Appunti di Biologia applicata

Prof: Matteo Ramazzotti

Email: matteo.ramazzatti@unifi.it

Programma

Teoria cellulare e regni del mondo vivente

• Teoria cellulare.
• I regni del mondo vivente.
• Gli elementi chimici della materia vivente.
• L'acqua.

Le macromolecole

• Proteine.
• Carboidrati.
• Lipidi.
• Acidi nucleici.

Struttura cellulare

• La cellula procariotica: batteri e archea.
• La cellula eucariotica: il citoplasma, ribosomi, citoscheletro, mitocondri e cloroplasti.
• La teoria endosimbiontica.

Metabolismo e membrana cellulare

• Generalità sul metabolismo e sugli enzimi.
• La membrana cellulare: proteine di membrana, trasporto passivo ed attivo, endocitosi, esocitosi.

Organizzazione genetica

• Organizzazione dei genomi procarioti ed eucarioti.
• I cromosomi.
• Le basi molecolari dell'ereditarietà: il DNA come agente trasformante, duplicazione del DNA.

Genetica e riproduzione

• Dal gene alla proteina: la trascrizione, processamento dell'RNA, codice genetico e sue proprietà, sintesi proteica.
• Riproduzione cellulare: mitosi e meiosi.
• Riproduzione asessuata e sessuata.

Virus

Biologia

Molte sono state le teorie e gli esperimenti che hanno provato a spiegare come fossero fatti i vari organismi, ma soprattutto il nostro corpo. Il più significativo e quello che ha dato vita alla moderna teoria cellulare fu l'esperimento di Pasteur. Questo scienziato si accorse che, inserendo all'interno di un contenitore di vetro sigillato dell'acqua che poi sarà bollita (per eliminare tutti gli organismi al suo interno), in quest'ultima non si formavano nei giorni a venire nuove forme batteriche. L'esperimento venne rifatto, lasciando però il contenitore dell'acqua aperto; quello che si vide fu la formazione di nuovi batteri all'interno dell'acqua. Da questo esperimento si concluse una cosa molto importante: tutte le forme di vita nascono da forme di vita già preesistenti, non è possibile la generazione spontanea di un organismo. Da qui venne data vita alla teoria cellulare moderna:

• Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule.
• Le cellule si originano da altre cellule.
• Le reazioni chimiche di un organismo vivente, compresi i meccanismi di liberazione dell'energia e le reazioni di biosintesi, avvengono all'interno delle cellule.
• Le cellule contengono le informazioni ereditarie degli organismi di cui fanno parte, e queste informazioni passano dalla cellula madre alla cellula figlia.

Tipi di cellule: eucariote e procariote

Esistono due tipi di cellule: eucariote e procariote. Le prime sono più complesse e tipiche degli animali e dei vegetali, mentre le seconde sono più semplici, tipiche dei batteri e degli archea.

Cellule procariote

Le cellule procariote hanno una grandezza di 1-2 micron, sono tipiche degli organismi unicellulari, ovvero fatti da un'unica cellula che possiede vita autonoma e possibilità di movimento autonomo. Esse sono composte da:

• Parete cellulare: fa da scheletro esterno, ne conferisce la forma e regola l'equilibrio idrico.
• Membrana citoplasmatica: ha una struttura analoga a quella delle cellule eucariote.
• Citoplasma: privo di organuli cellulari tranne i ribosomi, questi ultimi sono privi di membrana e deputati alla sintesi delle proteine.
• Nucleoide: è il luogo del citoplasma dove si trova il DNA circolare, in quanto non esiste un vero e proprio nucleo che lo contenga.

Cellule eucariote

Le cellule eucariote, dalla grandezza variabile di 20-30 micron, sono tipiche degli organismi pluricellulari, formati da più cellule specializzate nelle varie funzioni, le quali però non hanno vita autonoma ma sono costantemente in comunicazione tra loro.

Componenti delle cellule animali

• Mitocondrio: si trova nel citoplasma ed ha forma di un bastoncello. Il suo compito principale è la produzione di ATP attraverso la respirazione cellulare. Può anche sintetizzare il gruppo eme, sintetizzare steroidi, accumulare Ca, Mg, regolare il metabolismo e la duplicazione, mantenere il potenziale di membrana e ossidare acidi grassi. Possiede un suo genoma, un mRNA e un tRNA, perciò potrebbe potenzialmente fare la sintesi proteica. Ha una doppia membrana e si riproduce per scissione binaria, avendo sempre origine materna.
• Ribosomi: si trovano sia nel citoplasma che sul reticolo endoplasmatico. Sono fatti da RNA e proteine e composti da due sub-unità, con la funzione di sintetizzare polipeptidi, ovvero le proteine.
• Citoscheletro: è una rete di filamenti il cui obiettivo è il movimento e l'ancoraggio degli organuli, il movimento e l'impalcatura della cellula, la trasmissione dei segnali. I filamenti che in esso si possono trovare sono:
  • Microtubuli: tubi cavi costituiti da α e β tubulina. Danno supporto strutturale, spostano gli organuli e la cellula e infine compongono ciglia, flagelli e centrioli.
  • Microfilamenti: strutture bastoncellari formati da actina che fungono da supporto strutturale, spostano organuli e cellula.
  • Filamenti intermedi: fibre stabili e resistenti formati da polipeptidi. Fungono da rafforzamento per il citoscheletro e danno forma alla cellula.

Componenti delle cellule vegetali

Le cellule vegetali risultano essere prive di lisosomi e centrioli, e di avere in più i vacuoli, i cloroplasti e la parete cellulare. I cloroplasti sono organuli membranosi a forma di disco piatto all'interno dei quali si svolge il processo della fotosintesi clorofilliana: l'energia luminosa viene catturata in particolare dai pigmenti di clorofilla e viene convertita in energia chimica (ATP e NADPH). Su di esso sono presenti ribosomi. Tutti gli organuli, con pochissime eccezioni, hanno una membrana permeabile che permette gli scambi.

La membrana cellulare

Le cellule sono avvolte in un involucro detto membrana plasmatica (detta anche membrana cellulare o plasmalemma) il quale ha come "scopo" quello di isolare l'interno della cellula dall'esterno. All'interno di essa è presente il citoplasma, ovvero una porzione di cellula in parte liquida (parte che prende nome di citosol) e in parte fatta da organelli (ognuno dei quali può essere membranoso o non membranoso). Essa è semipermeabile e questo è possibile sia dall'esterno all'interno che viceversa. Questo trasporto può avvenire secondo due tipologie: trasporto attivo e trasporto passivo.

Trasporto attivo e passivo

Il trasporto attivo avviene contro gradiente (ovvero contro il normale meccanismo di trasporto di una sostanza che va dal luogo più saturo a quello meno saturo), e perciò abbiamo un dispendio di molta energia. Il trasporto passivo avviene secondo gradiente e perciò non abbiamo consumo di energia. Questa tipologia di trasporto si suddivide in due:

• Diffusione semplice: avviene per le micromolecole senza l'utilizzo di proteine e diffusione semplice.
• Diffusione mediata: deve farsi aiutare da proteine accessorie (dette anche proteine carrier) che velocizzano il processo. Essa determina il trasporto di macromolecole sia dall'interno all'esterno che viceversa a seconda del tipo di trasporto attuato (ovvero endocitosi o esocitosi).

Endocitosi

È il trasporto che va dall'esterno della cellula all'interno. Per funzionare a volte viene utilizzata una proteina, la Clatrina (in questo caso viene detta cellula Clatrina dipendente altrimenti Clatrina indipendente). Se viene utilizzata la proteina però la cellula ha un grosso dispendio energetico. Quando viene utilizzata la proteina l'endocitosi viene detta: mediata da regolatori, altrimenti viene detta pinocitosi. Una particolare endocitosi mediata è detta: fagocitosi. Essa ha come differenza il fatto che invece di internare una proteina viene internata un'altra cellula (per esempio fagocitosi di un virus da parte dei globuli bianchi).