Biologia generale e cellulare

Biologia generale e cellulare

Corso dall'8 ottobre al 5 dicembre

elena.battaglioli@unimi.it

Introduzione

Definizione: Biologia = scienza che studia gli organismi viventi e i loro rapporti con l'ambiente circostante.

Caratteristiche della materia vivente

1) Complessità

Comprende l'insieme degli esseri viventi in tutta la loro diversità. Tanto maggiore è la biodiversità, tanto maggiore è la probabilità che la vita non si spenga. La complessità è specificatamente determinata e costante nello spazio e nel tempo. La molecola del DNA è la depositaria delle informazioni specifiche necessarie per l'esistenza.

2) Capacità di accrescimento

Gli organismi viventi crescono e si sviluppano; per farlo, hanno bisogno degli enzimi: queste particolari proteine sono in grado di catalizzare reazioni che, altrimenti, avverrebbero troppo lentamente e sarebbero incompatibili con la vita.

3) Capacità di autoriproduzione

Il processo di riproduzione, cioè il processo attraverso il quale da un organismo madre si generano nuovi organismi viventi figli, può essere di 2 tipi: sessuato o asessuato. Meiosi e mitosi assicurano la precisa ripartizione del materiale replicato tra cellule figlie. N.B. Se non ci fosse la replicazione del DNA, mitosi e meiosi non servirebbero a nulla.

4) Adattamento all'ambiente

L'evoluzione per selezione naturale permette la sopravvivenza degli organismi più adatti a un determinato ambiente. Le mutazioni causali generano un fenotipo particolare più o meno favorevole ad uno specifico ambiente; nel caso in cui la mutazione sia favorevole, allora la selezione avverrà in quella direzione, permettendo la sopravvivenza di una determinata classe fenotipica e l'estinzione di altre meno avvantaggiate.

5) Morte

Fine della vita. Può essere programmata, come nei casi delle proteine e delle cellule, o casuale, ovvero dovuta ad eventi accidentali.

Organizzazione biologica

L'organizzazione biologica è gerarchica, ovvero ogni livello è compreso nel successivo, però il tutto è più delle parti, cioè ogni livello ha proprietà emergenti, caratteristiche non presenti nei livelli inferiori. Definizione: Cellula = più piccola unità definita che possiede vita indipendente. È l'unità fondamentale della materia vivente. "Omnis cellula e cellula": ogni cellula deriva per divisione da cellule preesistenti.

I livelli di cui si è accennato prima sono in ordine: Atomo - Molecola - Macromolecola - Organulo - Cellula - Tessuto - Organo - Apparati - Organismo - Popolazione - Comunità - Ecosistema - Biosfera

Composizione chimica della cellula batterica

• 70% acqua
• 2% polisaccaridi
• 15% proteine
• 6% RNA
• 1% DNA
• 2% fosfolipidi
• 4% ioni (cationi come Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ e K⁺ e anioni come Cl^-, SO₄^2-, PO₄^3-, CO₃^2-), piccole molecole

Acqua (H₂O)

Il solo composto esistente allo stato liquido in quantità apprezzabile sul nostro pianeta, questo è reso possibile dalle sue particolari caratteristiche che dopo elencheremo. L'acqua è un dipolo elettrico, ovvero conduce elettricità grazie alla sua struttura tridimensionale che ha una porzione parzialmente negativa (l'ossigeno) e una porzione parzialmente positiva (i due idrogeni). Una singola molecola di acqua può formare al massimo 4 legami idrogeno: due in corrispondenza degli idrogeni e due in corrispondenza dell'ossigeno. Il numero di legami idrogeno che si formano dipende dalla temperatura: più la temperatura è bassa, più legami ci sono, mentre più è alta, meno ce ne sono. Infatti, allo stato solido, ogni molecola di acqua forma 4 legami, mentre allo stato aeriforme non si formano più legami.

Proprietà dell'acqua

• Polarità
• Coesione
• Adesione: è dovuta a legami a idrogeno tra l'acqua e altre sostanze polari.
• Capillarità: tendenza dell'acqua a risalire all'interno di tubi molto stretti. (Questo fenomeno si ha grazie alle forze di adesione e coesione)
• Alto calore specifico: quantità di calore che 1 g di sostanza deve assorbire per aumentare la sua temperatura di 1°C. (Calore specifico dell'acqua a 15°C: 1 cal/g°C)
• Alto calore di evaporazione: quantità di calore necessaria per convertire 1 g di liquido in vapore.
• Capacità di soluzione: dà luogo a ioni idrogeno (H⁺) e ioni idrossido (OH^-), per questo l'acqua è un solvente di composti ionici e composti polari.

Le sostanze si possono dividere dunque secondo la capacità o meno di sciogliersi in acqua; esistono:

• Sostanze idrofiliche: in acqua si dissociano completamente o parzialmente
• Sostanze idrofobiche: in acqua tendono ad unirsi in un'unica goccia per ridurre la superficie esterna (es. lipidi)
• Sostanze anfipatiche: hanno una porzione idrofilica e una porzione idrofobica (es. fosfolipidi)

N.B. Scala Celsius (1742): 0°C punto di fusione dell'acqua, 100°C punto di ebollizione dell'acqua.

Molecole organiche

I lipidi

Questa classe di molecole organiche comprende una vasta varietà di composti, tutti con una medesima caratteristica comune: sono insolubili in acqua e quindi solubili in solventi apolari. I lipidi svolgono diverse funzioni e, a seconda di queste, si possono distinguere in:

• Lipidi di deposito
• Lipidi strutturali
• Isolanti
• Ormoni
• Vitamine liposolubili (A, D, E, K)

Tipologie di lipidi

1) Lipidi semplici

Sono i più abbondanti e hanno funzione di riserva energetica. Sono composti da una molecola di glicerolo (alcol trivalente), legata per condensazione a 1, 2 o 3 molecole di acido grasso, secondo la formula: glicerolo + acidi grassi → lipide semplice + H₂O. Definizione: Acidi grassi = acidi monocarbossilici a catena lunga con un numero pari di atomi di C. Possono essere saturi, se nella catena di carboni non ci sono doppi legami, o insaturi, se nella catena di carboni sono presenti uno o più doppi legami. La loro formula generale è: COOH--(CH₂)_n--CH₃. La testa con il gruppo carbossilico è polare, mentre la coda con il gruppo metilico è fortemente apolare. N.B. La presenza del doppio legame causa una certa curvatura nella molecola (vedi immagine) e influisce sul punto di fusione abbassandolo. (es. Acido palmitico: saturo, 16C, punto di fusione a 63.1°C. Acido oleico: insaturo, 18C, punto di fusione a 16°C)

2) Lipidi complessi

Classe di molecole che comprende:

• Fosfolipidi, tra cui i fosfogliceridi e gli sfingolipidi
• Glicolipi, tra cui i cerebrosidi e i gangliosidi

Fosfolipidi

Molecole anfipatiche che hanno la testa polare e la coda apolare. La testa è costituita da un gruppo polare, un gruppo fosfato e il glicerolo, mentre la coda è composta da 2 catene di acidi grassi. Questo particolare tipo di lipide ha probabilmente permesso lo sviluppo di una prima cellula primordiale, grazie alla formazione di uno spazio separato e diverso dall'esterno. Ciò è dovuto alle peculiari strutture che i fosfolipidi formano, più o meno spontaneamente, in soluzioni acquose; queste sono: micelle, liposomi e doppio strato. La differenza tra le prime e le seconde è la dimensione e la presenza nelle seconde di una cavità idrofila di diametro variabile. La terza struttura, invece, è quella che costituisce la membrana cellulare cui barriera è data dai fosfolipidi, mentre le proteine rendono l'interno diverso dall'esterno e i doppi legami nelle catene degli acidi grassi (code fosfolipidiche) rendono la membrana fluida ed elastica.

Glicolipidi

A questa categoria appartengono:

• I cerebrosidi: compongono la guaina mielinica e sono fatti di residui di monosaccaridi (D-glucosio e D-galattosio)
• I gangliosidi: sono residui di oligosaccaridi e costituiscono parte della membrana delle cellule nervose

3) Steroidi

Sono costituiti da un complesso scheletro carbonioso ciclico, da anelli condensati, da catene laterali e gruppi funzionali. Il colesterolo è uno steroide anfipatico che aumenta o diminuisce la fluidità della membrana cellulare a seconda della temperatura a cui è esposto. Si trova anche nel plasma condensato con delle proteine di trasporto. È precursore di ormoni steroidei e di alcune vitamine, come ad esempio la vitamina D.

4) Carotenoidi

Gli zuccheri

Sono chiamati anche carboidrati, glucidi o saccaridi. La loro formula generale è: (CH₂O)_n con n ≥ 2. Gli zuccheri possono essere distinti secondo diversi criteri:

• Per gruppo funzionale: alcuni hanno il gruppo aldeidico, altri il gruppo chetonico; i primi si chiameranno zuccheri aldosi, i secondi zuccheri chetosi.
• Per numero di carbonio che li costituiscono, ad esempio quelli che hanno 5 carboni sono detti pentosi, mentre quelli che ne hanno 6 sono detti esosi.
• Per il numero di monomeri da cui sono costituiti; avremo dunque monosaccaridi, disaccaridi (2 monosaccaridi), oligosaccaridi (tra 3 e 10 monosaccaridi) e polisaccaridi (+10 monomeri).

1) Monosaccaridi

Iniziamo con alcuni esempi:

• Zuccheri triosi: gliceraldeide
• Zuccheri tetrosi
• Zuccheri pentosi: ribosio e desossiribosio (si distinguono per il numero di ossigeni)
• Zuccheri esosi: glucosio, galattosio e fruttosio

N.B. I composti che hanno un carbonio chirale, cioè un carbonio legato a 4 gruppi differenti, possono presentarsi sotto due forme speculari, formatesi tramite la lisi e la riformazione di alcuni legami chimici. Questo tipo di isomeria è detta stereoisomeria e porta ad ottenere 2 forme dello stesso composto: una forma L e una forma D. In natura ci sono solo forme D dei composti (es. D-glucosio, D-galattosio). Una cosa molto importante da sottolineare è che gli zuccheri non si trovano a catena lineare come si è abituati a rappresentarli, bensì a catena chiusa nella forma piranosica o furanosica. Ad esempio, avremo 2 forme di glucosio a seconda della posizione del gruppo OH: la alpha-D-glucopiranosica e la beta-D-glucopiranosica. Altri monosaccaridi rilevanti per la biologia sono il ribosio e il desossiribosio. Questi differiscono per la presenza o meno di un ossigeno. N.B. Il carbonio 5 e il carbonio 3 saranno molto importanti quando parleremo di acidinucleici e legami fosfodiesterici.

2) Disaccaridi

Due monosaccaridi si legano tra loro con un legame glicosidico per formare, con la perdita di una molecola di acqua, un disaccaride. Il legame glicosidico coinvolge il carbonio 1 e il carbonio 4 di due monosaccaridi adiacenti e può essere di tipo alpha o di tipo beta a seconda del tipo del primo monosaccaride coinvolto. Alcuni disaccaridi comuni sono:

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

3) Polisaccaridi

Sono macromolecole composte da un numero maggiore o pari a 10 di monomeri; se i monomeri sono tutti uguali tra loro, avremo un omopolisaccaride, mentre se sono diversi, avremo un eteropolisaccaride. Hanno funzione di riserva energetica e di struttura; nei vegetali la cellulosa ha ruolo di struttura e l'amido di riserva energetica, mentre nell'uomo la chitina ha ruolo di struttura e il glicogeno di riserva energetica. Tutti i polisaccaridi appena citati, sono omopolisaccaridi del glucosio, ma differiscono per tipi di legami e per la struttura tridimensionale. Prendiamo, per esempio, amido, cellulosa e glicogeno: il primo è un polimero di alpha-D-glucosio ed è ramificato grazie a legami alpha1-6, il secondo è un polimero di beta-D-glucosio ed è lineare, infine il terzo è un polimero di alpha-D-glucosio ed è molto più ramificato rispetto all'amido. N.B. Nell'amido le molecole sono disposte nello stesso modo, mentre nella cellulosa sono alternate. Questo è dovuto dal diverso tipo di legame glicosidico.

Le proteine

Le proteine sono macromolecole costituite dalla combinazione esatta di 20 amminoacidi. Svolgono diverse funzioni:

• Enzimatica
• Recettrice
• Messaggeri chimici
• Di deposito
• Strutturale
• Di trasporto
• Contrattile
• Di difesa (anticorpi)

Amminoacidi

Sono i monomeri delle proteine. Solo 20 di questi costituiscono i polipeptidi, gli altri hanno altre funzioni. Gli amminoacidi hanno una struttura comune che differisce solo per la catena laterale R: A seconda del gruppo R, gli amminoacidi hanno un comportamento diverso in soluzioni acquose e si dividono in:

• aa apolari (9): Glicina (H), Alanina (CH₂), Valina, Leucina, Isoleucina, Metionina, Prolina, Fenilalanina e Triptofano
• aa polari neutri (6): Serina (CH₂OH), Treonina, Asparagina, Glutammina, Tirosina e Cisteina (CH₂SH)
• aa polari carichi (5): - basici (+): Lisina, Arginina e Istidina; - acidi (-): acido Aspartico e acido Glutammico

N.B. Solo Serina, Treonina e Tirosina possono essere fosforilate da enzimi chinasi. Solo cisteina e Metionina hanno lo zolfo nella catena laterale. I 20 amminoacidi, dunque, si distinguono per ingombro sterico, carica e idrofilicità/idrofobicità. A seconda della posizione delle proteine, prevista dalla natura, esse saranno idrosolubili o liposolubili; questo grazie a legami idrogeno che si instaurano tra i componenti idrofilici della catena laterale R e gli elementi dell'acqua.

Legame peptidico

Legame che si instaura tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di quello successivo. È un legame di condensazione che avviene all'interno del ribosoma durante la fase di traduzione della sintesi proteica. Tutte le proteine hanno il gruppo amminico iniziale e il gruppo carbossilico terminale. N.B. L'ordine con il quale vengono legati gli amminoacidi non è casuale, bensì è dettato da uno specifico gene che codifica per una specifica proteina. Il mancato ordine di amminoacidi può portare alla manifestazione di patologie anche molto gravi.

Strutture delle proteine

Esistono circa 25000 geni che codificano per le proteine di una cellula eucariotica; a seconda della disposizione di ciascun amminoacido, e quindi a seconda del tipo di gruppo R che sporge dal complesso centrale, il polipeptide può assumere una diversa struttura spaziale. In particolare, esistono 4 livelli strutturali:

1) Struttura primaria

Sequenza lineare specifica di amminoacidi che si devono susseguire per dare una certa proteina, con una certa funzione. Tutte le informazioni necessarie alla costruzione di ciascuna proteina, sono contenute nel gene che si esprime tramite sintesi proteica.

2) Struttura secondaria

Conformazioni regolari e ripetitive che formano gli amminoacidi nello spazio. Le strutture secondarie possono essere di due tipi, alpha-eliche o foglietti-beta, coinvolgono piccoli segmenti di sequenza lineare per peptide e possono essere localizzare lungo tutta la proteina. Vi sono altri punti della sequenza, invece, che non possono dare questo tipo di strutture e spesso servono per collegare tra loro le alpha-eliche e i foglietti-beta. N.B. Grazie alla cristallografia a raggi x, si è potuto ricostruire nello spazio la posizione di ciascun atomo che compone ciascun amminoacido di ogni proteina. In questo modo, si sono potute osservare le varie strutture spaziali, primaria, secondaria, terziaria e quaternaria, assunte da ciascun polipeptide.

Approfondimento

Alpha-eliche sono spiralizzazioni lungo l'asse centrale della struttura primaria della proteina, stabilizzate da legami idrogeno tra l'idrogeno di un gruppo amminico e l'ossigeno del gruppo carbossilico di due amminoacidi distanti circa 3,6 aa. Il diametro dell'elica è costante in tutta la sua lunghezza, questo determina una costanza nel numero di amminoacidi che compongono ogni giro di essa, ovvero 3,6 aa per giro. Questo particolare numero determina una disposizione sfalsata dei singoli amminoacidi, che altrimenti si troverebbero impilati, e la formazione della struttura più stabile possibile nello spazio. I gruppi R sono rivolti verso l'esterno della struttura elicoidale.

Foglietti-beta

Sono composti da un'ossatura planare di carbonio con i residui R rivolti o verso l'alto o verso il basso. Comunemente si trovano più foglietti associati, stabilizzati da legami idrogeno perpendicolari al piano, formati tra l'idrogeno del gruppo amminico e l'ossigeno del gruppo carbossilico. Al contrario dei legami a distanze costanti nelle alpha-eliche, in questa struttura, i legami a idrogeno possono formarsi anche tra amminoacidi posti a grandi distanze nella struttura primaria, ma vicini in quella secondaria.

Alpha-eliche anfipatiche hanno una parte idrofilica e una idrofobica. L'unione con altre strutture identiche, rende possibile la formazione del poro acquoso con le caratteristiche descritte prima. L'acqua passa per osmosi attraverso la membrana cellulare grazie a delle proteine canale dette Acquaporina. Grazie alla natura anfipatica delle alpha-eliche, è possibile formare un poro con l'interno idrofilo e l'esterno idrofobo. Ciò è reso possibile dall'alternarsi in un certo modo di amminoacidi polari e apolari.

Ad esempio: SER – LEU – VAL – THR – ASN – PHE – ILE.

Definizione: Acquaporina = proteina che determina il passaggio dell'acqua attraverso la membrana in entrambe le direzioni. È capace di interagire con l'ambiente acquoso, sia esterno che intracellulare, di interagire con l'ambiente lipidico nel doppio strato della membrana ed è capace di creare un passaggio selettivo per l'acqua.