Biologia molecolare

Basi biologiche delle attività mentali e del comportamento

Modulo di biologia 1

Prof. Rossi Leonardo

Ragioni per studiare la biologia

• Cellula unità strutturale più piccola che è capace di vita autonoma, ciò che è più piccolo di una cellula non sarà capace di vita autonoma. Ovvero la cellula si procura alimenti dall’esterno, per accrescersi e poi duplicarsi.
• Inoltre, tutti gli organismi sono costituiti da una o più cellule. Ci sono organismi unicellulari, o pluricellulari, costituiti da molte cellule, come il corpo umano. Centinaia di miliardi di cellule, tutte le cellule derivano da divisioni di cellule preesistenti. La cellula è frutto di un’evoluzione delle varie forme precedenti alla cellula. Durante lo sviluppo embrionale si parte da una singola cellula, che pian piano si dividerà in altre cellule, inoltre poi si formeranno cellule riproduttive, gamete femminile e maschile, che unendosi si arriverà alla formazione di una nuova cellula che diverrà una nuova vita. Tutte queste informazioni sono già state definite nella teoria cellulare nel 1800.

Tipi di cellule

Ma esistono 2 tipi di cellule: cellula eucariotica e procariotica. Gli organismi si distinguono in due in base al tipo di cellule: procarioti, eucarioti. La prima cellula si chiama LUCA (Last Universal Common Ancestor). L’antenato comune a tutti gli organismi viventi ha dato origine a diverse linee evolutive, e così per arrivare ai procarioti e gli eucarioti. Negli eucarioti ci sono i batteri, dominio Bacteria, e il dominio Archae, mentre negli eucarioti hanno un unico dominio, Eukarya.

Organismi unicellulari e pluricellulari

Ci sono organismi unicellulari che sono la maggior parte degli organismi viventi, ma se si potessero pesare la loro massa supererebbe la massa di tutti gli eucarioti. I batteri sono; es, Salmonella, Escherichia coli, etc. Sono batteri ambientali, che sono diversi dai batteri veri e propri. Come ad esempio gli organismi che vivono nelle dorsali oceaniche, o a temperature alte, o con concentrazione salina alta etc. Sono unicellulari procarioti ma gruppo a se stante.

Eucarioti

Dagli archaea derivano tutti gli eucarioti. Piante, funghi, animali, mentre poi ci sono i protisti, quelli moderni si dividono in 3: protozoi, alghe, e i funghi mucillaginosi, non sono funghi. I protisti sono eucarioti quasi sempre unicellulari, tranne alcune eccezioni, ma sono comunque privi di tessuti, sono raggruppamenti di cellule tutt’al più.

Macromolecole

Sia le cellule procariotiche che quelle eucariotiche sono costituite da macromolecole. I viventi sono costituiti prevalentemente da acqua, quindi le cellule sono fatte prevalentemente da acqua, i componenti sono costituiti da macromolecole di: lipidi, proteine, acidi nucleici, polisaccaridi. Le prime tre classi sono dei polimeri di amminoacidi, nucleotidi o zuccheri polisaccaridi. Ma polimeri vuol dire che ci sono una serie di monomeri, il polimero è un insieme di monomeri, i monomeri si uniscono tra loro attraverso un legame covalente, ovvero molto forte, per romperlo devo investire delle energie. Ci sono polimeri lineari ma anche altri ramificati.

Proteine

Le proteine sono polimeri di amminoacidi, ambito di chimica organica, ambito del carbonio, lo scheletro principale è formato dal carbonio, negli amminoacidi c'è un carbonio alpha, legato ad un idrogeno, ad un gruppo carbossilico, inoltre con gruppo amminico NH2, e poi con R, essa è detta catena laterale, un amminoacido può essere diverso a seconda della sua catena laterale, quindi sono molti, R cambia da amminoacido ad amminoacido. Ogni amminoacido ha la sua caratteristica. Ci sono catene R che hanno anelli, quindi avranno gli amminoacidi determinate caratteristiche etc. Gli amminoacidi si uniscono con il legame peptidico, i monomeri si uniscono così per formare il polimero. Il legame è un legame tra il gruppo amminico di un amminoacido e il gruppo carbossilico di un altro amminoacido, tra questi due atomi si forma un legame covalente, legame peptidico.

Le proteine sono polimeri di amminoacidi legati tra loro attraverso un legame peptidico e sono lineari. Non sono mai ramificate. Quali amminoacidi sono nel polimero sono determinati geneticamente. Ovvero il patrimonio genetico dettaglia gli amminoacidi. Se noi abbiamo 20 amminoacidi, noi dobbiamo unirli, io devo saperli come unirli e in che ordine. L’ordine e la tipologia di amminoacidi sono dettati dal patrimonio genetico. Ma le proteine in realtà si ripiegano su se stesse, a tappe ciò accade. La sequenza degli amminoacidi di una catena polipeptidica è detta primaria, le proteine poi si ripiegano formando strutture secondarie, e poi a loro volte ripiegandosi. Le proteine sono il braccio della cellula, ogni proteina fa una cosa, in base alle sue strutture, la forma attiva della proteina è la terziaria, spesso più proteine non lavorano da sole, ma si uniscono in complessi macromolecolari, formando la struttura quaternaria. Solo in ambiente acquoso avviene il legame, dato che avviene nella cellula e solo grazie ai gruppi amminici e carbossilici.

Struttura delle proteine

• Struttura terziaria: Ma ci sono anche le catene laterali, ma grazie all’interazione tra esse si ripiegano formando la struttura terziaria. (Gruppo amminico e carbossilico sono carichi, la proteina si ripiega formando strutture secondarie, ogni amminoacido ha la sua catena R le quali interagiscono tra loro facendo ripiegare la proteina, formando la struttura terziaria).
• Struttura quaternaria: Data dalle interazioni tra gruppi R. se due proteine sono cariche una positivamente e l’altra negativamente si attrarranno formando un legame covalente.

I carboidrati (o polisaccaridi, o glucidi)

Sono polimeri di monosaccaridi, sono composti organici, dove i carboni sono legati a gruppi alcolici o gruppo ossidrilico, gruppi OH, tranne uno che forma un doppio legame con l’ossigeno, formando un gruppo carbonilico, tale doppio legame avviene o su un carbonio all’estremità della catena carboniosa, chiamata aldeide, oppure se avviene su un carbonio centrale si chiama chetone. Possono avere da 3 a 7 atomi di carbonio. Ogni carbonio forma i legami, unendosi tra loro, - doppio legame di ossigeno tra carboni esterni (aldoso), - doppio legame di ossigeno con carboni centrali o comune in posizioni della catena diverse rispetto a quelle esterne (chetosio).

Il glucosio è un monosaccaride, ed è un’aldeide. Ed è un esoso, perché ha 6 atomi di carbonio, così come il fruttosio, il galattosio, sono tutti esosi. Il glucosio è molto importante per l’organismo, in quanto fonte di energia, il quale viene utilizzato anche nella respirazione cellulare dalle cellule, le quali ossidano molecole di glucosio, rilasciando l’energia immagazzinata. Proprio per la sua importanza il glucosio è in concentrazione relativamente costante nel sangue. Il fruttosio è uguale al glucosio, ma è un chetoso.

Il desossiribosio è aldo-pentoso. Contiene 5 atomi di carbonio, perché “pentoso”. Quando gli zuccheri hanno più di 4 atomi di carbonio non stanno lineari, ma circolarizzano. Come il deossiribosio, formante il DNA. Disaccaridi, 2 monomeri, come il saccarosio, o il lattosio. Legame glicosidico, unisce gli oligosaccaridi, costituito da molti monosaccaridi, da 3 a 20. Avviene tra due carboni dei monosaccaridi. I polisaccaridi possono essere lineari o ramificati, la ramificazione è molto rilevante: i polisaccaridi sono uniti da un legame glicosidico, che è covalente, quindi forte. I polisaccaridi sono:

• Glicogeno: È un polimero del glucosio, è analogo dell’amido, ma è più ramificato e più idrosolubile. Principalmente è depositato nel fegato e nelle cellule muscolari.
• Amido: È un polimero di glucosio lineare, presente nelle piante. Invece è ramificato in maniera modesta.
• Cellulosa: Nelle cellule animali il glucosio lo immagazziniamo sotto forma di glicogeno, molto ramificato.

Acidi nucleici

Sono il DNA, acido desossiribonucleico e RNA, acido ribonucleico, sono polimeri di nucleotidi, ovvero il nucleotide è ottenuto dall’unione di un monosaccaride pentoso, una base azotata, dei gruppi fosfato. Il monosaccaride pentoso, può essere o deossiribosio, o ribosio. Il deossiribosio è uno zucchero diverso, sul carbonio due non ho il gruppo ossidrile ma ho l’idrogeno al posto dell’ossidrile. Il deossiribosio è contenuto nel DNA. Il ribosio è nel RNA, acido ribonucleico.

Basi azotate

• Pirimidine: Hanno un unico anello, sono la citosina e la timina per il DNA, o l’citosina e uracile per il RNA.
• Purine: Sono invece costituite da adenina e guanina. Hanno due anelli. Entrambi per RNA e DNA.

Sul carbonio 5 possono esserci o 2-3-4-5 gruppi fosfato. Il ribosio più l’adenina si chiamano adenosina, se si lega ad un unico gruppo fosfato si chiama adenosina monofosfato, oppure se è legato a due gruppi fosfato allora si chiama adenosina difosfato, oppure se sta legato a tre gruppi fosfato, allora la chiamo adenosina trifosfato, ATP. Se ci fosse la guanina, sarebbe guanosina monofosfato, difosfato etc. Nell’acido nucleico ci sarà sempre un solo gruppo fosfato. I nucleotidi li trovo liberi nella cellula, a fare tante cose, tra le principali, funge da scambio di energia. Molecola di scambio energetica. I gruppi fosfato hanno 1 carica negativa, si respingono tra loro i gruppi fosfati, per formarli serve tanta energia, per cui se li rompo i legami si libera tanta energia, prevalentemente l’adenosina trifosfato e difosfato sono coloro che scaturiscono energia. L’energia la cellula la prende dalla decomposizione di alimenti, questa energia la deposita, in molecole di ATP, ovvero aggiunge gruppi fosfato all’adenosina, quando serve si rompono i legami ciò libera l’energia per alimentare la cellula.

Per unire i nucleotidi, per formare un acido nucleico, il nucleotide 2, nel carbonio 5 c'è il gruppo fosfato legato ad esso, il gruppo è legato al gruppo ossidrile del carbonio 3 del nucleotide 3. Tale legame è fosfodiesterico. Tale legame è quello che lega le catene lineari di nucleotidi per formare una molecola di acido nucleico. Questa struttura dell’acido nucleico, se finisse effettivamente all’estremità del polimero vediamo che ho due cose diverse, in cima ho un polimero libero, chiamato 5’fosfato, (perché sul carbonio 5) mentre in fondo ho un gruppo fosfato chiamato estremità 3’.

Lipidi

Non sono macromolecole polimeriche, sono di 2 tipi: acidi grassi o steroidi. Gli acidi grassi sono elementi costituiti da catene carboniose, ma tutti i carboni formano legami con carboni e poi con idrogeni, non ci sono mai polarità, sono molecole apolari, se li metto nell’acqua non vorrebbero starci, come l’olio. L’acqua e l’olio stanno staccate per conto loro, olio apolare, acqua polare. Sono idrofobi.

• Acidi grassi sono saturi, quando tutti i carboni formano legami con i carboni adiacenti
• Sono invece insaturi, quando uno o più carboni formano uno o più legami tra loro.

Gli steroidi hanno una catena carboniosa ad anello, i carboni si richiudono a formare grosse strutture ad anello. Es. il colesterolo, modificazione chimiche di questa struttura crea delle altre molecole, come gli ormoni steroidei o la vitamina D. Strutture: fosfolipidi, o trigliceridi. Gli acidi grassi li trovo in due Servono i trigliceridi come deposito di energia. Glicerolo, alcol a tre atomi di carbonio, su ciascun carbonio si lega un acido grasso, così ottengo un trigliceride. Sono molecole apolari, che si trovano in una cellula della adipocita. Ha una goccia di trigliceridi all’interno.

Fosfolipidi, sono formati da glicerolo che ha 3 atomi di carbonio, essi però si legano 2 atomi agli acidi grassi, mentre il terzo ad un gruppo fosfato, da qui il nome fosfolipidi. Il gruppo fosfato si lega poi ad una catena R, catena caratterizzante. È una molecola con una porzione apolare, con acidi grassi, quindi idrofoba. Mentre poi ha una parte idrofila. Attratta dall’acqua perché polare. Sono chiamate molecole anfipatiche.

Steroidi: molecole lipidiche, apolari, ma hanno catene complesse, con composti policiclici, il capostipite è il colesterolo, il lipide apolare, molto più grosso, il quale serve per la costituzione delle membrane, da esso derivano gli ormoni steroidei, o la vitamina D.

La membrana plasmatica

Sia le cellule procariotiche che quelle eucariotiche hanno una struttura della membrana plasmatica uguale, ovvero la membrana plasmatica delimita la cellula, in due ambienti, extracellulare. La ambiente intracellulare e membrana è in una cellula eucariotica non solo di limite di due ambienti, ma ci sono anche degli organuli delimitati da membrane, che sono strutturalmente uguali a quella plasmatica. La membrana è formata da lipidi, proteine e carboidrati. Tra i lipidi i fosfolipiti, i glicolipidi e il colesterolo, poi le proteine, tante di tipo diverso, e poi i carboidrati. Lipidi e proteine sono indipendenti, i carboidrati indipendenti non sono, o sono legali ai lipidi, allora glicolipidi, oppure alle proteine, allora glicoproteine.

Fosfolipidi Molecola portante dei fosfolipidi è il glicerolo, esso ha legato a due atomi di carbonio, dei tre che lo costituiscono, ad un’estremità due acidi grassi, mentre dall’altra estremità è legato, sull’altro carbonio libero ad un gruppo fosfato. Inoltre, a questi gruppo fosfato si può legare una catena R. In questo caso una colina, allora si chiama fosfalipidcolina. Queste molecole vengono definite anfipatiche. Nel punto dove c'è un doppio legame, l’acido saturo compie una piega. I fosfolipidi hanno catene di acidi grassi che possono essere saturi oppure insaturi, oppure una satura ed un’altra insatura. Inoltre dobbiamo capire come contribuisca a costituire una membrana plasmatica.

Fosfolipidi immersi in acqua

Noi se mettiamo in un bicchiere d’acqua, e in una provetta dei fosfolipidi, attraverso una pipetta mettiamo una goccia di fosfolipidi nell’acqua, i fosfolipidi si dispongono sul menisco, con le teste appoggiate sull’acqua e con le code verso l’alto, lontane dall’acqua. Ma se noi mettiamo tutti i fosfolipidi, vediamo una parte dei fosfolipidi sta come detto prima, ma un’altra parte di fosfolipidi, si organizzano in modo tale spontaneamente da limitare il più possibile il contatto con l’acqua, formano un doppio foglietto lipidico, tutti i fosfolipidi sono a contatto tra teste e code, per evitare che le code vengano a contatto con l’acqua un secondo foglio si predispone sotto e così le teste sono le uniche a contatto con l’acqua. Ma ci sono dei punti critici, ovvero i lati del foglietto. Allora onde evitare questo il foglietto si ripiegherà su se stesso, per creare una sfera per evitare un contatto con l’acqua. Formando una sfera cava. Se io faccio una sezione di questa sfera vedo una sezione di teste verso l’esterno e una sezione di code verso l’interno. Ma ha un foro centrale dove è presente acqua a contatto con le teste. I fosfolipidi sono vicini tra essi ma non ci sono legami tra essi. I fosfolipidi possono anche spostarsi o ruotare, può quindi transitare nel foglietto, ma non potrà mai passare da un foglietto all’altro, dato che una testa carica, deve attraversare una serie di code apolari, quindi ciò non è conveniente. I fosfolipidi quindi se io devo parlare dello stato fisico della membrana devo dire che è liquido, quindi la viscosità della membrana cambia in funzione della temperatura.

Quindi la membrana è un liquido, la fluidità della membrana è influenzata dalla temperatura. Se io riduco la temperatura aumenta la viscosità e viceversa. Esiste un livello di temperatura per cui la membrana perde la sua integrità strutturale. La membrana deve mantenere un determinato livello di liquidità. Non deve essere troppo densa altrimenti non si possono muovere le molecole, inoltre le vescicole formate di membrana devono fondersi tra loro. Se una cellula secerne qualcosa, deve liberare qualcosa, avrà delle vescicole di membrana che contengono l’ormone insulina. Affinché questa insulina possa essere mandata all’esterno devono queste vescicole avvicinarsi alla membrana plasmatica della cellula e fondersi. Ciò significa che ci devono essere dei parametri da definire. Mentre se troppo fluida la membrana succede che i fosfolipidi si allontanano, quindi perde la sua funzione di barriera.

I parametri da definire per la viscosità della membrana

• Temperatura: Influisce notevolmente sulla viscosità della membrana.
• Lunghezza delle molecole di acidi grassi: La lunghezza delle molecole influisce sulla fluidità dato che se prendiamo un punto della membrana, con catene con acidi grassi con catene molto corte. Oppure ipotizziamo una membrana con acidi grassi molto lunghi. Sono due estremi. Ma vediamo che l’interazione tra acidi grassi è limitata se sono corti, mentre se sono lunghi interagiscono di più. Più fluida quando acidi grassi sono corti, meno fluida se sono lunghi.
• Numero di doppi legami degli acidi grassi: Se vediamo l’olio è liquido, formato prevalentemente dall’acido oleico, un acido grasso, esso è insaturo, presenta doppi legami, ma se prendiamo il panetto di burro, il burro è saturo.