Appunti di Biologia applicata

Biologia

Organismo vivente

Un organismo vivente è un organismo che possiede proprietà diverse:

• Omeostasi: regolazione dell'ambiente interno al fine di mantenere costante l'equilibrio con l'ambiente esterno.
• Metabolismo: insieme di reazioni che si dividono in anabolismo (costruzione) e catabolismo (degradazione). All'interno di questo contesto, la percentuale di anabolismo è più alta perché è più ciò che si costruisce rispetto a ciò che si degrada; un organismo deve essere in grado di crescere e dividersi.
• Crescita e divisione o riproduzione, cioè capacità di produrre nuovi esseri simili a se stesso.
• Interazione con l'ambiente e adattamento (di tipo evolutivo- costituisce il fondamento dell'evoluzione).

Ci sono organismi pseudo viventi come i virus che non possono essere definiti veri organismi perché non sono in grado di replicarsi autonomamente. Tutti gli organismi viventi sono costituiti da materia vivente che è fatta da atomi. Più atomi formano le molecole. Noi siamo formati da due tipi di molecole:

• Organiche: carboidrati, lipidi, proteine, vitamine, acidi nucleici
• Inorganiche: acqua (H₂O), sali minerali

Acqua

L'acqua costituisce circa il 55% del peso corporeo. Questa percentuale aumenta più nei bambini, in alcuni animali (medusa) arriva fino al 90% circa.

• Tutte le altre sostanze inorganiche e organiche sono disciolte in essa.
• Le reazioni chimiche che caratterizzano la vita avvengono in ambiente acquoso.
• L'acqua stessa partecipa ad alcune di esse come le reazioni di idrolisi e condensazione. Le reazioni di idrolisi, dal punto di vista biologico, sono importanti specialmente quando si parla del lisosoma in quanto all'interno di essi ci sono degli enzimi che vengono chiamati idrolasi acide che hanno la funzione di degradare alcuni legami.
• Gioca un ruolo fondamentale nel mantenere la forma e l'organizzazione delle cellule e dei tessuti.

L'acqua va incontro a un trasporto passivo a livello delle nostre membrane che è l'osmosi, un tipo particolare di diffusione semplice; l'acqua, nonostante la sua parziale carica positiva/negativa che presenta, nel complesso funzionerà come una molecola neutra apolare.

Carboidrati o glucidi o idrati di carbonio o zuccheri

Sostanze ternarie che presentano carbonio, idrogeno e ossigeno. Possiamo avere zuccheri semplici o complessi: monosaccaridi (una molecola), disaccaridi (due molecole), polisaccaridi (centinaia). Si parte dal più semplice come la gliceraldeide (3 atomi di carbonio). In base al numero di atomi di carbonio si possono avere diversi composti: il glucosio per esempio è un esoso cioè (6 atomi).

Lipidi

Sostanze ternarie come i carboidrati solo che la percentuale di carbonio, idrogeno e ossigeno è diversa. Hanno la caratteristica, a differenza dei carboidrati, di essere sostanze idrofobiche; possiamo avere lipidi semplici (sono molecole sature cioè hanno legami singoli, e insature cioè legami doppi) e lipidi complessi (fosfolipidi e trigliceridi). I fosfolipidi sono i costituenti principali della nostra membrana e sono formati da una molecola di glicerolo che è un alcol (costituita da 3 atomi di carbonio, 2 di questi prendono legame con due molecole di acidi grassi, la terza si legherà a un gruppo fosfato che a sua volta legherà un alcol polare). Questo renderà i fosfolipidi molecole anfipatiche, cioè presentano una regione idrofilica ovvero con buona affinità con l'acqua e una regione idrofobica cioè non entra a contatto con l'acqua. La regione idrofobica è costituita da molecole di acidi grassi, quella idrofilica da alcol polare e gruppo fosfato.

Un fosfolipide è formato da una testa (idrofilica) polare e una coda idrofobica (apolare). L'altra molecola che ha una notevole importanza, e che è anfipatica, è il colesterolo. È un componente fondamentale delle membrane biologiche. Dal punto di vista strutturale, per quanto sia un lipide vero e proprio, anche il colesterolo come i fosfolipidi non è esclusivamente idrofobico ma come detto è anfipatico.

Proteine

Sostanze quaternarie formate da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Sono macromolecole formate da monomeri cioè amminoacidi. Ci sono 20 amminoacidi in natura ma negli ultimi anni ne sono stati scoperti altri due: pirrolisina e selenocisteina. Le proteine sono formate da amminoacidi caratterizzati da legami peptidici cioè legami che uniscono gli amminoacidi insieme. Quando due amminoacidi si legano tra loro si forma una catena e, l'amminoacido 1 mette nel legame la sua regione carbossi-terminale (un amminoacido ha un residuo carbossi-terminale e uno ammino-terminale).

Il primo amminoacido partecipa col residuo carbossi-terminale, il secondo con il residuo ammino-terminale, ma il secondo metterà il suo residuo carbossi-terminale per un terzo amminoacido e così via. Il primo residuo libero di una proteina, la prima parte di una catena sarà ammino-terminale, l'ultimo carbossi-terminale. Non tutte le proteine nascono nel RER, la loro nascita nel RER è direttamente correlata a un segnale che verrà presentato nella porzione ammino-terminale della proteina in via di sintesi.

Struttura delle proteine

• Struttura primaria: sequenza di amminoacidi che costituisce una proteina. Questi possono organizzarsi formando strutture secondarie ad alpha elica o foglietto beta pieghettato. Si possono avere anche strutture secondarie non organizzate il che significa che non hanno un'organizzazione che non si ripete costante.
• Struttura secondaria: caratterizzata da legami idrogeno tra gli NH ammidici ed i gruppi carbonilici dello scheletro polipeptidico. I tipi di struttura secondaria maggiormente presenti nelle proteine sono l'alfa-elica, il foglietto beta-ripiegato e il ripiegamento-beta.
• Struttura terziaria: le strutture secondarie si raggomitolano. Le prime 3 strutture ci sono SEMPRE ed in alcuni casi si ha anche:
• Struttura quaternaria: è data dall'unione di 2 o più unità proteiche. Il tipico esempio è l'emoglobina ma anche il collagene (ce ne sono tanti tipi di collagene, è la proteina maggiormente espressa nel nostro organismo).

Per quanto riguarda il ripiegamento della struttura terziaria, questo è favorito da alcune proteine che aiutano altre a ripiegarsi: le chaperonine. Il RER è ricco di queste proteine. Queste proteine sono come dei barilotti con un coperchio all'interno delle quali entra la proteina che deve ripiegarsi in struttura terziaria. Se il ripiegamento non avviene correttamente la proteina non funziona.

Tipi di proteine e funzioni

Altri tipi:

• Regolatrici
• Recettori
• Ormoni
• Anticorpi
• Accamulo
• Veleni e tossine

Acidi nucleici

Acidi perché nella loro composizione presentano acido fosforico; nucleici poiché si trovano a livello del nucleo della cellula. Sono due:

• DNA (si trova nel nucleo)
• RNA (sintetizzato nel nucleo ma poi svolge il suo compito nel citoplasma). Questo vale per la cellula eucariotica animale.

Dire che il DNA si trovi solo nel nucleo non è totalmente corretto. Se si parla di DNA genomico allora è corretto, ma se si parla di DNA in generale non è corretto perché noi abbiamo un DNA mitocondriale che si trova nel citoplasma. Gli acidi nucleici sono formati da nucleotidi. Un nucleotide è un insieme di:

• Zucchero ribosio (RNA), desossiribosio (DNA)
• Base azotata Purina o Pirimidina. L'adenina e la guanina sono purine, la citosina e la timina sono delle pirimidine. Nel caso dell'RNA al posto della timina c'è l'uracile. Adenina/timina sono tenuti insieme da 2 legami idrogeno; guanina/citosina da 3 legami idrogeno.
• Gruppo fosfato che insieme a un nucleoside costituisce appunto un nucleotide.

Quando si scrive un composto organico i carboni vengono numerati; si numerano partendo da quello alla destra dell'ossigeno. Al carbonio 1 si lega la base azotata; il carbonio 2 è importante perché avremo un OH nel caso del ribosio, un H soltanto nel desossiribosio; il carbonio 5 si lega con i gruppi fosfato. Il carbonio 3 si lega con OH. Questo insieme ai gruppi fosfato del carbonio 5 sono i protagonisti dei legami che si formano tra i nucleotidi all'interno di una catena nucleotidica. Così come per il legame peptidico per gli amminoacidi, il legame tra nucleotidi all'interno di una catena nucleotidica si chiama legame fosfodiesterico e si dice anche legame 3' 5' perché il primo nucleotide mette in gioco nel legame il 3' OH cioè OH legato al carbonio 3; il secondo nucleotide invece mette in gioco nel legame i gruppi fosfato del carbonio 5.

Un acido nucleico si legge in direzione sempre 5' → 3'. Il DNA è costituito da una doppia elica. Ognuna delle due emieliche sono antiparallele tra loro cioè sono posizionate al contrario. Se la prima emielica ha direzione 5' → 3' dall'alto verso il basso, nell'altra emielica la direzione sarà sempre 5' → 3' ma dal basso verso l'alto. Se c'è una polimerasi che deve aggiungere nucleotidi questi si legheranno dal lato del 3'. L'RNA ha singola elica.

Virus, viroidi e prioni

I virus sono endoparassiti perché hanno bisogno della cellula per vivere. Il virus mantiene ancora qualche caratteristica dell'organismo vivente. I viroidi appartengono al mondo vegetale e sono delle catene circolari di RNA infettanti le cellule vegetali. I prioni sono molecole proteiche infettanti. Hanno una struttura idrofilica ad alpha elica ma sono in grado di diventare idrofobiche (beta foglietto). Questo cambiamento nel prione riesce a modificare anche il prione adiacente e così via fino a formare una struttura infettante a forma di spugna, infatti si parla di encefalopatia spungiforme.

Membrana plasmatica

→ È la membrana che circonda e avvolge la cellula e funge da contorno e barriera di permeabilità della cellula, ma possono anche compartimentare cioè dividere degli spazi che servono a qualcosa (per esempio nucleo e citoplasma); ha una funzione importante per la trasduzione del segnale mediante un recettore ad una sequenza di molecole (effetto a cascata) fino ad ottenere una risposta cellulare (metabolismo ad esempio); permette la comunicazione tra più cellule (giunzioni cellulari che servono oltre ad unire due cellule anche a metterle in comunicazione). Un'altra funzione fondamentale è quella del trasporto di membrana e quindi la permeabilità e come questo trasporto viene controllato.

Struttura

Il modello principale delle membrane biologiche è a mosaico fluido dove per fluido si intende la componente fosfolipidica, per mosaico la componente proteica. Questo vale per tutte le membrane ma può variare la percentuale di queste componenti sempre a seconda del ruolo e della funzione della membrana. I mitocondri sono formati da due membrane: una membrana mitocondriale interna ed una esterna. Queste due membrane hanno una piccola differenza: quella esterna è costituita dal 70% di fosfolipidi e 30% di proteine, quella interna 70% proteine e 30% fosfolipidi. Le due membrane hanno infatti funzioni differenti; quella interna si ripiega su se stessa formando le creste mitocondriali che hanno una quantità di proteine di sopra elevatissima e sono tutte quelle della catena di trasporto degli elettroni più il complesso FoF1, e ATP sintetasi perché la funzione del mitocondrio è quella di sintetizzare ATP e questo avviene a livello delle creste. Quindi questa membrana ha una funzione particolare.

I lipidi di membrana si dividono in:

• Fosfolipidi (fosfogliceridi e sfingolipidi)
• Glicolipidi (cerebrosidi e gangliosidi)
• Steroli (colesterolo)

I fosfolipidi sono molecole anfipatiche cioè presentano una porzione polare idrofilica e una apolare idrofobica. Nel doppio strato fosfolipidico che costituisce la membrana plasmatica, le porzioni idrofiliche (teste) si organizzano verso lo strato più acquoso cioè l'ambiente extracellulare e quello citoplasmatico cioè intracellulare, le porzioni idrofobiche (le code) invece interagiscono tra loro. Gli acidi grassi possono essere saturi e insaturi: nel caso in cui siano insaturi cioè con doppi legami ci sarà un punto di insaturazione. In questo punto il fosfolipide andrebbe incontro a ripiegamento. In mezzo ai fosfolipidi si trova il colesterolo (steroide, il più abbondante) che presenta una piccola porzione idrofilica e una idrofobica. La porzione idrofilica entra in contatto con la parte idrofilica dello strato fosfolipidico, la parte idrofobica interagirà con le code dei fosfolipidi.

I vari fosfolipidi tra loro non sono legati ma interagiscono. Tra i fosfolipidi di membrana si formano delle interazioni chimiche deboli che sono chiamate interazioni di Van der Waal's. I fosfolipidi che troviamo a livello della membrana possono compiere dei movimenti. Alcuni sono spontanei altri avvengono solo in determinati momenti:

• Diffusione laterale (principale, spontaneo): il fosfolipide si muove lateralmente all'interno dello strato in cui si trova.
• Rotazione (principale, spontaneo): rotazione del fosfolipide sempre nello strato in cui si trova.
• Diffusione trasversale: non avviene spontaneamente ma ha bisogno di essere catalizzato da enzimi (lipasi, movimento a flip flop) e si passa da uno strato ad un altro.
• Rimescolamento: operato dalle scramblasi.

Anche le proteine che troviamo a livello delle membrane si muovono in maniera meno evidente però rispetto ai lipidi. Una membrana per funzionare correttamente deve avere una giusta fluidità che è data dalla temperatura di transizione. Ciò che può influenzare la fluidità delle nostre membrane è la variazione della temperatura. Se aumenta la temperatura si rompono i legami deboli e aumenta la fluidità della membrana. Se si abbassa, le forze di van der Waals aumentano e si creano più legami: si ha la solidificazione o meglio la gelificazione cioè tende a gelificare.

Altri fattori che influenzano sono:

• Lunghezza degli acidi grassi dei fosfolipidi: più lunghi sono meno fluida sarà la membrana.
• Livello di saturazione degli acidi grassi: insaturi sarà più fluida la membrana, perché la distanza si riduce in quanto il fosfolipide si ripiega.
• Il colesterolo: viene chiamato anche tampone di fluidità. Ha effetti benefici ma in eccesso porta effetti negativi. Una soluzione tampone in chimica è una soluzione che a piccole alterazioni di base o di acido in una soluzione, la soluzione tampone fa sì che il pH resti invariato. Il tampone quindi fa sì che a piccole variazione di un qualcosa non vari la condizione. Nel caso del colesterolo, a piccole variazioni di temperatura la fluidità resta costante.

Proteine di membrana

• Proteine integrali entrano all'interno del doppio strato fosfolipidico.
  • Multimeriche sono due monopasso, quindi sono due catene proteiche diverse che dimerizzano (si uniscono) e funzionano sempre insieme. Il dimero è l'insieme di due monomeri.
  • Monopasso proteine trans membrana, attraversano tutta la membrana e si affacciano su tutti e due versanti ma l'attraversano una volta soltanto.
  • Multipasso l'attraversano più volte. Sono sempre trans membrana. È una sola proteina che ripiegandosi attraversa più volte la membrana (differenza con multimeriche).
  • Monotopiche si affacciano solo su un versante.
• Proteine periferiche semplici non entrano nel doppio strato fosfolipidico ma si appoggiano sulla parte periferica della membrana.
• Proteine ancorate ai lipidi sono sempre proteine periferiche (interagiscono con la parte idrofilica) presentano un legame con uno dei lipidi di membrana mentre le semplici no.

Trasporto di membrana

• Trasporto passivo: passaggio di molecole attraverso la membrana senza spesa di energia secondo gradiente di concentrazione (da dove c'è più concentrazione a dove ce n'è di meno). È molto naturale questo trasporto perché si tende ad equilibrare. Si divide in:
  • Diffusione facilitata
  • Diffusione semplice
  • Osmosi
• Diffusione dell'acqua (solvente) che si sposta dove la concentrazione di soluto è maggiore.
• Trasporto attivo: va contro gradiente di concentrazione cioè passaggio di molecole attraverso la membrana con spesa di energia sotto forma di ATP (da dove ce n'è di meno a dove ce n'è di più). Si differenzia in:
  • Diretto
  • Indiretto

Diffusione semplice

→ Avviene secondo gradiente di concentrazione, le sostanze che devono diffondere lo fanno attraverso la membrana. Uno ione qualunque non può attraversare per diffusione semplice la membrana e questo dipende dalla polarità. Tutto ciò che non può attraversare la membrana utilizza la diffusione facilitata.

Diffusione facilitata

→ Avviene sempre secondo gradiente di concentrazione e senza dispendio di energia. In questo caso ci devono essere proteine specifiche che vanno in aiuto a tutto ciò che non può passare:

• Proteine carrier
• Proteine canali: i canali sono essenzialmente per gli ioni (canale ionico) e ci saranno vari canali per i vari tipi di ioni.