Basi biologiche

I bioelementi

Gli esseri viventi sono formati da bioelementi presenti in quantità elevata (99%) (→ carbonio, ossigeno, azoto, idrogeno, fosforo e zolfo) mentre altri bioelementi sono in concentrazioni basse (calcio, potassio, cloro, magnesio, sodio, iodio, ferro). Altri, detti oligoelementi come iodio e rame, sono presenti in tracce.

Importanza biologica delle interazioni deboli

Tra le interazioni deboli (legami secondari) oltre alle forze di van der Waals ci sono i legami a idrogeno. Si rompono facilmente per i movimenti di agitazione termica ma se presenti in gran numero risultano forti. Hanno un ruolo importante nel determinare la struttura tridimensionale.

Proprietà dell'acqua

È il componente più abbondante nelle cellule (75-85%) e molti organismi vivono nell’acqua. Le principali proprietà includono:

• Polarità dovuta a una diversa distribuzione delle cariche elettriche tra l'ossigeno e gli atomi di idrogeno. L'acqua è un ottimo solvente per soluti ionici e polari.
• Coesione dovuta ai legami a idrogeno tra molecole d'acqua, spiega la sua tensione superficiale e il suo elevato punto di ebollizione.
• Adesione dovuta a legami a idrogeno tra acqua ed altre sostanze polari. Coesione e adesione spiegano il fenomeno della capillarità, capacità di risalire all'interno dei tubi molto stretti contro la forza di gravità, come nelle piante.
• Alto calore specifico (quantità di calore che un grammo deve assorbire per aumentare la sua temperatura di uno grado centigrado) a seguito dei legami a idrogeno fra molecole d'acqua che consente agli organismi di mantenere relativamente costante la temperatura interna.
• Alto calore di evaporazione (energia per convertire 1 grammo di liquido in vapore). Le molecole d'acqua passando allo stato di vapore portano con loro una grande quantità di calore determinando un raffreddamento per evaporazione.
• Tendenza a dissociarsi per dare ioni idrogeno (protoni H⁺) e ioni idrossido (OH^-).

Le funzioni delle molecole organiche

Con l'eccezione dei lipidi, sono polimeri e sono dette macromolecole per le dimensioni. Il processo di sintesi di un polimero è detto condensazione, richiede energia e comporta l'eliminazione di molecole d'acqua. I polimeri possono essere degradati nei monomeri mediante idrolisi per aggiunta di acqua. Queste due reazioni sono catalizzate da enzimi specifici.

Gli zuccheri (carboidrati) sono utilizzati dalla cellula come materiale energetico, sia come fonte di energia che come materiale di riserva (es: amido, glicogeno) o strutturale (chitina, cellulosa). Anche i lipidi hanno funzione di riserva energetica e strutturale. I fosfolipidi sono importanti per la struttura delle membrane biologiche, alcuni lipidi svolgono funzione di ormoni (ormoni steroidei).

Le proteine possono avere varie funzioni:

• Enzimatica come la DNA polimerasi;
• Strutturale come collagene, elastina, cheratina, forniscono supporto meccanico;
• Contrattile come actina e miosina, coinvolte nella contrazione muscolare;
• Di deposito di riserva di nutrienti, ovoalbumina nell'albume o zeina nei semi;
• Di trasporto come emoglobina che trasporta ossigeno o proteine trasportatrici della membrana che fanno passare le sostanze, o quelle che formano canali ionici attraverso cui far passare gli ioni;
• Di segnale come ormoni (insulina), fattori di crescita;
• Di regolazione come quelle impiegate nell'espressione dei geni;
• Di recettore rilevano i segnali che arrivano alle cellule e li trasmettono a quelle competenti a rispondere (come radiopsina);
• Di difesa come gli anticorpi.

Ruolo degli enzimi

Nelle cellule avvengono molte reazioni chimiche che nell'insieme costituiscono il metabolismo, ma non avvengono spontaneamente perché avrebbero una velocità troppo bassa, devono invece essere favorite da un catalizzatore biologico ossia da un enzima, in grado di aumentare la velocità di una reazione chimica abbassando l'energia di attivazione necessaria. Così un numero maggiore di molecole reagirà per unità di tempo.

Un enzima agisce formando un complesso enzima-substrato che successivamente si rompe rilasciando il prodotto della reazione. Non viene alterato né consumato dalla reazione ma può essere riutilizzato ed è necessario in piccole quantità. Ogni enzima contiene un sito attivo, il sito catalitico, in cui avviene la catalisi che permette la conversione del substrato in prodotto. Gli amminoacidi che costituiscono il sito attivo non sono necessariamente contigui lungo la sequenza primaria della proteina ma possono essere portati vicini per il ripiegamento tridimensionale della catena.

Molti per funzionare necessitano di un cofattore (es: uno ione metallico) detto coenzima. Le vitamine sono precursori dei coenzimi o lo sono esse stesse. Gli enzimi sono molto specifici sia per il tipo di reazione che catalizzano (specificità di reazione) che per il substrato (specificità di substrato). Classificazione e nomenclatura degli enzimi sono fatte in base al tipo di reazione che catalizzano. La maggior parte degli enzimi sono proteine, recentemente sono stati scoperti i ribozimi (enzimi a RNA).

La cellula come base della vita

L’elaborazione della teoria cellulare risale a metà dell’Ottocento da parte di Schleiden e Schwann e segna la nascita della biologia moderna. Afferma che:

• La cellula è l’unità fondamentale della materia vivente.
• Tutti gli organismi viventi sono formati da cellule.
• Le cellule derivano esclusivamente dalla divisione di altre cellule.

Dimensioni cellulari

Pur essendo le dimensioni cellulari molto variabili, la maggior parte delle cellule ha dimensioni microscopiche ed è visibile al microscopio ottico. Per misurare le cellule si usa il micrometro (un milionesimo di metro 10^-6) e per gli organuli il nanometro (un millesimo di micrometro, 10^-9). L’angstrom corrisponde a 10^-7 metri. Le cellule procariote sono più piccole di quelle eucariote. Lo studio dunque può essere effettuato con il microscopio ottico che consente di analizzarle, e al massimo ingrandimento si possono osservare i batteri. Non si vedono i virus! Con quello elettronico si osservano le cellule fissate, quindi morte.

Cellula procariotica

Le cellule procarioti che (probabilmente comparse prima sulla terra) sono prive di nucleo delimitato da membrana e costituiscono organismi procarioti unicellulari. Attualmente i procarioti sono divisi in eubatteri ed archeobatteri. I batteri sono un esempio; sono unicellulari anche se formano colonie, invisibili all’occhio nudo ma visibili al microscopio ottico, hanno il diametro simile ai mitocondri.

La struttura dei batteri comprende:

• Flagelli batterici (non vanno confusi con quelli delle cellule eucariotiche: entrambi sono appendici motorie ma quelli batterici sono formati da polimeri di una sola proteina, la flagellina, mentre quelli eucariotici analogamente alle ciglia sono formati da microtubuli);
• La capsula;
• La parete cellulare (diversa da quella vegetale, formata nei batteri da peptidoglicano, polimero di due aminozuccheri legati a corti polipeptidi);
• La membrana plasmatica;
• Il citosol dove si trovano i ribosomi 70S [caratterizzati dal coefficiente di sedimentazione o valore S unità Svedberg), misura della velocità di sedimentazione funzione di forma e dimensione. Quelli eucarioti sono più grandi (80S)];
• Il nucleoide o area nucleare, zona in cui si trova il cromosoma batterico costituito da una singola molecola di DNA circolare.
• I plasmidi anche vi si possono trovare, altre piccole molecole di DNA circolare capaci di replicarsi autonomamente e utilizzati in ingegneria genetica quali vettori.

Sono privi di organuli citoplasmatici e circondati da membrana. Gli enzimi per le funzioni possono essere localizzati sulla membrana plasmatica, sui mesosomi (ripiegature della membrana plasmatica) o nel citoplasma. Alcuni batteri formano endospore (cellule a riposo capaci di sopravvivere a lungo in condizioni diverse). La riproduzione dei batteri è asessuata mediante scissione binaria in due parti uguali. Nei batteri non avviene né mitosi né meiosi, si replicano in condizioni ottimali ogni 20 minuti. Un fattore limitante la crescita dei batteri è l’esaurimento delle sostanze nutritive.

Cellula eucariotica

Le cellule eucariotiche sono caratterizzate da un nucleo delimitato da un involucro membranoso. Si osserva una compartimentazione (presenza di compartimenti intracellulari delimitati da membrana con funzioni diverse). Gli organismi eucarioti possono essere organismi unicellulari protisti, oppure organismi pluricellulari. Le diverse dimensioni sono dovute a un numero di cellule diverso.

Differenze tra cellula eucariotica e procariotica

Differenze tra cellula vegetale ed animale

Cellule vegetali in grado di effettuare la fotosintesi grazie ai cloroplasti organuli delimitati da due membrane, analogamente ai mitocondri, con cui hanno altre caratteristiche in comune come la presenza di una molecola di DNA circolare. Nello stroma (spazio pieno di liquido racchiuso nella membrana interna) sono presenti gli enzimi per la fotosintesi. Nello stroma si trovano anche sacche di membrane appiattite e interconnesse dette tilacoidi che in alcuni punti si impilano formando i grana (singolare granum). Le membrane dei tilacoidi contengono il pigmento della clorofilla, che capta l’energia luminosa (ma quando la clorofilla capta l’energia luminosa la luce verde non è assorbita!).

Quindi nelle cellule vegetali, a differenza di quelle animali, sono presenti la parete cellulare, i cloroplasti e un grosso vacuolo centrale. I citoplasmi di cellule adiacenti sono collegati da plasmodesmi, canali attraverso cui passano acqua e piccole molecole.

Differenze con quelle animali:

• Presenza di:
• Parete cellulare struttura rigida che svolge funzione di sostegno, protegge la cellula e ne mantiene la forma, costituita da fibre di cellulosa immerse in una matrice di altre molecole;
• Plastidi organuli racchiusi da membrana, che comprendono cloroplasti, cromoplasti, amiloplasti ecc.;
• Vacuoli (il termine significa vuoto per l’assenza di una struttura interna), tra cui il vacuolo centrale cosiddetto perché si trova in posizione centrale e occupa gran parte del volume della cellula; presenti quasi esclusivamente in cellule vegetali e protisti, sono sacchetti pieni di acqua con vari soluti disciolti, racchiusi da una membrana, che possono svolgere svariate funzioni tra cui l'accumulo di sostanze nutritive come le proteine del seme, la digestione e il mantenimento della struttura idrostatica che dà turgore alla cellula. Membrana del vacuolo tonoplasto.
• Assenza di:
• Centrioli
• Lisosomi (la cui funzione è svolta dai vacuoli)
• Flagelli

Inoltre, nelle piante le giunzioni cellulari sono appunto costituite da canali attraverso la parete cellulare, detti plasmodesmi, che collegano il citoplasma delle cellule adiacenti.

Membrana cellulare e sue funzioni

Una cellula deve mantenere un ambiente interno idoneo allo svolgimento di tutte le reazioni chimiche necessarie per la vita, perciò tutte le cellule sono separate dall’esterno da una membrana plasmatica. La sua comparsa ha permesso l’evoluzione delle cellule eucariotiche dove sono presenti anche membrane interne che danno luogo a compartimenti cellulari. L’insieme delle membrane all’interno di tutte le cellule eucariotiche costituisce il sistema di endomembrane che, completamente assente in quelle procariotiche e nei virus, comprende tutte le membrane che ricoprono i vari organelli immersi nel citoplasma (tra cui mitocondri, cloroplasti, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, involucro nucleare e lisosomi ma non perossisomi).

Struttura della membrana dalla membrana cellulare (membrana plasmatica, che delimita tutte le cellule e anche i batteri) alle membrane interne delle cellule eucariotiche, tutte presentano la stessa struttura. Formate da:

• Lipidi principalmente fosfolipidi, che presentano una coda idrofoba formata da due catene di acidi grassi e una testa idrofila con un gruppo fosfato. Da un lato con la coda rifuggono l’acqua, dall’altro la cercano molecole antipatiche. In acqua formano un doppio strato fosfolipidico dove le code si associano e dispongono verso l’interno, le teste si dispongono verso l’esterno da entrambi i lati, a contatto con l’acqua. Fra questi lipidi c’è anche il colesterolo.
• Proteine divise in proteine periferiche e proteine integrali, mentre le prime sono associate debolmente al doppio strato lipidico le seconde lo attraversano tutto (proteine transmembrana) o in parte; la parte che lo attraversa è costituita da amminoacidi idrofobi perché a contatto con le code idrofobe).

Modello a mosaico fluido modello delle membrane biologiche in cui la struttura non è rigida ma entro certi limiti consente ai lipidi e alle proteine di spostarsi sul piano della membrana. È detto fluido per la possibilità delle molecole di spostarsi e mosaico per le proteine che fluttuano. Alcune proteine e lipidi di membrana sono glicosilati (vi è stata l’aggiunta di carboidrati): glicolipidi e glicoproteine si trovano sul versante extracitoplasmatico della membrana. Alcune proteine attraversano la membrana più di 20 volte, altre anche una sola.

Funzioni della membrana:

• Contorno e barriera di permeabilità
• Organizzazione e localizzazione della funzione
• Processi di trasporto
• Rilevamento del segnale
• Comunicazione cellula-cellula

Trasporto attraverso la membrana

Le membrane cellulari sono selettivamente permeabili, dette anche semipermeabili, permettono il passaggio solo di alcune sostanze e non di altre (permeabile = permette di attraversare).

Trasporto di piccole molecole

Le molecole, quanto più sono piccole e idrofobe tanto più facilmente attraversano la membrana (alcuni gas come ossigeno, azoto o anidride carbonica). L’interno del doppio strato lipidico è idrofobo quindi blocca il passaggio delle molecole idrofile!

Trasporto di piccole molecole o ioni

Passano attraverso la membrana per diffusione semplice lungo il proprio gradiente di concentrazione (da una a concentrazione maggiore ad una minore).

Trasporto passivo dell’acqua attraverso una membrana a permeabilità selettiva è detto osmosi. Passano dalla regione a minore concentrazione di soluti (soluzione isotonica) a una in cui sono più concentrati (ipertonica). Una cellula in una soluzione ipotonica si lisa, in una ipertonica si raggrinza, in una soluzione isotonica rimane normale.

Molecole più grandi e ioni come amminoacidi, glucosio e nucleotidi ma anche le molecole elettricamente cariche anche se più piccole, passano attraverso la membrana mediante diffusione facilitata: il trasporto è mediato dalle proteine transmembrana che legano un soluto da una parte della membrana e lo trasferiscono dall’altra mediante un cambiamento della propria conformazione. Fra queste proteine vi sono le proteine trasportatrici (anche vettrici o carrier) che trasportano amminoacidi e zuccheri e le proteine canale che formano i canali ionici attraverso cui passa uno ione. Ogni proteina trasportatrice è selettiva e trasporta solo un tipo di molecola ed anche ogni canale ionico.

Trasporto attivo trasporto contro gradiente di concentrazione richiede energia fornita dall’ATP per idrolisi. Uno esempio è la pompa sodio-potassio (detta anche Na⁺ - K⁺ ATPasi) presente in tutte le cellule animali, che pompa contro i rispettivi gradienti di concentrazione tre ioni sodio fuori e fa entrare due ioni potassio. Altra pompa è quella Ca²⁺ ATPasi.

Trasporto di macromolecole

Le macromolecole sono troppo grandi per poter passare attraverso la membrana, perciò il loro trasporto avviene mediante:

• Esocitosi durante il processo una vescicola secretoria si fonde con la membrana plasmatica rilasciando il contenuto nell’ambiente esterno alla cellula; la membrana della vescicola diventa parte integrante della membrana. Dall’interno all’esterno della cellula, la cellula secerne ormoni, muco, proteine del latte, enzimi digestivi, anticorpi, proteine, neurotrasmettitori ecc. oppure prodotti di scarto.
• Endocitosi durante il processo sostanze dell’ambiente esterno alla cellula sono circondate da una porzione di membrana plasmatica che prima si incurva a formare una sorta di tasca, infine si separa dalla membrana plasmatica formando una vescicola endocitica. L’endocitosi è importante per diversi processi tra cui l’ingestione di sostanze nutritive e la difesa contro i microrganismi.