Riassunto esame Biologia, prof. Martino, libro consigliato L'essenziale di biologia molecolare della cellula, Alberts, Bray

Biologia - Alberts

Cellule e organismi

Le cellule sono molto diverse tra loro per dimensione e forma, per la tipologia di rivestimento (membrana plasmatica o parete cellulare rigida), per le sostanze chimiche presenti all'interno e per il lavoro che svolgono (azione contrattile, produzione metaboliti, etc.). Tuttavia, le cellule sono anche molto simili tra loro e in esse gli elementi e i meccanismi chimici sono sempre gli stessi così come l'informazione genetica è sempre situata nel DNA e composta da 4 nucleotidi che si combinano tra loro, viene letta da molecole simili note come RNA e tradotta nel codice di 20 amminoacidi che posti in sequenza creano una vasta varietà di proteine che sono le responsabili della diversità cellulare.

Un organismo vivente è almeno costituito da 1 cellula e senza essa non vi è vita: i virus, che sono composti solo da alcune molecole della cellula devono servirsi di alcuni processi di una cellula vera e propria per potersi riprodurre. Si presume che le cellule siano evolute da uno stesso progenitore comune, tramite la duplicazione cellulare che a volte, nel caso delle mutazioni, può causare cellule figlie diverse dalla cellula madre. L'evoluzione ha prodotto una così grande varietà di organismi anche grazie alla fusione di due corredi genetici diversi nella riproduzione.

Un organismo è costituito da diverse cellule ma in esso il genoma (l'intera sequenza del DNA) è sempre uguale: le cellule variano tra loro perché esprimono geni diversi che causano la produzione di proteine diverse.

Studio delle cellule

Studiare le cellule è stato possibile soltanto dal 1600, quando venne inventato il microscopio. Il microscopio ottico, nel 1665, permise di studiare le cellule e fa uso di un fascio di luce che illumina il composto da studiare. I primi studi sulle cellule comparvero nel 1830 e fondarono la teoria cellulare, ovvero sostennero che tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule che originano da cellule pre-esistenti. Negli anni '30 è stato sviluppato il microscopio elettronico che permise una maggiore distinzione degli elementi cellulari (fino a 2 nm) servendosi di un fascio di elettroni come illuminazione del campione (TEM – elettroni illuminano il campione; SEM - elettroni si riflettono sul campione e sulla lente vengono rilevate le caratteristiche della membrana).

Cellula procariota

Cellula non dotata di nucleo. In questa categoria rientrano i batteri che possono essere a sfera, a bastoncello o a spirale e sopra la membrana plasmatica presentano una parete cellulare: in essi il nucleo si trova sparso nel citoplasma. La capacità riproduttiva del batterio è rapida e tra loro, queste cellule, sono capaci di scambiare materiale genetico. I batteri sono abbastanza semplici nonostante la varietà che li contraddistingue.

Principalmente si dividono in anaerobi (vivono senza O₂) e aerobi (i quali necessitano di O₂ per bruciare il combustibile alimentare): si pensa che i mitocondri siano evoluti da batteri aerobi che hanno intaccato il progenitore anaerobico della cellula eucariota. I batteri sono versatili: alcuni prelevano le componenti necessarie da materiale inorganico, altri traggono l'energia dalla luce solare (si pensa che i cloroplasti derivino da un batterio) e hanno numerose capacità che li contraddistinguono. I batteri sono classificati in Eubatteria, i batteri che comunemente vivono nell'ambiente, e gli Archea, batteri che sono in grado di vivere in ambienti proibitivi (es. sorgenti vulcaniche) e probabilmente sono stati molto importanti in tempi molto lontani.

Cellula eucariotica

Cellula dotata di nucleo che può esistere da sola o formare complessi organismi pluricellulari. Oltre il nucleo presentano numerosi altri organelli (sempre presenti).

• Nucleo: Delimitato da 2 membrane concentriche che formano la membrana nucleare, contiene il DNA che è visibile solo quando è compattato nei cromosomi per dividersi in due cellule figlie.
• Mitocondri: Sono organelli rivestiti da 2 membrane, quella interna presenta una forma pieghettata. Hanno il ruolo di ossidare zuccheri e lipidi per trarne energia che serve per produrre ATP, il combustibile chimico che serve per la maggior parte delle reazioni biologiche. L'attività del mitocondrio consuma O₂ e produce CO₂, pertanto questo fenomeno è noto come respirazione cellulare. Hanno proprio DNA.
• Cloroplasti: Presenti nelle piante e nelle alghe, simile al mitocondrio ma contiene un numero maggiore di membrane interne che contengono clorofilla, un pigmento verde, che serve per trarre energia dalla luce solare che serve per produrre, come elemento finale, O₂ e zuccheri ad alto contenuto energetico. Hanno proprio DNA.

Ci sono anche molti organelli avvolti da una sola membrana che solitamente servono per l'importazione di materiale utile alla cellula o l'esportazione dei suoi prodotti finali. Variano in numero e in specializzazione.

• Reticolo endoplasmatico (RE): Numerosi canali interconnessi avvolti da membrane che si ripiegano su loro stesse, in questo organello avviene la sintesi dei prodotti destinati alla cellula e all'ambiente extracellulare.
• Apparato del Golgi: Riceve le molecole sintetizzate dal RE, apporta loro alcune modifiche e le indirizza verso la loro destinazione finale.
• Lisosomi: Organelli deputati alla digestione degli elementi nutritivi di cui viene ricavata la parte nutritiva e la parte di rifiuto viene distrutta o destinata all'ambiente extracellulare.
• Perossisomi: Luogo dove viene degradato il perossido di idrogeno (H₂O₂), sostanza particolarmente tossica.
• Vescicole: Trasportatori del materiale cellulare dentro (endocitosi) e fuori (esocitosi) tramite fusione o invaginazione con la membrana plasmatica.

Togliendo tutti gli organelli rivestiti da membrana rimarrebbe soltanto il citosol, gel acquoso di natura proteica e macromolecolare nel quale avvengono alcune reazioni fondamentali della cellula come l'inizio della sintesi proteica da parte dei ribosomi, organello deputato alla formazione delle proteine, legati al RE. All'interno del citoscheletro è possibile osservare filamenti proteici che dipartono a raggiera da una zona prossima al nucleo e spesso si ancorano alla membrana plasmatica. Esistono 3 tipologie di filamenti: filamenti sottili di actina (generatori della forza contrattile del tessuto muscolare), microtubuli (molto spessi e contribuiscono a "tirare" i cromosomi nella duplicazione cellulare) e filamenti intermedi (conferiscono resistenza meccanica alla cellula). I filamenti sono responsabili anche dei movimenti della cellula che si sposta nell'ambiente circostante e assume forme specifiche.

Le cellule derivano tutte da un progenitore comune non dotato di tutti gli organelli attualmente presenti nelle cellule eucariotiche: gli organelli sono stati inglobati o sono maturati nel corso dell'evoluzione. Tra le prime forme cellulari troviamo i protozoi, organismi unicellulari con una varietà complessa di accessori (es. dardi).

Organismi modello

In biologia, per lo studio dei diversi meccanismi, vengono usati organismi modello e non sono analizzate tutte le specie: Escherichia coli (batterio) nel campo della biologia molecolare per capire come funziona il meccanismo di replicazione del DNA e di sintesi proteica, il Saccharomyces cerevisiae (fungo – lievito della birra) che è una cellula eucariotica unicellulare e permette di studiare vari meccanismi molecolari, Arabidopsis thaliana per le cellule eucariotiche vegetali, Drosophila melanogaster (moscerino della frutta) per studi di genetica ed embriologia (o Caenorhabditis – verme del suolo). Infine, il topo e anche l'essere umano sono usati per diversi campi della biologia che necessitano di un approccio sistemico e legato ai diversi apparati dell'organismo.

Chimica alla base della biologia

La chimica alla base della biologia è la chimica organica, di cui il carbonio è l'elemento costituente e solitamente tutte le reazioni avvengono in soluzioni acquose e sono coordinate da macromolecole.

Cenni di chimica inorganica e organica

L'atomo è l'unità costitutiva della chimica: possiede un nucleo all'interno del quale si trovano protoni (particelle con carica positiva) e neutroni (particelle prive di carica) che hanno un determinato peso. All'esterno si osserva una nuvola di elettroni che hanno piccolissima massa ma carica negativa e nell'elemento neutro sono in numero pari ai protoni. Il numero di protoni (e quindi anche di elettroni) è il numero atomico, mentre il numero dei protoni più quello dei neutroni è il numero di massa. Se variano il numero di protoni o elettroni cambiano le proprietà dell'atomo mentre se cambia il numero dei neutroni l'atomo rimane simile e viene detto isotopo (es. ¹²C – Carbonio con 6 protoni e 6 neutroni; ¹⁴C – carbonio con 6 protoni e 8 neutroni).

La massa degli atomi si misura in u.m.a. (unità di massa atomica. 1 u.m.a. = massa di H). Un grammo di idrogeno contiene 6x10²³ atomi, questo valore rappresenta il numero di Avogadro e per misurare le quantità in chimica si usano le moli (mol) dove una mole rappresentano la massa espressa in grammi che contiene un numero di Avogadro di molecole.

In natura esistono 92 elementi naturali (che differiscono per numero atomico) ma per la chimica organica gli atomi più rilevanti sono C-H-O-N. Gli elettroni sono responsabili delle associazioni tra atomi per formare le molecole e sono disposti in "orbite" attorno al nucleo. Le orbite (gusci elettronici/strato) sono 7 ma è raro trovare elementi con e- oltre il quarto strato. La prima orbita può ospitare al massimo 2 e-, nel secondo e nel terzo strato si trovano 8e-. Gli atomi che hanno lo strato esterno completamente occupato non sono reattivi (gas nobili) mentre tutti gli elementi incompleti sono particolarmente reattivi perché provano a raggiungere una conformazione stabile. Per raggiungere l'ottetto, la valenza esprime il numero di elettroni che l'atomo deve perdere o acquisire per avere la forma stabile, l'atomo forma legami con altri elementi.

• Legame ionico: I metalli alcalini e gli alogeni, che rispettivamente hanno in eccesso o in difetto un e-, possono rispettivamente donare e cedere un elettrone e diventare ioni negativi (anioni) o positivi (cationi). Gli ioni con carica opposta tendono ad attrarsi tra loro e restare uniti e questo crea il legame ionico. Composti che sono tenuti insieme solo da legami ionici sono detti sali e in acqua si separano liberando i rispettivi ioni.
• Legami covalenti: Nel legame covalente due atomi condividono un elettrone ciascuno per formare un legame a causa della negatività del doppietto elettronico condiviso che azzera la repulsione dei nuclei positivi. Si crea una distanza precisa tra i due atomi legati covalentemente nota come lunghezza del legame. Gli atomi che mancano di più di un elettrone formano legami covalenti tanti quanti sono gli elettroni di cui necessitano e questo determina anche la conformazione spaziale della molecola.

La forza dei legami si misura in kilocalorie/mole, ovvero la quantità di kcal necessaria a spezzare una mole di legami. Conoscendo la forza del legame sappiamo che non bastano le vibrazioni termiche presenti tra loro (che fanno collidere gli atomi) a rompere i legami covalenti perché essi sono molto più resistenti. Esistono diversi tipi di legami covalenti: singoli, doppi e tripli, che dipendono dal numero di elettroni messi in condivisione tra i due atomi (nei legami doppi ogni atomo condivide 2 elettroni per un numero finale di 4e-). I legami doppi agli atomi coinvolti di ruotare intorno all'asse del legame e questo rende conto della conformazione della molecola.

I legami covalenti possono essere polari o meno: questo dipende dall'elettronegatività dell'atomo, ovvero la forza con cui l'atomo attrae verso sé il doppietto elettronico condiviso. La molecola, quindi, si divide in polo carico positivamente e polo carico negativamente (quello che attrae maggiormente gli e-). La polarità delle molecole è responsabile dell'unione tramite legami deboli (per interazione elettrostatica) di più molecole.

• Legame idrogeno: La molecola di acqua (H₂O) possiede due atomi di H e un solo atomo di O a cui sono legati covalentemente gli atomi di idrogeno. Il legame è covalente polare perché l'ossigeno attrae maggiormente gli elettroni di legame e questo rende la molecola di acqua polare: quando essa si trova in prossimità di un'altra molecola polare entrambe si attraggono per carica elettrostatica formando un legame idrogeno (questo accade ogni qualvolta si trovi un H carico positivamente legato covalentemente ad atomi più elettronegativi). Per tale proprietà polare dell'acqua i sali e le molecole polari si sciolgono in soluzione acquosa.

Le molecole che in soluzione si sciolgono in acqua sono dette idrofiliche, quelle che non partecipano a reazioni con l'acqua sono note come idrofobiche (come per gli idrocarburi che sono utili nella costituzione delle barriere cellulari).

In soluzione acquosa ci sono molecole che possono dissociare ioni H⁺ che si lega per attrazione elettrostatica ad una molecola di acqua e forma lo ione idronio (H₃O⁺). Le molecole che aumentano la quantità di H⁺ in soluzione sono dette acidi (aumentano la concentrazione [H⁺] in soluzione che diventa < 10^-7). Gli acidi si dividono in acidi deboli e forti in base alla loro predisposizione a dissociarsi (HCl è un acido forte, CH₃COOH è un acido debole).

Le molecole che invece sono in grado di accettare H⁺ sono dette basi e anch'esse possono essere forti (NaOH) o deboli (-NH₂ – gruppo R amminico). La capacità di queste molecole di accettare ioni idronio fa alzare la concentrazione degli ioni ossidrile (OH^-) e abbassare la concentrazione degli ioni H⁺ che diventa > 10^-7. È importante saper calcolare la concentrazione di H⁺ e per farlo si usa la scala del pH.

Composti organici nelle cellule

Per la biologia sono importanti tutti i composti in cui è coinvolto il carbonio (la chimica organica) che può formare molecole illimitate costituite da catene di atomi di C con legati gruppi funzionali di molecole anche inorganiche che rendono conto delle particolari caratteristiche di ogni molecola. Nella cellula i composti organici possono esistere come monomeri (piccole subunità), piccole molecole organiche e macromolecole.

• Zuccheri: Gli zuccheri più semplici sono i monosaccaridi che hanno formula (CH₂O)_n con 3<n<6 e sono noti anche come carboidrati a causa della combinazione del carbonio con H e O nelle proporzioni dell'acqua. Esiste un numero molto ampio di carboidrati anche in base al fatto che una stessa formula bruta può essere condivisa da molecole con orientamento spaziale diverso. Le varie forme di molecole con la stessa formula sono gli isomeri (isomeri ottici nel caso le due forme siano speculari).

Il monosaccaride più comune sono il glucosio e il fruttosio (C₆H₁₂O₆) e due monosaccaridi uniti covalentemente formano un disaccaride come il saccarosio (glucosio + fruttosio) che uniti formano gli oligosaccaridi e i polisaccaridi. I legami tra diversi monosaccaridi si costituiscono per condensazione grazie all'eliminazione di una molecola di H₂O e l'idrolisi è la reazione inversa in cui un legame è spezzato introducendo una molecola di acqua. Le catene di monosaccaridi sono ramificate. Il glucosio è il monosaccaride più importante per la biologia e demolire le macromolecole di glucosio (glicogeno negli animali, amido nelle piante) libera energia che viene utilizzata per molti processi biologici. I carboidrati sono presenti anche nelle pareti cellulari vegetali (cellulosa) e in altre funzioni di sostegno. Associate a proteine e lipidi i carboidrati possono formare glicoproteine e glicolipidi, che sono particolarmente abbondanti sulla membrana plasmatica come molecole segnale (riconosciute da altre cellule).

• Lipidi: Gli acidi grassi sono molecole costituite da una coda di idrocarburi (catena di C-H) che può essere satura (senza doppi legami) o insatura e che è idrofobica (non reagisce con l'acqua), e idrogenato nel caso passi da insatura a satura mediante l'aggiunta di H, e una testa idrofilica costituita da gruppi carbossilici (-COOH) che in soluzione acquosa si presentano come ione carbossile (-COO^-) che è molto reattivo e solitamente si trova legato covalentemente ad altre molecole. Gli acidi grassi differiscono per la lunghezza della coda idrofobica e per la presenza e la disposizione dei doppi legami che rendono più rigida la molecola.

Nelle cellule servono per accumulo di energia e la loro demolizione produce energia 6 volte di più rispetto al glicerolo. Nelle cellule animali si trovano in forma di triacilglicerolo (3 catene acidi grassi e una coda di glicerolo). I lipidi sono la sovraclasse degli acidi grassi e comprendono tutte le sostanze non solubili in acqua: hanno sempre una coda idrofobica, di idrocarburi lineari (come negli acidi grassi o negli isopreni) o di anelli aromatici (steroidi) e una testa idrofilica. I lipidi sono elementi costitutivi delle membrane cellulari e solitamente in essi si trovano i fosfolipidi (composti da glicerolo associato a due catene di acidi grassi e un legame con un gruppo fosfato, idrofilico e altri piccoli composti idrofilici). Nelle membrane i fosfolipidi si organizzano unendo le code idrofobiche e presentano ai lati del citosol e dell'ambiente extracellulare le teste idrofiliche: questa struttura forma il doppio strato fosfolipico. Gli steroidi fanno parte della categoria dei lipidi in quanto insolubili in soluzione acquosa e sono costituiti da 4 anelli aromatici cui è legata una catena carboniosa: in questa categoria si classifica il colesterolo, localizzabile nelle membrane cellulari.

• Amminoacidi: Molecole composte da un atomo di carbonio centrale (carbonio α) legato ad un gruppo carbossilico (-COOH) ad un gruppo amminico (-NH₂), ad un atomo di H e ad una catena laterale (R) che permette di distinguere...