Biologia applicata - Appunti

Biologia applicata

La biologia è lo studio scientifico degli esseri viventi. Gli esseri viventi hanno delle caratteristiche comuni: sono formati da una o più cellule, si originano per divisione delle cellule preesistenti, hanno informazioni genetiche usate per riprodursi, si evolvono, estraggono energia dall’ambiente circostante da usare per le loro funzioni, usano molecole ottenute dall’ambiente per sintetizzare nuove molecole e possono regolare il loro ambiente.

Caratteristiche degli esseri viventi

Gli esseri viventi sono unicellulari se formati da una sola cellula che svolge tutte le funzioni vitali, pluricellulari se sono costituiti da varie cellule divise in base alle diverse funzioni specializzate e che si definiscono già in fase precoce di origine. La cellula è l’unità strutturale e funzionale che costituisce tutti gli organismi viventi. Tutte le cellule hanno in comune tre caratteristiche: la membrana plasmatica, materiale genetico nel nucleo o nucleoide e un citoplasma.

Tipi di cellule

Ci sono due tipi di cellule:

• Procariote: organismi più semplici (di solito unicellulari) di varia forma e privi di membrana nucleare con il DNA contenuto in un nucleoide immerso nel citoplasma. Presentano una parete cellulare per proteggere la cellula (strato rigido di spessore variabile) che viene colorata col GRAM per poter distinguere i batteri GRAM positivi (peptidi) e negativi (fosfolipidi); inoltre presentano un flagello che consente loro il movimento.
• Eucariote: più complesse, hanno una "compartimentalizzazione", cioè le varie funzioni avvengono in luoghi delimitati e separati tra loro, gli organuli. Ciò presenta vantaggi (risparmio energetico per svolgere funzioni, attività pericolose per la cellula racchiuse in organuli specifici) e svantaggi (le attività sono comunque legate tra loro, perciò servono percorsi di attività e smistamento di prodotti da un organulo all’altro; inoltre i prodotti vanno trasportati).

Funzioni delle cellule

Le cellule hanno inoltre una complessità di funzioni: contengono un programma genetico nel DNA, contenuto nel nucleo, costituito da geni che contengono le informazioni sulle cellule; inoltre svolgono varie reazioni chimiche, sono impegnate in numerose attività meccaniche e sanno rispondere agli stimoli; infine si auto-regolano oltre a riprodursi. In base alla funzione ci sono vari tipi di cellule eucariotiche diverse per struttura (le più complesse sono i neuroni).

Metodo scientifico

I biologi studiano le cellule e in generale gli organismi viventi con il metodo scientifico:

• Effettuare osservazioni
• Porsi domande
• Formulare ipotesi
• Fare previsioni basate sulle ipotesi
• Verificare le ipotesi e previsioni

Molecole e legami chimici

La materia è costituita da elementi chimici in forma "pura" o in combinazione (elementi "composti"). Gli elementi puri non possono essere scomposti in altre sostanze mentre un composto può contenere due o più elementi. Gli elementi essenziali per la vita sono carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto.

La parte più piccola di un organismo vivente è l'atomo che distingue le proprietà di un elemento: sono formati da un "nucleo" (protoni e neutroni in parti uguali) e degli "orbitali" di elettroni che ruotano intorno ad esso formando una nube di carica negativa; gli elettroni passano da un orbitale all’altro quando avviene un’eccitazione causata dall’assorbimento o dalla perdita di energia durante la rotazione. Così questo passaggio degli elettroni avviene per la differenza di energia; dunque gli atomi non sono energicamente inerti ma possono assorbire e perdere energia portando ad una condivisione o ad un passaggio di elettroni: ciò è definito "legame" che forma delle molecole e più i legami sono forti più energia ci va a romperli.

Tipi di legami

• Covalenti: legami forti che si formano con la condivisione di una o più coppie di elettroni (atomi di H).
• Ionici: sono formati dal passaggio di elettroni da un atomo all’altro, così l’atomo che perde o prende elettroni diventa uno "ione" (sostanza dotata di carica +catione o –anione), dunque gli atomi più elettronegativi attirano la carica di quelli meno elettronegativi.
• Idrogeno: sono alla base della proprietà dell’acqua e consistono in interazioni elettriche deboli tra atomi di H positivi e di N o O negativi di un’altra molecola (H₂O con O più elettronegativo dell’H); ciò conferisce proprietà uniche e caratteristiche dell’acqua importanti per la vita: "coesione" (tensione superficiale), "cambiamento di stato" (permette controllo escursioni termiche) e "solvente della vita" (le sostanze disciolte in acqua formano una soluzione che può essere idrofila o idrofoba).

Acidità e basicità

Gli organismi sono sensibili alle condizioni di acidità e basicità: quando uno ione H⁺ passa da una molecola all’altra aumenta l’acidità della soluzione in cui è passato perché porta una carica +, dunque gli acidi sono quei composti che in una soluzione cedono ioni H, la basi accettano questi ioni. Il limite di pH per definire una sostanza acida è 7, al di sopra è acida, se pH=7 è neutra. Il pH deve rimanere stabile nell’acqua perché la vita sul pianeta funzioni, infatti è necessario limitare la presenza di carburanti fossili nell’atmosfera perché essi liberando CO₂ portano a aumento di T e a precipitazioni acide che possono danneggiare la vita nei mari e nei laghi e la vegetazione.

Composizione degli esseri viventi

Gli esseri viventi sono formati per il 70% d’acqua, il 20% di macromolecole e 5% di ioni e piccole molecole. In ogni essere vivente ci sono quattro tipi di macromolecole presenti nella stessa proporzione: 55% di proteine, 25% di acidi nucleici, 15% carboidrati e 5% lipidi. Ogni macromolecola può avere una sua funzione che può però essere simile a quella delle altre, per esempio proteine e carboidrati possono avere un ruolo strutturale e gli acidi nucleici sono specializzati nella conservazione dell’informazione (le funzioni dipendono dalla forma nello spazio e dalla struttura). La maggior parte delle molecole biologiche sono polimeri formati da unità semplici i monomeri: ci sono gruppi di atomi chiamati "gruppi funzionali" ognuno con proprietà chimiche ben definite che caratterizzano la molecola che formano, essi sono presenti in grandi quantità nelle macromolecole e la varietà di essi determina la forma e le interazioni tra macromolecole e molecole piccole (per esempio il gruppo ossidrile OH attira H₂O). I polimeri si formano a partire dai monomeri attraverso una serie di reazioni chiamate "reazioni di condensazione" o "disidratazione" e tutte le reazioni di disidratazione necessitano di energia per poter avvenire; l’inverso di una reazione di condensazione è la "reazione di idrolisi" che digerisce i polimeri liberando i monomeri, ciò perché l’acqua reagisce coi legami covalenti dei polimeri.

Macromolecole

• Proteine: hanno vari ruoli: trasporto, protezione, struttura, regolazione e movimento; formati da monomeri di 20 amminoacidi hanno una struttura complessa composta da un gruppo amminico (H⁺N) e uno carbossilico (C⁺O) uniti in un "legame peptidico" per condensazione.
• Carboidrati: sono zuccheri, amidi e cellulosa, costituiti da C, H e O e costituiscono riserve di energia; se c’è una sola molecola di zucchero si chiama "monosaccaride" (da due a sette atomi di C, il più comune è il glucosio 6C), se due molecole si chiama "disaccaride" (formati da legami glucosidici, il più comune è il saccarosio=1glucosio e 1 fruttosio), se ci sono più molecole è un "polisaccaride" cioè catene di zuccheri semplici che possono essere facilmente degradabili (riserve energetica) o no (funzione strutturale), come l’amido e il glicogeno che sono idrosolubili, o la cellulosa che non lo è.
• Lipidi: sono formati da C, H o poco O e sono insolubili in acqua, ne fanno parte grassi e ormoni sessuali; le catene di acidi grassi sono i "trigliceridi" (i più diffusi) formati da acidi grassi + glicerolo e hanno funzione di riserva energetica; possono essere saturi se formati da catene lineari, insaturi se da catene doppie.

Organuli cellulari

Le cellule (riassunto)

• Nucleo: contiene DNA che insieme alle proteine forma la "cromatina" che costituisce i cromosomi, rivestito da un doppio strato di membrana nucleare dove ci sono dei "pori nucleari" a forma di fiore costituiti da complessi proteici che servono a facilitare il trasporto di molecole tra nucleo e citoplasma.
• Reticoli endoplasmatici: rugoso (coperto di ribosomi) per sintesi proteine, liscio per sintesi lipidi.
• Apparato di Golgi: elabora e impacchetta le proteine ("gemmazione") traghettandole in una vescicola dalla faccia "cis" (più vicina ai reticoli) alla faccia "trans" (vicina alla membrana cellulare) e durante il tragitto l’apparato modifica chimicamente le proteine indirizzandole poi nelle varie destinazioni, infatti nell’elaborazione sono state elaborate in base alle varie funzioni e marchiate con catene saccaridi che per poter essere riconosciute dagli specifici organuli.
• Lisosomi: servono a sintetizzare lipidi e proteine degradando le sostanze assimilate dalle cellule e sintetizzandole (per fagocitosi o per autofagia).
• Mitocondri: servono per la respirazione cellulare dove si trasforma lo zucchero in ATP, è circondato da una doppia membrana con uno spazio intermembrana in mezzo; la membrana interna è piena di "creste mitocondriali" che sono suoi prolungamenti e sono utili a rendere più efficace la respirazione.
• Perossisomi: sono organuli più piccoli che servono a sintetizzare il perossido di idrogeno (acqua ossigenata) tossico per l’uomo e che viene degradato attraverso l’"enzima perossidasi".
• Citoscheletro: determina la forma della cellula e gli permette di muoversi: è composto da microtubuli (filamenti proteici che regolano il movimento assonale tra le sinapsi e servono nella divisione cellulare), microfilamenti (formati da due filamenti di actina di forma elicoidale) e i filamenti intermedi (cilindri di otto filamenti proteici).

Le cellule secernono il collagene, una matrice extracellulare formata da proteine che permette l’ancoramento della cellula alle altre, forma la cartilagine e gli altri tessuti, filtra i materiali che passano nei tessuti e contribuisce a segnalare chimicamente le varie cellule oltre che essere utile ad orientare i movimenti cellulari nello sviluppo embrionale. La quantità di matrice varia a seconda del tessuto: nel tessuto nervoso la matrice è scarsa, nel tessuto osseo o cartilagine è abbondante.

Cellule vegetali

Le cellule vegetali eucariote presentano tre elementi in più rispetto alle altre: i plastidi (per la fotosintesi), la parete cellulare (per proteggere) e i vacuoli (riserva idrica).

• Plastidi: sono organuli formati da DNA, RNA e ribosomi, si dividono in cloroplasti (per fotosintesi che producono materiale alimentare da CO₂, acqua e sole), cromoplasti (producono i pigmenti colorati nei semi, nei fiori e nei frutti), leucoplasti (plastidi incolori che fungono da deposito energetico), amiloplasti (deposito di zuccheri in amido).
• Cloroplasti: servono a produrre energia con la fotosintesi trasformando tramite ATP la CO₂ in glucosio, ciò avviene nello "stroma" cioè la parte che circonda i "tilacoidi" (dischetti che formano il "grano" cioè le pile di tilacoidi connessi dalla "lamella").
• Vacuoli: è una riserva di acqua che occupa molto spazio, rivestita da una membrana chiamata "tonoplasto" che contiene materiale alimentare, enzimi e scorie.
• Parete cellulare: riveste la membrana cellulare, utile a unire le cellule tra loro e a mantenere la forma per dare una struttura rigida ma flessibile alla pianta oltre che cementare le varie cellule tra loro; è costituita da cellulosa e altre fibre, consente il passaggio di acqua e piccole molecole.

La membrana cellulare

La membrana cellulare delimita la cellula e i vari organuli interni, ha funzione di: costituire una protezione, costituire siti di specifiche funzioni, contenere proteine di trasporto per regolare il movimento di sostanze tra interno ed esterno o tra i vari organelli, contenere i recettori necessari per rilevare segnali esterni e fornire dispositivi per la comunicazione tra cellule. La membrana plasmatica è una barriera permeabile ma selettivamente perché seleziona le sostanze che passano da una parte all’altra; è un composto di lipidi, proteine e carboidrati.

I lipidi sono le componenti più importanti in quanto la membrana è composta da un doppio strato lipidico (scoperta del 1920 mentre prima si credeva fosse un singolo strato dal 1880 all’inizio del 1900), modello chiamato "a mosaico fluido" perché le proteine sono immerse nel doppio strato fosfolipidico che si trova allo stato fluido. Si distinguono proteine intrinseche (integrali) se inserite, proteine estrinseche (periferiche) se ai margini del doppio strato; ai margini a stretto contatto con i lipidi (filamenti di acidi grassi gialli) le proteine sono idrofobe, nelle estremità a contatto le "teste grigie" (glicerolo che ha subito modificazioni) sono idrofile (permeabili): questa unione di testa grigia/glicerolo e acido grasso è il "fosfolipide" che unito ad altri forma la catena fosfolipidica che forma la membrana e questo doppio strato stabilizza l’intera struttura della membrana lasciandola tuttavia flessibile ma non rigida.

Perciò importante è la fluidità della membrana che è determinata da vari fattori: la temperatura è importante perché variando la T varia la mobilità delle catene (basse T minore mobilità, alte T maggiore), la lunghezza delle catene (se corte maggiore fluidità) e la presenza di acidi grassi insaturi (catena doppia) e la carenza di colesterolo (che si inserisce tra i fosfolipidi e se troppo rende meno fluida la membrana).

I fosfolipidi si muovono in tre modi: rotazione su sé stessi, diffusione laterale nello stesso emistrato e movimento flip-flop (diffusione trasversale a zig zag). I carboidrati si trovano sul versante esterno della membrana e servono come riconoscimento; si associano sia ai lipidi che alle proteine formando i "glicolipidi" (funzionano come segnali di riconoscimento per le interazioni cellulari, per esempio in caso di cellula cancerosa viene segnata in modo da essere riconosciuta dai globuli bianchi che possono distruggerle) e anche le "glicoproteine" (permettono ad una cellula di essere identificata da altre cellule o proteine); conferme di ciò grazie a studi sulle spugne.

Le cellule di un tessuto vengono tenute insieme da due meccanismi:

• Il riconoscimento cellulare in seguito a cui una cellula si lega specificamente ad un’altra cellula di un certo tipo
• L’adesione cellulare che permette lo stabilirsi di una connessione tra due cellule.

Inoltre ci sono materiali forniti dalle stesse cellule che permettono la connessione tra le diverse cellule, le "giunzioni cellulari":

• Giunzioni occludenti: strutture specializzate che uniscono cellule epiteliali limitrofe formando vari punti di collegamento tra le cellule e che impediscono alle sostanze di muoversi in modo incontrollato tra gli spazi cellulari (superficie "trapuntata").
• Desmosomi: uniscono le membrane di cellule adiacenti e mantengono le cellule strettamente unite con un meccanismo simile ai punti di sutura, però le sostanze possono passare grazie a delle proteine legate alle placche.
• Giunzioni serrate: facilitano la comunicazione tra cellule formando canali proteici ("connessioni") dove passano molecole e ioni.

In sintesi le membrane servono a delimitare i contorni di cellule e organuli, costituiscono siti di specifiche proteine (soprattutto enzimi e recettori), assicurano e regolano i processi di trasporto, contengono recettori che rilevano segnali esterni e forniscono meccanismi per il contatto e la comunicazione tra cellule.

Meccanismi di trasporto attraverso la membrana

Il processo di mantenimento dell’ambiente interno consono alla vita è l’omeostasi, processo presente nelle cellule che perciò mutano in continuazione per mantenere costanti le condizioni al loro interno. Una soluzione in cui le particelle di soluto sono uniformemente distribuite viene definita "in equilibrio" ed è la condizione delle molecole di una sostanza in omeostasi; questo processo di movimento casuale verso lo stadio di equilibrio si chiama diffusione, un movimento di particelle da regioni a concentrazione maggiore a minore. La velocità con cui una sostanza diffonde dipende da quattro fattori:

• Diametro delle molecole o degli ioni: le molecole più piccole diffondono più rapidamente
• Temperatura della soluzione: una temperatura più alta determina una maggiore velocità di diffusione perché gli ioni o le molecole hanno più energia
• La carica elettrica
• Il gradiente di concentrazione: maggiore è il gradiente maggiore la velocità di diffusione.

All’interno di cellule e tessuti con distanze molto piccole da percorrere la diffusione è molto veloce, inoltre per lunghe distanze non è un buon meccanismo di trasporto. La velocità di diffusione senza membrane dipende da quei quattro fattori, ma con una membrana il movimento dei soluti dipende dalla permeabilità di essa: la membrana plasmatica è provvista di fori che consentono il passaggio di molecole (studiato con colorante che può passare attraverso questi pori) che muovendosi casualmente per l’omeostasi si spostano verso questi punti di passaggio andando dalla sostanza più concentrata di soluto a quella meno concentrata; è un processo dinamico perciò il passaggio avviene in entrambe le direzioni. Se ci sono due soluti diversi la diffusione permette ad ognuno di diffondere secondo gradiente di concentrazione, dunque anche il colorante che presenta un gradiente inferiore a quello della soluzione opposta passa con una diffusione netta dall’area più concentrata a quella meno concentrata.