Appunti di Biologia Applicata

Appunti di biologia applicata

Le proteine

Le proteine o protidi (dal greco protos, "primario") rappresentano un ampio gruppo di composti organici formati da sequenze di aminoacidi legate tra loro attraverso legami peptidici. Le proteine rappresentano più del 50% del peso secco degli organismi viventi.

Le proteine sono molecole informazionali, ovvero esprimono la maggior parte dell'informazione genetica. In base alla loro funzione possono essere distinte in: enzimi, proteine di trasporto, contrattili, strutturali, di difesa e regolatrici.

Le proteine sono soggette ad un continuo processo di demolizione e sintesi, il cosiddetto turnover proteico, attraverso il quale l'organismo è in grado di rinnovare continuamente le proteine logorate sostituendole con nuovo materiale proteico. Inoltre, questo processo permette all'organismo di rimpiazzare gli aminoacidi utilizzati a scopo energetico e di depositarne eventualmente di nuovi per rinforzare determinati tessuti. Il rigeneramento delle proteine avviene attraverso la biosintesi delle proteine.

Una proteina è formata da un gruppo aminico, una catena laterale, e un gruppo carbossilico. È formata da polimeri risultanti dall'unione di 20 aminoacidi.

Gli aminoacidi sono composti bifunzionali che vengono assorbiti con l'alimentazione o sintetizzati dallo stesso organismo. Ci sono però degli aminoacidi che non possono essere sintetizzati dal nostro corpo e possono essere apportati solo con l'alimentazione. Questa classe di aminoacidi prende il nome di aminoacidi essenziali.

Struttura delle proteine

• Struttura primaria: sequenza degli aminoacidi e posizione dei ponti disolfuro.
• Struttura secondaria: disposizione nello spazio dei residui aminoacidici adiacenti nella sequenza lineare. In questo caso, la struttura può presentarsi con α elica e foglietto β.
• Struttura terziaria: descrive tutti gli aspetti del ripiegamento tridimensionale di un polipeptide.
• Struttura quaternaria: in proteine con più di una subunità, si riferisce alla distribuzione nello spazio di queste subunità e alla natura dei contatti che esistono tra loro.

Le interazioni chimiche che stabilizzano la conformazione di una proteina sono:

• Ponti disolfuro
• Legami non covalenti
• Legami a H
• Interazioni ioniche
• Interazioni idrofobiche

Funzioni delle proteine

Le proteine svolgono un ruolo fondamentale nell’organismo. L’importanza di tali macromolecole deriva dalle funzioni che esse svolgono:

• Strutturale: Presentano una struttura fibrosa.
• Di trasporto: Trasportano gli elementi, es. dall’esterno all’interno della cellula, nel corrente sanguigno.
• Di difesa: Nel sistema immunitario costituiscono i recettori tool-like e gli anticorpi.
• Ormonale: Formano la struttura di ormoni tiroidei, ipofisari.
• Enzimi: Svolgono un ruolo importante nelle reazioni chimiche in quanto si possono comportare da catalizzatori.

Carboidrati

Un altro genere di macromolecole di interesse biologico viene rappresentato dai carboidrati. I carboidrati sono gli zuccheri o glucidi che rappresentano il primo serbatoio di energia. I carboidrati sono composti ternari formati da carbonio, idrogeno e ossigeno.

I carboidrati si classificano in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

Monosaccaridi

Monosaccaridi: sono gli zuccheri semplici non idrolizzabili. Il monosaccaride più semplice è il glucosio. I monosaccaridi possono essere anche suddivisi in base al numero di atomi di carbonio in triosi, tetraosi, pentosi, esosi...

Possiamo avere un ulteriore suddivisione:

• Aldopentosi: DNA e RNA
• Aldoesosi: Glucosio, Galattosio e Mannosio
• Chetoesosi: Fruttosio

Il glucosio può anche essere chiamato destrosio.

Disaccaridi

Disaccaridi: sono zuccheri formati da 2 zuccheri semplici legati da un legame glicosidico.

• Saccarosio: glucosio + fruttosio
• Maltosio: glucosio + glucosio
• Lattosio: glucosio + galattosio

Polisaccaridi

Polisaccaridi: sono formati da polimeri di glucosio. Il glucosio in eccesso viene immagazzinato sotto forma di glicogeno. Il glicogeno si trova in maggiore quantità nel fegato e tessuti muscolari. Il glicogeno è una riserva energetica umana. I vegetali immagazzinano l’energia sotto forma di amido e cellulosa.

Lipidi o grassi

I lipidi o grassi, sono un gruppo di macromolecole eterogenee, insolubili in acqua, apolari, solubili in un solvente a base di benzene o cloroformio.

Acidi grassi

Gli acidi grassi possono suddividersi in saturi e insaturi. Gli acidi grassi saturi sono privi di doppi legami ed hanno quindi il massimo numero di atomi di idrogeno. Si trovano principalmente nei prodotti di origine animale (uova, latte e derivati). Gli acidi grassi insaturi contengono uno o più doppi legami tra gli atomi di carbonio e quelli di idrogeno.

Fosfolipidi

I fosfolipidi sono elementi che costituiscono principalmente le membrane delle cellule e organelli che presentano una membrana come involucro. I fosfolipidi sono formati da una testa, il glicerolo, e una coda, due catene di acidi grassi. Il glicerolo ha carattere idrofilico mentre gli acidi grassi presentano un carattere idrofobico.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici si differiscono in DNA (acido desossiribonucleico) e RNA (acido ribonucleico). Ogni acido nucleico è formato da un gruppo fosfato e una base azotata, insieme formano il nucleotide.

Esistono due differenti categorie di base azotate: le basi puriniche e le basi pirimidiniche.

• Le basi puriniche sono formate da adenina e guanina.
• Le basi pirimidiniche sono formate da citosina, timina e uracile.

Il DNA è formato da 2 basi puriniche (adenina e guanina) e 2 basi pirimidiniche (citosina e timina). L’RNA è invece formato dall’uracile che sostituisce la timina. Il DNA è formato da un doppio filamento di basi le quali sono complementari tra loro. L’adenina è complementare alla timina e la guanina alla citosina. In un unico filamento le basi sono legate tra loro attraverso un legame fosfodiesterico. Mentre le basi complementari tra il filamento e il controlaterale sono legate da legami a idrogeno. Tra A e T sussistono 2 legami a H, tra G e C sussistono 3 legami a H.

Teoria cellulare

La cellula è l’unità fondamentale della materia vivente e ne possiede tutte le proprietà fondamentali. Secondo la teoria cellulare:

• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule.
• Le cellule sono le unità fondamentali degli organismi.
• Le cellule si originano solo dalla divisione di cellule pre-esistenti.

Una cellula è costituita da una porzione di materia (citoplasma) delimitata da una membrana e contenente una o più molecole di DNA nella quale è contenuta l’informazione genetica necessaria per la sua sopravvivenza.

Classificazione dei viventi

• Gli organismi viventi sono raggruppati in 3 domini:
  • Archeobatterio
  • Eubatteri: batteri e cianobatterio
  • Eucarioti: unicellulari e pluricellulari

Suddivisione degli organismi viventi in 5 regni

• Monera (batteri)
• Protista (protozoi, alghe e muffe)
• Piante
• Funghi (funghi e lieviti)
• Animali

Classificazione tassonomica (Linneo)

• Dominio
  • Regni
    • Phylum
    • Classi
      • Ordini
        • Famiglie
          • Generi
            • Specie

Per specie si intente un gruppo di organismi con struttura, funzione, comportamento simili che incrociandosi tra loro generano prole fertile.

Cellula procariotica (0.5-5 µm)

Le cellule procariotiche sono le più semplici e le più piccole cellule esistenti. Le loro dimensioni variano da 0-5 a 5 micron. Le cellule procariotiche sono prive di organelli citoplasmatici delimitati da membrana e non possiedono un vero nucleo. Il materiale genetico consiste in una singola molecola di DNA circolare, localizzata in una regione della cellula detta nucleoide.

Oltre alla molecola di DNA principale possono essere presenti plasmidi. Le cellule procariotiche sono generalmente circondate da una parete cellulare esterna alla membrana cellulare, costituita da peptidoglicani.

Per la costituzione della parete esterna, i batteri possono essere divisi in due categorie: gram negativi e gram positivi. Tale suddivisione è data dalla capacità o meno di assorbire un colorante.

• Batteri gram-negativi: presentano una parete esterna con pochissimo peptidoglicano (circa il 10%), il restante è formato dallo strato lipopolisaccaridico (LPS).
• Batteri gram-positivi: presentano una parete esterna costituita totalmente da peptidoglicano.

Il peptidoglicano è formato da lunghe catene polisaccaridiche in cui si alternano unità di amminozuccheri (N-acetilglucosammina e acido N-acetilmuramico). Gli organismi procariotici sono sempre unicellulari.

Le cellule procariotiche sono inoltre provviste di due strutture: i flagelli, responsabili del movimento cellulare, e i pili fondamentali per la riproduzione.

La forma dei procarioti è variabile:

• Cocco
• Diplococco
• Streptococco
• Stafilococco
• Bacillo
• Spirichette

Cellula eucariotica (10-100 µm)

Le cellule eucariotiche sono cellule molto più complesse. Sono circondate dalla membrana plasmatica. Nel citoplasma sono presenti diversi organelli aventi struttura e funzioni specifiche che consentono lo svolgimento delle varie attività cellulari in compartimenti distinti. Le cellule eucariotiche possono formare sia organismi unicellulari (protisti) ma anche pluricellulari.

Membrana cellulare

La membrana cellulare è un sottile involucro di circa 8nm di spessore che avvolge la cellula, separandola dall’ambiente circostante, e regola lo scambio di materiali con l’esterno. È costituita da un doppio strato fosfolipidico e proteine, ma contiene anche componenti presenti in minore quantità come carboidrati, colesterolo e glicolipidi. La membrana cellulare si presenta come un modello mosaico fluido. La fluidità della membrana dipende dalla componente lipidica. La membrana cellulare è semipermeabile e altamente selettiva.

Funzioni:

• Protezione meccanica
• Mantenimento della forma
• Permeabilità altamente selettiva delle sostanze
• Rapporti intra ed extracellulare

Fosfolipidi

I fosfolipidi sono molecole anfipatiche, cioè caratterizzate da una componente idrofila (gruppo fosfato) che compone la "testa", e una componente idrofobica (acidi grassi) che compone le due code. Nella membrana citoplasmatica possiamo trovare 3 fondamentali componenti che la caratterizzano:

• Lipidi: fosfolipidi, glicolipidi e steroli
• Proteine: intrinseche, integrali o periferiche che possono regolare il trasporto delle sostanze da esterno verso interno e viceversa
• Glucidi: oligosaccaridi che svolgono una funzione recettoriale e di riconoscimento intercellulare

Il colesterolo è un lipide molto importante in quanto ha la capacità di regolare la fluidità di membrana, rendendola più o meno rigida.

Funzione dei carboidrati

I carboidrati hanno una funzione importante per esempio nella determinazione del gruppo sanguigno. Gli oligosaccaridi sulle membrane degli eritrociti determinano il gruppo sanguigno generando il cosiddetto sistema AB0.

• Gruppo 0: nessuna aggiunta
• Gruppo A: N-acetilgalattosamina
• Gruppo B: Galattosio

Le glicoproteine mediano diversi processi biologici:

• Comunicazione cellulare
• Riconoscimento cellula-cellula
• Migrazione cellulare
• Infezione

Un ruolo importante delle glicoproteine è nel mediare l'adesione agli endoteli per la extravasazione dei globuli bianchi durante l’infezione.

Comunicazione cellulare

Negli organismi pluricellulari le singole cellule devono comunicare tra loro per coordinare le attività dei tessuti e degli organi. La comunicazione tra le cellule distanti avviene indirettamente attraverso messaggeri chimici trasportati dal sangue; una volta raggiunta la cellula bersaglio, queste sostanze si legano a recettori presenti sulla sua superficie, oppure ne attraversano la membrana, innescando modificazioni chimiche all’interno della cellula.

Le cellule a stretto contatto possono comunicare direttamente, scambiandosi materiali attraverso giunzioni di vario tipo. Le cellule eucariotiche presentano delle giunzioni intercellulari che permettono la comunicazione cellula-cellula di uno stesso tessuto. La comunicazione diretta è permessa grazie alla presenza delle proteine di membrana che consentono l'integrazione delle cellule nei tessuti.

Questa integrazione avviene a livello cellulare dovuta all’espressione regolata dalle molecole di adesione. Queste molecole consentono il riconoscimento tra cellule e la formazione di giunzioni specifiche, le molecole di adesione cellulare (CAM) e i recettori di adesione alla matrice extracellulare (ECM).

Le giunzioni hanno la funzione di:

• Connessioni di sostegno
• Impedire il passaggio intercellulare di materiali
• Stabilire una rapida comunicazione

Sono 3 le principali tipologie di giunzioni intercellulari:

• Desmosomi: sono costituiti da una placca densa localizzata sul lato citoplasmatico della membrana cellulare, unita a fibre di cheratina (filamenti intermedi) nel citoplasma e a proteine per l’adesione cellulare situate nel plasmalemma. Le proteine per l’adesione cellulare si estendono dalla placca densa di una cellula, attraverso la membrana cellulare, fino alla placca densa della seconda cellula. Strutture di questo tipo garantiscono la continuità del tessuto epiteliale e gli conferiscono un grado notevole di resistenza.
• Giunzioni occludenti: sono presenti negli epiteli di rivestimento di organi cavi come l’intestino, con la funzione di sigillare gli spazi presenti fra le cellule, impedendo il passaggio di materiali. Sono costituite da file di proteine di membrana che permettono l’adesione delle due cellule adiacenti formando una sorta di cintura.
• Giunzioni comunicanti: sono caratterizzate dalla presenza di complessi proteici, contenenti canali, inseriti nelle membrane delle cellule adiacenti. Queste proteine-canale permettono il transito di ioni e piccole molecole, come l’ATP e aminoacidi da una cellula all’altra. Questa tipologia di giunzioni la si trova spesso in cellule situate in tessuti dove è importante la trasmissione di segnali chimici ed impulsi come nel tessuto muscolare, cardiaco e nervoso.

Trasporto transmembrana

Le sostanze possono entrare e uscire dalla cellula attraverso due tipologie di trasporto: trasporto passivo e trasporto attivo.

Il trasporto passivo avviene secondo gradiente di concentrazione, cioè quando una sostanza si sposta da una zona in cui la sua concentrazione è maggiore a un'altra in cui la concentrazione è minore. Questo processo non richiede consumo di energia.

Il trasporto attivo avviene contro gradiente di concentrazione, cioè quando una sostanza si sposta da una zona in cui la sua concentrazione è minore a un'altra in cui la concentrazione è maggiore. Questa tipologia di trasporto richiede il consumo di energia che viene fornita dall’idrolisi dell’ATP.

Trasporto passivo

• Diffusione semplice
• Diffusione facilitata (mediata da proteine)
• Osmosi

Trasporto attivo

• Pompe Protoniche

Gradiente di concentrazione

Il gradiente di concentrazione è la forza che determina lo spostamento di una sostanza per diffusione, da una regione in cui è più concentrata a una in cui è meno concentrata.

Diffusione semplice

La diffusione semplice è il movimento netto delle particelle da una zona ad alta concentrazione a una minore di concentrazione; avviene secondo gradiente di concentrazione ed è un processo di tipo passivo. (O2 e H2O)

Osmosi

L’osmosi è una tipologia di diffusione e consiste nel passaggio di acqua attraverso una membrana semipermeabile che separa due soluzioni a diversa concentrazione. L’acqua passa spontaneamente da una soluzione meno concentrata (ipotonica) a una soluzione più concentrata (ipertonica). La pressione che occorre applicare alla soluzione più concentrata affinché il passaggio del solvente non avvenga è detta pressione osmotica.

Ponendo una cellula animale in una soluzione isotonica rispetto al citoplasma, non osserveremo nessuna variazione di volume. Con l’utilizzo di una soluzione ipotonica, quindi poco concentrata e molto diluita, noteremo una netta migrazione delle molecole d’acqua verso il citosol della cellula, gonfiandola e portandola, eventualmente, in lisi. Con la soluzione ipertonica, molto concentrata e poco diluita, noteremo delle molecole d’acqua che usciranno dalla cellula per equilibrare il sistema e quindi noteremo un raggrinzimento della cellula.

Diffusione facilitata

Le sostanze come ioni e zuccheri, che non possono attraversare la membrana citoplasmatica per diffusione semplice, possono essere trasportate mediante proteine di membrana che agiscono in modo specifico per ogni singola sostanza da trasportare. Nella diffusione facilitata si ha il trasporto di una sostanza secondo gradiente di concentrazione mediante una proteina di trasporto. Come la diffusione semplice, questo processo è di tipo passivo e quindi non necessita di consumo di energia.

Le proteine trasportatrici possono essere distinte in due categorie:

• Proteine vettrici: legano la sostanza che trasportano, poi cambiano conformazione rilasciandola al lato opposto della membrana.
• Proteine canale: formano pori attraverso la membrana. Non sono sempre aperte, ma la loro apertura avviene in seguito a segnali elettrici oppure al legame con una molecola specifica.

Il trasporto tramite proteine può essere di 3 tipi:

• Uniporto
• Antiporto
• Simporto

Trasporto attivo - pompe protoniche e potenziale di membrana

Il trasporto attivo è un tipo di trasporto che permette il passaggio di...