Biologia Animale

Biologia animale 2015/2016

Tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule, contenenti tutto il materiale genetico (DNA) che a sua volta contiene l’informazione per tutte le attività cellulari. I geni sono tratti di DNA utilizzati per costruire macromolecole, ovvero le proteine.

Citoplasma e struttura della cellula

• Contiene il corpo cellulare
• Nucleoide o nucleo (DNA)
• Membrana plasmatica

Fondamentale per l’attività cellulare è l’energia, ricavabile dal glucosio, fonte iniziale per ricavare ATP (unica fonte di energia utilizzabile dalla cellula).

Metabolismo

Reazioni biochimiche, metabolismo

• Anabolismo: per costruire
• Catabolismo: per distruggere

Negli organismi pluricellulari le cellule si specializzano a svolgere funzioni specifiche, tuttavia mantenendo lo stesso materiale genetico, DNA (cambiano solamente le diverse parti attive).

Domini principali e regni

3 domini principali: Bacteria, Archaea e Eukarya, divisi a loro volta in 6 regni: Bacteria, Archaea (procarioti), Plantae, Protistae, Fungi e Animalia (eucarioti).

Procarioti

• Principalmente batteri e si dividono in Eubatteri e Archeobatteri. Eubatteri: es. E. Coli, tutti i batteri e le alghe azzurre (cianobatteri).
• Archeobatteri: simili agli eubatteri per struttura cellulare ma più simili agli eucarioti per altre caratteristiche (come le sequenze di rDNA, replicazione, trascrizione e traduzione).

Batteri

Possono avere forma sferica (cocchi), forma a bastoncino; hanno peptidoglicani. Se durante l’esperimento vengono colorati, significa che la membrana è molto spessa (GRAM +) in quanto entra il colore e non ne esce più (sensibili alla penicillina). Se invece si decolorano (GRAM -) significa che la loro parete cellulare è molto sottile e permette al colore di riuscire.

Cianobatteri

Procarioti che possiedono delle strutture membranose capaci di svolgere l’attività fotosintetica, i tilacoidi.

Archeobatteri

Sono i procarioti più antichi che riescono a vivere solo in condizioni estreme (es. quelli del Mar Nero, estremofili), sorgenti vulcaniche in ebollizione o in acque estremamente salate (alofili). Questi non hanno peptidoglicani nella parete cellulare, i loro lipidi sono differenti rispetto a quelli dei batteri e i loro RNA e proteine ribosomiali sono più simili a quelle eucariotiche.

Differenze principali tra eucarioti e procarioti

• Eucarioti: possono essere unicellulari o pluricellulari, hanno dimensioni da 10 a 50 volte maggiori dei procarioti, e solamente le cellule vegetali possono avere una parete cellulare. Il loro DNA è contenuto nel nucleo e il loro interno è caratterizzato da compartimentalizzazione.
• Procarioti: sono solamente unicellulari, hanno dimensioni ridotte da 0,2 a 1,5 micrometri (comprendono i microplasmi, i più piccoli procarioti che non hanno la parete), possono avere una capsula e una parete cellulare. Il loro materiale ereditario è in ambiente acquoso, sparso all’interno della cellula (non delimitato).

Macromolecole

Le macromolecole contengono per forza legami covalenti (per definizione), ma possono avere anche altri tipi di legami che stabilizzano la forma tridimensionale della molecola:

• Legami idrogeno
• Legami ionici
• Interazioni idrofobiche o forze di Van Der Waals
• Ponte di solfuro (legame covalente)

Legame covalente: creato dalla condivisione di elettroni che completano lo strato esterno, tende a formare legami idrogeno (molto deboli) con le altre molecole (serve molta energia per rompere il legame idrogeno in quanto è debole ma ce ne sono molti).

Molecole idrofile e idrofobe

• Molecola idrofila: uno ione o una molecola con legami covalenti polari reagiscono con l’acqua.
• Molecola idrofoba: molecola contenente legami covalenti non polari (legami di Van Der Waals).

Carboidrati

I carboidrati sono molecole composte da atomi di C, H, O. Si dividono in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

Monosaccaridi

Sono i carboidrati più semplici perché non sono idrolizzabili; sono facilmente solubili in acqua. A questa categoria appartengono zuccheri come quelli nell’immagine. La numerazione di un monosaccaride viene effettuata in modo da assegnare al gruppo aldeidico (o chetonico) il numero più basso possibile. La presenza di un atomo di carbonio asimmetrico dà la possibilità di formare una coppia di isomeri ottici (enantiomeri) che sono in grado di ruotare il piano della luce polarizzata verso destra o verso sinistra. La coppia di enantiomeri si differenzia in base alla posizione dell’OH del penultimo gruppo alcolico che, se è a destra parte dalla D-gliceraldeide, se è a sinistra parte dalla L-gliceraldeide. Appartenere alla serie D o alla serie L non ha alcuna relazione con il possedere attività ottica + o -.

Con il tempo, alcuni studiosi ipotizzarono l’esistenza di una forma ciclica, infatti essi fanno muta rotazione. È un fenomeno macroscopico in cui all'inizio quando mettiamo in soluzione uno zucchero abbiamo solo quello, che inizia ad aprire la sua forma ad anello. Si apre e si chiude prima in alpha poi in beta, ed hanno un potere ottico diverso. A un certo punto si stabilizza e l'angolo di rotazione non cambia più. Se i diastereoisomeri (ovvero due stereoisomeri che non sono un’immagine speculare dell’altro) differiscono per un solo centro chirale sono detti epimeri. Gli anomeri sono i nuovi centri chirali che si formano quando il monosaccaride forma un anello. Può essere alpha (se il primo OH è opposto al CH₂OH) o beta (il contrario). Enantiomeri vuol dire che sono l'immagine speculare uno dell'altro. Molto importante è la proiezione di Haworth: se l'ultimo OH è a destra, CH₂OH è sopra, se è a sinistra CH₂OH è sotto. Se gli OH della catena sono a sinistra vanno sopra, se sono a destra vanno sotto.

Disaccaridi

I monosaccaridi possono formare i disaccaridi se si verifica l’unione di due unità di monosaccaridi: il legame che tiene uniti i due monomeri è detto legame glicosidico e interessa il carbonio anomerico di un monosaccaride ed un gruppo alcolico dell'altro, con eliminazione di una molecola d'acqua. I disaccaridi più comuni sono il lattosio, maltosio, saccarosio e cellobiosio.

• Maltosio: Deve il proprio nome al fatto che è presente nel malto, il liquido che si ottiene dalla fermentazione dell'orzo e di altri cereali. È presente nei semi germinanti come quelli dell'orzo, quando scindono le loro riserve di amido da utilizzare come nutrimento. A temperatura ambiente è un solido bianco e igroscopico. È composto da due unità di α-D-glucopiranosio (quindi glucosio+glucosio) legati da un legame α1→4. È uno zucchero riducente e fa muta rotazione.
• Cellobiosio: Per idrolisi parziale della cellulosa si ottiene il cellobiosio. Questo disaccaride differisce dal maltosio solo per la configurazione del legame glucosidico (al posto di essere alpha come nel maltosio è beta). Solamente i ruminanti ed altri tipi di mammiferi che si cibano di erba, sono in grado di utilizzare il glucosio della cellulosa, grazie alla presenza, nel loro sistema digerente, di batteri che rompono tale legame. È composto da 2 unità di β-D-glucopiranosio (quindi glucosio+glucosio) legati tra loro da un legame β1→4. È uno zucchero riducente e fa muta rotazione.
• Lattosio: È l’unico disaccaride di origine animale ed infatti costituisce lo zucchero del latte e viene sintetizzato dalle ghiandole mammarie. L’idrolisi del lattosio necessita dell’enzima lattasi di cui gli adulti in maggior parte sono privi. Da questo deriva l’intolleranza al latte. È costituito da una molecola di β-D-Galattopiranosil e una molecola di α-D-Glucopiranosio (quindi galattosio + glucosio) legati da un legame β1→4. È uno zucchero riducente e può fare muta rotazione.
• Saccarosio: È il comune zucchero da tavola. Si trova in notevole quantità nelle piante fotosintetiche dove rappresenta la forma di trasporto dell’energia dalle foglie (sede della fotosintesi) alle altre parti dell’organismo, nonché una fonte energetica di riserva. È composto da una molecola di β-D-fruttofuranosil e una molecola di α-D-glucopiranosio (quindi fruttosio + glucosio) legati da un legame β2→1 e α1→2. Non è uno zucchero riducente e non fa muta rotazione.

Polisaccaridi

Sono glucidi che per idrolisi forniscono più molecole di monosaccaride, i più importanti sono l’amido, la cellulosa, il glicogeno.

• Cellulosa: È polisaccaride di origine vegetale, costituisce le pareti delle cellule vegetali e conferisce robustezza e rigidità alla pianta (funzione strutturale e di sostegno). L’organismo umano non è in grado di digerirlo perché non dispone dei batteri in grado di convertire il legame. È formato da β-D-glucopiranosio legati da legami glicosidici ed ha una struttura lineare.
• Amido: È prodotto dalle piante verdi durante il processo di fotosintesi; è un componente della parete cellulare nelle piante, costituisce le zone rigide delle loro fibre e serve come magazzino di energia (funzione accumulatore di energia che immagazzina glucosio). È formato da due polimeri di α-D-glucopiranosio: 20% di amilosio (solubile in acqua e di struttura lineare con legami α1→4) e 80% amilopectina (è insolubile in acqua ed ha una struttura ramificata con legami α1→6).
• Glicogeno: È la fonte di deposito e di riserva del glucosio negli animali. È formato da polimeri di α-D-glucopiranosio ed ha una struttura ramificata con legami α1→4 e α1→6.

Lipidi

I lipidi sono delle molecole biologiche che sono insolubili in acqua ma solubili in solventi non polari. Sono una famiglia eterogenea (ovvero non è possibile indicare una formula comune a tutti) ma hanno in comune la stessa solubilità. Si dividono in:

• Trigliceridi: sono composti semplici costituiti da un alcol, il glicerolo legato ad acidi grassi, formato attraverso la condensazione e la formazione di legami estere tra gruppi OH del glicerolo e il gruppo carbossilico dell’acido. Il glicerolo può formare un legame estere con altrettanti acidi grassi. I trigliceridi a temperatura ambiente si dividono in grassi (solidi) e olii (liquidi) e questo dipende dal loro diverso punto di fusione. I trigliceridi si dicono saturi se non hanno doppi legami e quindi sono solidi a temperatura ambiente, e insaturi se hanno doppi legami e sono liquidi a temperatura ambiente. I trigliceridi hanno sempre un numero pari di carboni (indicato con C), se hanno dei doppi legami vengono indicati con Δ9().
• Fosfolipidi: è una molecola anfipatica, in quanto è costituita da una zona idrofoba e da una idrofila. Due gruppi alcolici del glicerolo sono esterificati con acidi grassi, mentre il terzo è esterificato con l’acido fosforico: un gruppo polare (amminoacido) + un gruppo fosfato + glicerolo + due catene di acido grasso (apolare, idrofobico). Formano il 40% della membrana cellulare e sono molto importanti perché sono dei tensioattivi naturali. Hanno una porzione polare e una non polare. Il capostipite dei fosfolipidi è l’acido fosfatidico da cui derivano gli altri fosfogliceridi per ulteriore esterificazione.

Se mettiamo una miscela di fosfolipidi in soluzione acquosa, questi tendono spontaneamente a formare doppi strati detti liposomi (sfera che ha una parete doppia di fosfolipidi, in quanto le teste idrofile interagiscono con l’acqua mentre le code apolari di un monostrato interagiscono con quelle del monostrato adiacente). Nella membrana plasmatica, solo delle cellule eucariotiche, possiamo trovare anche il colesterolo. Questo è formato da anelli fusi uno con l’altro, struttura idrofobica con in cima uno ione ossidrile (testa polare piccolissima) quindi si mette verso la testa polare del fosfolipide e la parte idrofobica verso il lato apolare della membrana. È molto importante per tenere separate le molecole dei fosfolipidi.

Membrana plasmatica

Nella membrana oltre al doppio strato fosfolipidico si possono trovare le proteine di membrana (attraversano trasversalmente il doppio strato fosfolipidico, i loro aminoacidi che si trovano nella parte apolare avranno gruppo R idrofobici, mentre quelli rivolti verso l’esterno o l’interno, ambienti acquosi, avranno aminoacidi con gruppo laterale polare). Queste svolgono la maggior parte delle funzioni specifiche della membrana plasmatica e possono essere qualificate secondo quante volte attraversano la membrana plasmatica:

• Monopasso: passa una volta sola
• Multipasso: passa più volte (sembrano tre proteine attaccate vedi disegno)
• Ancorate a lipidi
• Periferiche: sono proteine che non interagiscono di per sé con il doppio strato, ma rimangono a livello della membrana in quanto interagiscono con altre proteine che invece interagiscono con la membrana plasmatica (riuscivano attraverso esperimenti ad allontanarli facilmente dalla membrana plasmatica).

Caratteristiche e proprietà della membrana plasmatica

• Delimita esternamente i contorni della cellula.
• Contiene delle proteine di trasporto per il movimento di sostanze tra interno ed esterno e viceversa, contiene inoltre recettori per rilevare segnali esterni e trasdurre i segnali, fornisce inoltre i dispositivi per la comunicazione cellula-cellula per l’adesione cellulare.

Le proprietà della membrana plasmatica sono:

• Asimmetria del doppio strato fosfolipidico: i due strati hanno composizione differente (ovvero differenti fosfolipidi/glicolipidi tra interno ed esterno: i glicolipidi non si trovano mai nello strato interno, fosfolipidi come la fosfatidilserina e mai in quello esterno (se va all’esterno la cellula sta morendo → apoptosi).
• Fluidità: i fosfolipidi si muovono, anche lateralmente e ruotano attorno al proprio asse, e si possono spostare da uno strato all’altro (movimento rarissimo, diffusione trasversale “flip-flop”). La fluidità della membrana plasmatica è influenzata da:

• Temperatura: intorno ai 37°C i fosfolipidi hanno una struttura non ordinata che favorisce uno strato fluido, a gradi minori invece i fosfolipidi tendono ad avere una struttura ordinata che favorisce uno stato cristallino.
• Lunghezza ed insaturazione degli acidi grassi: quando le catene sono lunghe e sature favoriscono uno stato cristallino; quando invece sono corte e insature favoriscono uno stato fluido.
• Colesterolo: ad alte temperature contrasta l’eccessiva fluidità e a basse temperature contrasta lo stato cristallino, in quanto si interpone tra i fosfolipidi.

Modello di membrana di Singer e Nicolson: “a mosaico fluido”.

Inizialmente pensavano che tutta la membrana plasmatica fosse uguale dappertutto: in realtà il doppio strato fosfolipidico non è omogeneo:

• Regioni non specializzate: misto di lipidi e fosfolipidi (non particolari)
• Regioni specializzate: distretti particolari detti microdomini raft (regioni in cui predominano alcuni lipidi, e rendono la membrana meno fluida) e caveole (invaginazioni della membrana plasmatica, caratterizzate dalla presenza di proteine denominate caveoline che interagiscono con le molecole segnale e costituiscono l’impalcatura per organizzare i pre-assemblati complessi della segnalazione, dei complessi sempre fatti di proteine che servono per portare dentro la cellula un segnale).

La composizione lipidica delle membrane cambia sempre in percentuale da una regione all’altra (anche la composizione chimica) es. la cardiolipina (fosfolipide doppio presente soltanto nella membrana interna del mitocondrio o nei batteri). Anche le proteine si muovono nella membrana plasmatica grazie alla fluidità della stessa: per dimostrarlo hanno creato un modello sperimentale unendo una cellula umana e una di topo, marcando le proteine di membrana con anticorpi da fluorescenza rossa contro una proteina di membrana umana (specie di sonde), e anticorpi verdi contro quella del topo, dopo 40 minuti si erano mescolate.

Proteine

Le proteine sono delle macromolecole (con alti pesi molecolari) che hanno come monomeri gli amminoacidi, e sono le molecole maggiormente presenti nelle cellule animali. Gli amminoacidi sono legati tra loro grazie ad un legame peptidico (per condensazione tra un gruppo carbossilico del primo amminoacido e gruppo amminico del secondo con perdita di H₂O) e, in base a come si combinano i diversi amminoacidi, la proteina che ne risulta avrà specifiche funzioni, tra le quali:

• Funzione enzimatica: sono enzimi (catalizzatori biologici) che accelerano la velocità delle reazioni chimiche nelle cellule (per es. gli enzimi del metabolismo energetico che favoriscono le reazioni chimiche in grado di produrre ATP, fonte principale di energia cellulare).
• Funzione di trasporto: soprattutto quelle trasmembrana, inserite appunto nella membrana plasmatica della cellula che servono a trasportare molecole dall’esterno della cellula all’interno e viceversa (per es. l’emoglobina in quanto è presente nei globuli rossi ed è destinata al trasporto dei gas, o l’albumina che trasporta le molecole nel sangue), possono essere carriers, pompe o canali ionici che garantiscono un controllo delle sostanze che entrano/escono dalla cellul...