Biologia e Biochimica - Appunti

Indice

Sezione di biologia

• La cellula
  • Organizzazione
  • Composizione chimica della materia vivente
  • Metaboliti primari
• Citologia cellulare
• Il vacuolo
  • Ruoli del vacuolo
  • Biosintesi dei metaboliti secondari
  • Imbrunimento
• La parete cellulare
  • I polisaccaridi
  • Ruoli della parete
  • Biogenesi della parete
  • Comunicazione con l'esterno e modificazioni da parete
  • Importanza tecnologica della parete e modifica
• Istologia vegetale
  • Cellule meristematiche
  • Tessuti adulti o differenziati
  • Tessuti tegumentali
  • Tessuto parenchimatico
  • Tessuti meccanici di sostegno
  • Tessuto conduttore
  • Tessuto di secrezione
• Biodiversità
  • Cos’è la specie
  • Morfologia della radice
  • Il fusto
  • Foglia
  • Anatomia istologica di fiori, semi e frutti
  • Il seme
• Il DNA: caratteri generali
• Ciclo cellulare
  • Ciclo cellulare mitotico - mitosi
  • Divisione cellulare nei procarioti
  • Ciclo meiotico – meiosi
  • Meccanismi che producono variabilità genetica
  • Errori della meiosi – aneuploide e poliploide
  • Come muore una cellula?
• La genetica secondo Mendel
  • Incroci controllati
  • Primi esperimenti – incroci di monoibridi
  • Terminologia
  • Interpretazione degli incroci
  • Capire se un fenotipo dominante è omozigote o eterozigote dominante – Test cross
  • 1^ legge di Mendel
  • Incroci tra ibridi
  • 2^ legge di Mendel
  • Dominanza incompleta
  • Geni con alleli multipli
  • Ereditarietà di una malattia dominante
  • Ereditarietà di una malattia recessiva
  • Il vigore degli ibridi
  • Costruzione di una tappa genetica
  • Determinazione del sesso
• Il DNA e l’ereditarietà
  • Esperimento di Griffith
  • Esperimento di Avery, MacLeod, McCarty
  • Esperimento Hershey e Chase
  • Struttura del DNA
  • Replicazione del DNA
  • Correzione degli errori
  • Dal DNA alle proteine: dal genotipo al fenotipo
  • Trascrizione: sintesi di RNA
  • Il codice genetico
  • Gli RNA transfer
  • Il ribosoma
  • Traduzione
  • Localizzazione delle proteine neosintetizzate
  • Modificazioni post-traduzionali
  • Mutazioni
• I virus
• Scambio di materiale genetico nei procarioti
  • Coniugazione
  • Trasformazione
  • Trasduzione
• Ingegneria genetica e OGM
  • OGM
  • Clonazione
• Teorie evoluzionistiche
  • Creazionismo
  • Catastrofismo
  • Lamarck – Prima teoria sull'evoluzionismo biologico
  • Darwin e i meccanismi dell'evoluzione
  • Pool genico di una popolazione
  • Genetica di popolazioni
  • Meccanismi dell'evoluzione
• Le specie
  • Speciazione allopatrica o speciazione geografica
  • Isolamento riproduttivo
  • Speciazione simpatrica
  • Speciazione per allopoliploidia
  • Biologia sistematica
• La fotosintesi
  • Gli organelli che trasformano l'energia: i cloroplasti
  • Le fasi della fotosintesi
  • Assorbimento della luce
  • I pigmenti fotosintetici sono organizzati in fotosistemi
  • Clorofilla come agente riducente
  • Il trasporto non ciclico degli elettroni
  • Fasi della fotosintesi in breve
  • Il trasporto ciclico degli elettroni
  • Le reazioni luce – indipendenti: il ciclo di Calvin
• Il sistema circolatorio
  • Il cuore dei mammiferi
  • Il sangue e i vasi sanguinei
  • Rottura di un vaso
  • Il sistema di vasi sanguigni
• Muscoli
  • Muscolatura scheletrica
  • Contrazione muscolare
  • Il miocardio e il battito cardiaco
  • La muscolatura liscia
  • Fasi della contrazione muscolare

Parte di biochimica

• Le proteine
  • Classificazione in base alla funzione
  • Aminoacidi
  • Legame peptidico o ammidico
  • Strutture
  • Funzione
  • Degradazione delle proteine alimentari: proteasi nel tubo digerente
  • Struttura degli enzimi pancreatici proteolitici
  • Dettagli molecolari dell'avvolgimento della catena
  • Elementi di struttura secondari
  • Spontaneità negli avvolgimenti
  • Esempi di denaturazione delle proteine alimentari
• Enzimi di interesse biotecnologico nel settore lattiero-caseario
  • Chimosina e coagulazione del latte
• Degradazione lipidica degli enzimi digestivi
• Degradazione dell'amido
• Meccanismo d'azione degli enzimi
• Anticorpi
• Struttura degli anticorpi
• Collageno
• Metabolismo
  • Glicolisi
  • Prosecuzione della degradazione ossidativa in ambito mitocondriale
  • Ciclo di Krebs
    • Ruolo fisiologico del ciclo di Krebs
  • Glicolisi anaerobica/aerobica
  • Catena respiratoria e fosforilazione ossidativa o catena di trasporto degli elettroni mitocondriale
  • Metabolismo dei lipidi
    • Β-Ossidazione di acido grasso
    • Biosintesi dell'acido grasso
  • Catabolismo degli amminoacidi
  • Gluconeogenesi sintesi epatica di glucosio da precursori non glucidici
  • Glicogeno
    • Glicogenolisi – Glicogenosintesi

La cellula

Nel 1838 viene elaborata la teoria cellulare che prevedeva tre punti fondamentali:

• Tutti gli organismi viventi sono formati da una o più cellule.
• La cellula è la più piccola unità che presenta le proprietà tipiche della vita.
• Le cellule si moltiplicano solo in seguito a crescita e divisione di cellule preesistenti.

La cellula è l'unità morfo-funzionale elementare di tutti gli organismi capaci di vita autonoma. È l'unità fondamentale della vita sul nostro pianeta:

• Chiude i propri costituenti all'interno di sé grazie a membrane semipermeabili.
• Scambia energia con l'ambiente.
• Si riproduce perché ha la capacità e le informazioni necessarie.

Organizzazione

Le cellule si dividono in due grandi gruppi che presentano caratteristiche differenti: le cellule procariote e le cellule eucarioti.

Cellule procarioti

Tipiche cellule batteriche (eubatteri, archeobatteri, alghe azzurre, cianobatteri) possiedono questi caratteri:

• Possiedono un nucleoide, cioè una regione centrale non delimitata in cui è presente il DNA/RNA.
• Possiedono membrane interne ridotte/assenti.
• Possiedono delle pareti cellulari.
• Gli organuli non sono ben definiti e non sono specifici.
• Nel DNA ogni gene codifica per una proteina e vengono copiate grazie al RNA messaggero, i ribosomi usano l'RNA per produrre le proteine.
• Il ribosoma procariotico è fatto da due sub-unità fatte di RNA ribosomiale copiate dal DNA.
• Alcune cellule sono provviste di flagelli.

Cellule eucarioti

Comprendono quattro gruppi di organismi ovvero i protisti, i funghi, gli animali, le piante:

• Hanno un nucleo racchiuso da una membrana nucleare.
• Il citosol partecipa alle reazioni metaboliche.
• Possiede delle proteine sulla membrana per il trasporto delle sostanze.
• I funghi, le piante hanno una parete cellulare.

Composizione chimica della materia vivente

La materia vivente si compone di:

• Composti inorganici: H₂O e Sali minerali.
• Composti organici: carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici (metaboliti primari).
• Metaboliti o biomolecole vegetali: molecole sintetizzate dalle piante:
  • Metaboliti primari: essenziali per la vita.
  • Metaboliti secondari: deputati a meccanismi biochimici propri della cellula, non essenziali o legati a processi secondari.

Metaboliti primari

Glucidi e carboidrati sono di origine vegetale e di importanza vitale. Sono composti ternari, cioè formati da C, H, O, hanno ruoli energetici, strutturali e di riserva. Si classificano in monosaccaridi (una unità), disaccaridi (due unità), oligosaccaridi, polisaccaridi (omo o eterogenei).

• Monosaccaridi: glucosio, fruttosio, galattosio.
• Disaccaridi; lattosio (glu + gal legame β), saccarosio (glu + fru legame α), maltosio (glu + glu legame α), cellobiosio (glu + glu legame β).
• Polisaccaridi omopolisaccaridi: amido (polimero α glucosio), cellulosa (polimero β glucosio), inulina (polimero D-fruttosio), chitina (polimero dell'N-acetilglucosammina).
• Polisaccaridi eteropolisaccaridi: emicellulosa (pentosi ed esosi), sostanze pectiche, gomme, mucillagini.

Lipidi

I lipidi sono composti biologici insolubili in acqua e solubili in solventi organici. Hanno un ruolo energetico (riserva) e strutturale (lipidi coniugati).

• Lipidi semplici: trigliceridi (ottenuti per esterificazione del glicerolo con 3 acidi grassi con perdita di H₂O), cere (hanno un alcol diverso dal glicerolo).
• L'acido grasso è una lunga catena di carbonio in numero pari con ad un'estremità un gruppo carbossilico (COOH).
• Lipidi coniugati: fosfolipidi, composti da due acidi grassi legati al glicerolo il cui terzo ossidrile (-OH) è esterificato con un acido fosforico a cui si lega con un secondo legame estereo con una molecola polare.

Molecola anfipatica: contiene una parte idrofila e una idrofobica. Costituiscono le membrane biologiche tramite un doppio strato con le teste idrofile rivolte verso la fase acquosa e le code idrofobiche rivolte le une verso le altre.

Proteine

Le proteine sono macromolecole polimeriche costituite da tante unità amminoacidiche (monomeri). Gli AA si distinguono in essenziali e semi essenziali. Per legarsi hanno bisogno di H₂O.

• Hanno diverse funzioni:
  • Strutturali: impalcatura dell'organismo.
  • Enzimatiche: accelerano le reazioni.
  • Trasporto: es. emoglobina.
  • Recettori.
  • Riserva: nelle piante il seme può contenere riserve di proteine.
• E diverse strutture:
  • Primaria
  • Secondaria
  • Terziaria
  • Quaternaria

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono polimeri costituiti da monomeri detti nucleotidi formati da uno zucchero, una base azotata e un gruppo fosfato).

• RNA: acido ribonucleico, lo zucchero è il ribosio, è presente l'uracile al posto della timina.
• DNA: acido desossiribonucleico, lo zucchero è il desossiribosio.

Tramite la polimerizzazione, il pentoso di un nucleotide si aggancia al gruppo fosfato del quello adiacente. Il DNA è l'archivio delle informazioni genetiche, che mediante trascrizione viene trasmessa alle molecole di RNA. L'RNA traduce l'informazione nella sintesi delle proteine.

• Cellula eucariote: è principalmente localizzato nel nucleo, organizzato in modo complesso (cromosomi), è presente in strutture più semplici in plastidi e mitocondri.
• Cellula procariote: non è racchiuso in una membrana, ha solo una struttura ad anello.

È possibile trovare il DNA sia nel nucleo (dove viene prodotto), sia nel citoplasma dove partecipa alla sintesi proteica.

Citologia cellulare

La citologia è lo studio della morfologia, le funzioni, la sintesi, il metabolismo, la comunicazione e la riproduzione della cellula e dei suoi organelli. Ogni cellula animale possiede:

• 1 nucleo,
• 200 plastidi ca,
• 400 Golgi ca,
• 700 mitocondri ca,
• 500.000 ribosomi.

Membrana cellulare

Chiamata anche plasmalemma o membrana biologica. È formata da un doppio strato di fosfolipidi e glicolipidi con proteine che servono a comunicare con l'esterno per inviare segnali, nutrirsi, eliminare le scorie e prodotti di scarto. La membrana è ricca di proteine di due tipi, diverse per struttura e per funzione:

• Proteine intrinseche: sono completamente immerse nel doppio strato di fosfolipidi.
• Proteine estrinseche: legate alla membrana.

Per comunicare con l'esterno, la membrana si serve di alcune proteine di trasporto (appena elencate) oppure utilizza altri meccanismi peculiari:

• Trasporto passivo: sostanze si muovono in favore di un gradiente di concentrazione o elettrochimico.
• Trasporto attivo: richiede una spesa energetica e consuma ATP.
• Trasporto con vescicole: trasporto di sostanze di grandi dimensioni grazie a vescicole che si fondono con la membrana e liberano le sostanze nella cellula.
  • Esocitosi: dall'apparato di Golgi verso l'esterno.
  • Endocitosi: le sostanze passano dall'esterno all'interno (pinocitosi, fagocitosi).

L'endocitosi avviene grazie ad alcune molecole "recettori" cioè delle proteine che riconoscono e legano solo alcuni tipi di molecole (papille gustative).

Citoplasma

Materiale semifluido racchiuso dal plasmalemma nel quale sono sospesi gli organelli. È la zona che circonda il centro della cellula formata dal citosol cioè una soluzione acquosa (10-80% di acqua) composta da molecole organiche e da organelli. Contiene proteine ad attività enzimatica, amminoacidi, nucleotidi, sali. È in questa zona che avviene il metabolismo cellulare. Il citoplasma è intersecato da una membrana simile al plasmalemma chiamata reticolo endoplasmatico. Contiene i microtubuli che servono al sostegno della cellula.

Citoscheletro: filamenti proteici che danno rigidità al citoplasma e flessibilità, permettono il movimento della cellula e il trasporto interno di materiale. È un tessuto dinamico costituito da:

• Microfilamenti: producono movimenti e cambiamenti di forma nella cellula.
• Filamenti intermedi: danno solidità, stabiliscono la posizione degli organelli e servono al trasporto.
• Microtubuli: componenti primari del citoscheletro. Danno solidità, rigidità, posiziona gli organuli, creano i "binari" per gli spostamenti.

Reticolo endoplasmatico (RE)

Rete tridimensionale di membrane e canali fatta per il 30% da fosfolipidi e il 70% da proteine. La morfologia e l'estensione variano in base al metabolismo.

• Reticolo endoplasmatico ruvido: costellato di ribosomi, tipico delle cellule di sintesi proteica.
• Reticolo endoplasmatico liscio: non associato ai ribosomi, sintetizza perlopiù lipidi. Serve inoltre a trasportare al di fuori della cellula i metaboliti tramite vescicole.

Ribosomi

Piccoli organuli sferici localizzati nel citoplasma che utilizzano le informazioni contenute nel RNA messaggero per assemblare le proteine a partire dagli amminoacidi. È composto da una sub-unità maggiore ed una minore. Sono fatti da RNA ribosomiale e proteine.

Apparato del Golgi (GERL – Golgi Endoplasmatic Reticule Lysosomes)

Pile di cisterne membranose dalla forma appiattita (sacculi e cisterne) a cui non sono associati i ribosomi (dittosoma). Si trova solitamente vicino al RE. In questa zona arrivano le proteine del RE e vengono trasportate tramite vescicole: il Golgi permette di modificare le proteine e smistarle in vescicole che gemmano ai margini delle cisterne e vanno verso la membrana cellulare. Regola il movimento delle proteine grazie a:

• Vescicole secretorie: rilasciano il loro contenuto nell'ambiente esterno tramite esocitosi.
• Vescicole endocitiche: rilasciano le sostanze all'interno della cellula.

Inoltre sintetizza e imballa molte macromolecole (polisaccaridi, glicoproteine e glicolipidi).

Mitocondri

Organelli racchiusi da due membrane unitarie nella quale avviene la respirazione cellulare. Le due membrane sono la membrana esterna ed interna la quale è molto ripiegata a formare le creste mitocondriali che permettono un aumento della superficie disponibile per gli enzimi. Le due membrane circondano la matrice mitocondriale che contiene DNA e ribosomi. Il mitocondrio permette la degradazione delle molecole "carburante" e quindi la creazione di energia che viene catturata sotto forma di ATP. Viene considerato un organello semiautonomo che ricorda molto un batterio (teoria endosimbiotica).

Nucleo

Centro di controllo delle funzioni cellulari. La membrana nucleare è duplice. Dirige i processi che si verificano nel citoplasma. All'interno si trova il nucleoplasma ovvero un fluido che contiene enzimi, ioni, nucleotidi, DNA, RNA, proteine. Il DNA si intreccia a formare strutture complesse, conosciute come cromosomi: nelle cellule che non si stanno dividendo, i cromosomi sono avvolti meno strettamente a formare la cromatina (filamenti di DNA avvolti). Controlla le funzioni cellulari attraverso la regolazione della sintesi proteica.

Plastidi

Fino a questo momento abbiamo analizzato gli organuli di entrambi i tipi di cellule (vegetali ed animali), ora andremo a vedere gli organuli tipici delle cellule vegetali. Gruppo di organuli vegetali, sede di numerosissime attività connesse al metabolismo cellulare. Sono implicati nella fotosintesi e nell'accumulo di sostanze di riserva. Possiedono una doppia membrana e racchiudono una matrice (stroma) che contiene DNA e ribosomi. In base alla loro funzione si possono classificare in:

• Amiloplasti: plastidi con funzione di riserva di amido (leucoplasti).
• Cloroplasti: utilizzano un terzo sistema di membrane (tilacoidi) che nelle piante superiori sono ammassati l'uno sull'altro (grana). Sono i precursori della fotosintesi.
• Cromoplasti: plastide in grado di produrre e accumulare carotenoidi e xantofille (frutti e fiori).
• Ezioplasti: cloroplasti non esposti alla luce. Piante cresciute al buio.
• Leucoplasti: senza pigmenti, sintetizza i lipidi e gli AA.
• Proplastidi: plastidi indifferenziati, si possono convertire in tutti i plastidi appena elencati.

Cloroplasti

Sono i pannelli solari della cellula. Hanno una forma che ricorda una lente circondata da una membrana esterna ed una interna. Le membrane delimitano la stroma al cui interno c'è un sistema di membrane formato da cisterne chiuse (tilacoidi): se sono ammassati l'uno sopra l'altro si chiamano grana. La stroma è attraversata da un sistema di lamelle del grana e intergrana. Il cloroplasto è delimitato da un involucro a doppia membrana lipoproteica che racchiude una matrice amorfa o stroma attraversato da un sistema di lamelle (tilacoidi) a cui sono ancorate le clorofille e gli altri pigmenti raggruppati in unità fotosintetiche (fase luminosa). Nello stroma avviene la fase oscura.

Vacuolo

Ampia vescicola considerata come organello nella cellula vegetale. Consiste nel 90% del volume generale.