttura terziaria della proteina e deve avere bassa affinità con i prodotti. Si formano dei legami deboli enzima-substrato. Esistono diverse classi di enzimi:

• Idrolasi → scissioni idrolitiche;
• Nucleasi → degradano acidi nucleici;
• Proteasi → degradano proteine;
• Sintasi → catalizzano sintesi di molecole;
• Isomerasi → redistribuiscono i legami;
• Polimerasi → catalizzano la polimerizzazione;
• Chinasi → catalizzano la fosforilazione;
• Fosfatasi → catalizzano la rimozione del fosfato;
• Ossidoreduttasi → catalizzano ossidoriduzioni;
• ATPasi → idrolizzano ATP.

Gli enzimi funzionano al meglio alla temperatura ottimale di 37°. Sono influenzati allo stesso modo per quanto riguarda il pH. Gli enzimi agiscono orientando il substrato, modificando la reattività o inducendo tensione. I modelli possono essere a chiave-serratura o ad adattamento indotto. Nel primo caso l’enzima è più rigido mentre nel secondo si plasma per accogliere il substrato. Gli enzimi non formano mai legami covalenti con i substrati perché porterebbe ad un’inibizione definitiva. La cinetica enzimatica segue l’equazione di Michaelis-Menten.

L’attività enzimatica è regolata dalla competizione per il sito attivo, la regolazione allosterica e la fosforilazione. Nella competizione per il sito attivo l’inibitore competitivo si lega all’enzima impedendo al substrato di attaccarsi. L’efficacia dell’inibizione dipende dall’affinità per l’enzima. L’inibizione allosterica non è competitiva e l’inibitore fa in modo che il sito attivo si modifichi. L’efficacia dipende solo dalla concentrazione dell’inibitore. Il prodotto finale regola l’attività enzimatica secondo un meccanismo di feedback negativo che interrompe il processo una volta ottenuto il prodotto necessario. Si parla di attivazione allosterica se rende possibile l’attacco del substrato. La fosforilazione modifica la struttura delle proteine aggiungendo un gruppo fosfato ad un –OH. La fosforilazione è a opera delle protein chinasi mentre la defosforilazione a opera delle protein fosfatasi. Possono essere fosforilate solo la serina, la treonina e la tirosina. La fosforilazione può essere attivante o disattivante.

Cascade enzimatiche e regolazione

Per avere una risposta massiccia e veloce si hanno delle cascate enzimatiche, attivate da uno stimolo. Queste attivano diversi enzimi. È definita come trasmissione ad amplificazione del segnale. Il GTP può legare alle proteine G che si attivano solo una volta connesse. Vengono disattivate idrolizzando il GTP a GDP. Gli enzimi possono essere attivati con il taglio proteolitico. Questo si verifica quando la catena proteica è più lunga della proteina funzionale. I gruppi prostetici sono piccole molecole che aiutano gli enzimi come il gruppo EME che aiuta a legare l’ossigeno nella mioglobina. I coenzimi non sono associati agli enzimi. Hanno basso peso molecolare, vengono rigenerati, partecipano a reazioni multiple e riducono l’energia di attivazione.

Il mitocondrio e il metabolismo cellulare

I mitocondri ossidano lipidi e carboidrati. I cloroplasti producono ATP sfruttando la luce. I perossisomi degradano gli acidi grassi. Il mitocondrio ha origine endosimbiontica. È capace di fusione e scissione. Ogni cellula ha tanti mitocondri. Hanno 2 membrane, uno spazio intermembrana fluido e una matrice costituita da un gel ad alta concentrazione proteica. Sono presenti delle creste nella matrice per aumentare la superficie relativa. La membrana esterna è composta dal 50% di proteine e dal 50% di lipidi. È derivata da una parete batterica nel quale sono presenti delle porine che facilitano l’entrata e l’uscita di materiale come il NAD, il FAD e il CO-A.

La membrana interna ha un rapporto 3/1 proteine-lipidi. È priva di colesterolo e contiene la cardiolipina che è un particolare fosfolipide. Questa è impermeabile e necessita di trasportatori. Nella matrice troviamo enzimi, ribosomi, DNA e i macchinari per la sintesi di RNA. Il DNA codifica per 13 proteine idrofobiche, 2 rRNA e 22 tRNA. È coinvolto nella respirazione cellulare che ossida composti organici ottenendo energia. Il primo stadio è la digestione delle molecole complesse. Nella seconda fase si produce acetil Co-A e nell’ultimo si ottiene ATP.

Le reazioni sono di ossido-riduzione. Gli ossidanti hanno maggiore affinità per gli elettroni mentre i riducenti sono il contrario. Il potenziale redox è la tendenza di una specie ad essere ridotta. Per ogni molecola di glucosio si ottengono 36 molecole di ATP. ΔG = -686 Kcal/mole. La reazione non avviene in un solo passaggio per non disperdere tutta l’energia in calore. L’ATP è prodotto con la fosforilazione ossidativa e con la fosforilazione a livello del substrato. Il glucosio entra nella cellula e subisce la glicolisi. Avviene nel citosol. È composta da 10 reazioni di cui 3 irreversibili.