Biologia umana e genetica

Biologia umana e genetica

La chimica organica e le macromolecole

La chimica organica si occupa dello studio delle biomolecole; le macromolecole sono polimeri formati da monomeri legati covalentemente, aventi un peso molecolare superiore a 1000. Le macromolecole si formano mediante due tipi di reazioni:

• Condensazione: viene liberata una molecola d’acqua per ogni legame covalente formato.
• Idrolisi: viene utilizzata l’acqua per idrolizzare i polimeri in monomeri.

Le macromolecole contengono anche gruppi funzionali legati allo scheletro carbonioso, che determinano il comportamento chimico della molecola.

Isomeri

Gli isomeri sono molecole aventi la stessa formula grezza molecolare e diversa formula di struttura; possiamo distinguerne due tipi fondamentali:

• Strutturali: hanno la stessa formula molecolare, ma diversa concatenazione degli atomi.
• Ottici: si trovano nelle molecole contenenti centri chiralici o asimmetrici (atomi di carbonio che legano 4 sostituenti diversi); tali isomeri sono l’uno l’immagine speculare dell’altro, ma non sono sovrapponibili e differiscono solo per la capacità di far ruotare il piano della luce polarizzata in direzioni opposte.

Le quattro principali classi di macromolecole

1. Carboidrati

I carboidrati hanno formula molecolare C(H₂O)_n e svolgono principalmente funzioni strutturali e di riserva. In base alla loro complessità chimica si dividono in monosaccaridi, disaccaridi/oligosaccaridi e polisaccaridi.

I monosaccaridi sono zuccheri semplici formati da 3 a 7 atomi di carbonio; sono derivati aldeidici e chetonici e contengono molti gruppi –OH che conferiscono un’elevata solubilità alla molecola. A seconda della posizione del gruppo ossidrilico, viene utilizzata la lettera D o L prima del nome del saccaride. Tra i principali monosaccaridi abbiamo il glucosio e il fruttosio.

Il glucosio è uno zucchero semplice aldoesoso, che può avere forma lineare o ciclica ad anello in due forme isomere.

I glicosamminoglicani sono una classe eterogenea di polisaccaridi che entrano a far parte della matrice extracellulare, legati a una porzione proteica. Tra i più importanti glicosamminoglicani troviamo l’acido ialuronico (un importante glicosamminoglicano dell’umor vitreo degli occhi, del fluido sinoviale e del tessuto connettivo) e l’eparina, utilizzata in medicina per inibire la coagulazione sanguigna.

I disaccaridi e gli oligosaccaridi sono formati da poche unità monosaccaridiche; i polisaccaridi invece sono formati da milioni di unità monosaccaridiche e svolgono funzioni di riserva e strutturali. I polisaccaridi di riserva sono il glicogeno e l’amido, rispettivamente nel regno animale e vegetale. Il glicogeno si trova nelle cellule dei tessuti muscolari ed ha una forma altamente ramificata. Esso rappresenta la primaria fonte di energia dalla quale il muscolo attinge nel momento del bisogno. L’amido invece è formato da molte unità di glucosio polimerizzate, nonché da una miscela di glicani, ossia alpha-amilosio ed amilopectina. Entrambi sono polimeri del glucosio; il primo tende ad avvolgersi a doppia elica e presenta, tra le catene di glucosio, legami glicosidici 1→4. L’amilopectina invece presenta tra le catene di glucosio legami glicosidici 1→6.

I polisaccaridi di struttura invece sono, nel regno animale la chitina e nel regno vegetale la cellulosa. La chitina costituisce l’esoscheletro di molti invertebrati; mentre la cellulosa è formata da molte unità di glucosio affiancate, fino a formare dei fasci resistenti.

2. Lipidi

I lipidi hanno formula molecolare CH₃(CH₂)_nCOOH. Non sono polimeri come le altre tre classi di macromolecole, ma tendono comunque ad aggregarsi; presentano due caratteristiche fondamentali in comune:

• Elevato potenziale energetico
• Elevata idrofobicità

I lipidi svolgono tre funzioni biologiche fondamentali:

• Nella forma di doppi strati sono i principali costituenti delle membrane biologiche
• I lipidi contenenti catene idrocarburiche hanno funzione di riserva energetica
• Molti messaggi intra ed inter-cellulari vengono trasmessi da molecole lipidiche

I lipidi si dividono in semplici e complessi a seconda della presenza nella molecola degli acidi carbossilici (acidi grassi contenenti lunghe catene idrocarburiche). Tra i lipidi più importanti troviamo i trigliceridi, formati da una molecola di glicerolo e da tre catene di acidi grassi. I trigliceridi hanno un elevato potenziale energetico, infatti a parità di peso, sprigionano una quantità di energia 6 volte superiore a quella del glicogeno muscolare e si accumulano nei tessuti adiposi sottocutanei.

I fosfolipidi, nella forma di doppio strato fosfolipidico o bilayer, sono i principali costituenti delle membrane biologiche. Un fosfolipide è formato da una testa idrofila polare carica elettricamente e contenente un gruppo fosfato e da una coda idrocarburica apolare idrofoba non carica elettricamente.

3. Proteine

Le proteine svolgono funzioni fondamentali per la vita cellulare, infatti ne distinguiamo molteplici:

• Proteine contrattili o motili
• Proteine di struttura
• Proteine di catalisi
• Proteine di difesa
• Proteine con funzione ormonale
• Proteine di trasporto
• Proteine di deposito

L’unità strutturale di ogni proteina è l’amminoacido; gli amminoacidi delle proteine appartengono alla serie L ed hanno tutti la stessa struttura; sono formati da un gruppo amminico (NH₂) e da un gruppo carbossilico (COOH), la cui interazione tra gli amminoacidi genera il legame peptidico, formando così la sequenza amminoacidica del polipeptide. Ogni proteina è formata da una sequenza di 20 amminoacidi.

Le variazioni di lunghezza della catena polipeptidica portano alla formazione dei 4 livelli di struttura ed organizzazione delle proteine:

1. Struttura primaria: da questa dipendono tutte le altre strutture; consiste nella sequenza lineare amminoacidica che costituisce il polipeptide.
2. Struttura secondaria: consiste in un ripiegamento su sé stessa della sequenza amminoacidica ed indica la disposizione spaziale degli atomi sulla catena polipeptidica. La struttura secondaria presenta due possibili formazioni:
   • Alpha-elica: struttura elicoidale destrorsa con 3,6 residui/giro e che assume una forma fortemente spiralizzata attorno a un asse longitudinale.
   • Foglietto beta ripiegato: consiste nell’affiancamento parallelo ed antiparallelo di tratti di polipeptidi, fino ad assumere la forma di un foglietto pieghettato.
3. Struttura terziaria: rappresenta la conformazione tridimensionale complessiva assunta dal polipeptide nello spazio.
4. Struttura quaternaria: è data dalla cooperazione di 4 diverse subunità (catene polipeptidiche, ognuna delle quali possiede la propria struttura terziaria). Le proteine con struttura quaternaria presentano la proprietà dell’allosterismo. Un esempio di proteina allosterica è l’emoglobina, la cui attività di trasporto nel sangue è mediata dalle 4 subunità, α1, α2, β1 e β2.

4. Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi, formati a loro volta da uno zucchero pentoso, da una base azotata e da un gruppo fosfato. Se manca quest’ultima componente si parlerà non di nucleotidi, ma di nucleosidi.

Gli acidi nucleici più importanti sono il DNA e l’RNA, aventi struttura simile, ma funzioni diverse.

Il DNA (acido desossiribonucleico) è un polimero di desossiribonucleotidi, legati da unità di acido fosforico. Esso contiene l’informazione genetica e codifica in linguaggio chimico le informazioni necessarie alla sintesi proteica. Il DNA è formato da un gruppo fosfato, dal desossiribosio (zucchero pentoso) e da una base azotata. Secondo gli studi condotti da Watson e Crick negli anni '50, il DNA è formato da un doppio filamento polinucleotidico, formando quindi una doppia elica, all’interno della quale le basi azotate si appaiano secondo precisi criteri; infatti l’adenina (A) si lega con la timina (T) e la citosina (C) con la guanina (G). Le sequenze di basi azotate contengono l’informazione genetica e costituiscono i geni, nonché segmenti di DNA. Il DNA dirige la propria duplicazione e trascrizione e riesce a duplicarsi in maniera tanto esatta da garantire alla generazione successiva un corredo genetico identico; occasionalmente riesce a mutare la propria struttura per modificare le informazioni in esso contenute o per farne uscire delle nuove; il messaggio in esso contenuto deve essere decodificato per essere utilizzato e deve essere reso accessibile ad altre molecole di acidi nucleici, comprensibile mediante un apposito sistema di traduzione, maneggevole e conservato per lunghi periodi di tempo.

L’RNA ha struttura simile ma funzioni diverse; esso costituisce il materiale genetico solo in alcuni virus. A differenza del DNA, esso presenta come zucchero pentoso il ribosio e come base azotata l’uracile (U) al posto della timina (T) e che si legherà quindi solo all’adenina (A). Distinguiamo 3 tipi di RNA:

• mRNA: RNA messaggero, corrispondente a geni che codificano le proteine.
• rRNA: RNA ribosomiale, si lega a proteine per formare i ribosomi.
• tRNA: RNA transfer, si associa agli amminoacidi corrispondenti e si lega a sequenze complementari di 3 nucleotidi contenuti nell’mRNA.

La biologia e lo studio degli esseri viventi

La biologia si occupa dello studio scientifico degli esseri viventi, ossia quegli organismi apparsi sulla terra circa 4 miliardi di anni fa e derivanti da un unico antenato comune. La vita sulla terra (che per gli studiosi ha 5 miliardi di anni) si è sviluppata dopo il primo miliardo di vita del pianeta, a causa delle condizioni inospitali iniziali. Le prime forme di vita si svilupparono in acqua, soprattutto negli oceani, ambienti ricchi di biomolecole dalle quali ricavare energia.

La teoria cellulare

La cellula è la più piccola parte di un organismo, capace di espletare tutte le funzioni fisiologiche dell’organismo stesso (motilità, riproduzione, metabolismo, adattamento all’ambiente). Secondo la teoria cellulare, la cellula è l’unità fondamentale fisiologica e strutturale di tutti gli organismi viventi; tutti gli organismi viventi sono formati da cellule, le quali derivano tutte da cellule preesistenti. La teoria cellulare implica 3 conseguenze fondamentali:

• L’origine della vita sulla terra è stata contrassegnata dalla comparsa della prima cellula.
• Tutte le cellule derivano da rapporti e/o fusioni tra altre cellule.
• I meccanismi che regolano il funzionamento di una cellula, sono simili a quelli che regolano tutte le cellule di un organismo.

Le cellule devono avere piccole dimensioni, per permettere un trasporto più rapido e facile delle sostanze al loro interno. Esse inoltre devono essere caratterizzate da un buon rapporto tra volume e superficie. Il volume delimita l’entità di attività chimica espletata dalla cellula per unità di tempo. La superficie invece indica la quantità di sostanza che la cellula può introdurre al suo interno per endocitosi e di conseguenza anche la quantità totale di sostanza che può espellere al suo esterno per esocitosi. Le cellule non sono visibili ad occhio nudo, per questo vengono utilizzate delle tecniche di microscopia, ossia microscopio ottico ed elettronico.

Microscopia e unità di misura in biologia

Il microscopio ottico utilizza lenti di vetro e luce per ottenere un’immagine ingrandita fino a 1000 volte rispetto all’occhio; tale microscopio ci permette di individuare dimensioni e forma cellulare e, se trattate chimicamente con appositi coloranti, anche le strutture cellulari interne. Il microscopio elettronico invece sfrutta degli elettromagneti per focalizzare un fascio di elettroni e lenti di vetro per focalizzare un raggio di luce, per ottenere un’immagine ingrandita fino a 1.000.000 di volte rispetto all’occhio e permette di eseguire un’analisi accurata delle strutture interne cellulari (citologia).

Unità di misura usate in biologia:

• Centimetro (cm) = 1/100 di m
• Millimetro (mm) = 1/1000 di m
• Micrometro = 1/1000 di mm
• Nanometro (nm) = 1/1000 di micrometro
• Angstrom (Å) = 1/10000 di micrometro

I tre domini degli organismi viventi

Gli studiosi dividono gli organismi viventi in 3 grandi domini:

• Archea
• Bacteria
• Eukarya

Gli archei e i batteri fanno parte dei procarioti, mentre gli eucarioti appartengono agli eukarya. In questo quadro possiamo distinguere due tipi di organismi, quelli autotrofi e quelli eterotrofi. I primi si auto-alimentano, i secondi invece si nutrono da qualcos’altro.

Cellule procariote ed eucariote

Le cellule possono essere divise in 2 grandi gruppi:

• Procariote
• Eucariote, che possono essere animali o vegetali

I primi organismi che apparirono sulla terra erano molto probabilmente procarioti unicellulari. Le cellule procariote sono più piccole e meno evolute rispetto a quelle eucariote. Le cellule procariote possiedono una membrana citoplasmatica, che regola il traffico di materiali verso l’interno e l’esterno cellulare; non possiedono un nucleo ben definito ed il materiale genetico (DNA) è contenuto in una regione detta nucleoide; il citoplasma infine è formato dal citosol (soluzione acquosa formata da ioni e molecole solubili) e da ribosomi (complessi di RNA e proteine, siti della sintesi proteica).

Evoluzione procariotica e struttura cellulare

L’evoluzione procariotica ha portato alla formazione di:

• Parete cellulare: struttura semirigida esterna alla membrana citoplasmatica, che funge da barriera contro le infezioni.
• Membrana interna: in alcuni batteri fotosintetici, la membrana citoplasmatica si ripiega verso l’interno formando un sistema di membrane che contengono i complessi necessari per la fotosintesi.
• Flagelli e pili: i flagelli sono responsabili (con le loro code) del movimento dei procarioti; i pili invece aiutano i batteri ad unirsi per scambiarsi materiale genetico.
• Citoscheletro: struttura elicoidale filamentosa che si trova all’interno della cellula, al di sotto della membrana citoplasmatica.

Come le cellule procariote, anche quelle eucariote possiedono membrana citoplasmatica, citosol e ribosomi, ma in più, il citoplasma è ricco di organelli cellulari. Secondo la teoria endosimbiontica, le cellule eucariote si sono sviluppate a partire da procarioti. Si pensa infatti che dei procarioti piccoli furono inglobati per fagocitosi, ma senza essere digeriti, da procarioti più grandi, traendone così vantaggi evoluzionistici.

Struttura delle cellule eucariote

Nucleo: il nucleo è l’organello citoplasmatico più grande e si trova al centro della cellula. Il nucleo è circondato da due membrane che formano l’involucro nucleare, forato a livello dei pori nucleari, che mettono in comunicazione l’interno del nucleo con il citoplasma cellulare. Il nucleo contiene l’informazione genetica (DNA) ed è il sito della replicazione dell’informazione genetica e del controllo dell’attività genetica cellulare.

Nel nucleo, il DNA si associa a proteine per formare un complesso fibroso detto cromatina. Prima della divisione cellulare, la cromatina si condensa per formare delle strutture più complesse dette cromosomi. La cromatina è circondata dal nucleoplasma, all’interno del quale vi è una rete di proteine detta matrice nucleare, che organizza la cromatina. Alla periferia del nucleo, la cromatina è collegata ad un reticolo proteico, detto lamina nucleare, formato da proteine dette lamine.

Ribosomi e sistema endomembranoso

Ribosomi: i ribosomi sono complessi di RNA e proteine e sono i siti della sintesi proteica; essi quindi sintetizzano proteine sotto la direzione degli acidi nucleici.

Sistema endomembranoso: è formato dal reticolo endoplasmatico e dall’apparato di Golgi.

Il reticolo endoplasmatico consiste in un sistema di membrane interconnesse che attraversano tutto il citoplasma cellulare. Il reticolo endoplasmatico può essere rugoso (RER) o liscio (SER). Il reticolo endoplasmatico rugoso segrega alcune proteine appena sintetizzate rispetto al citoplasma e le trasporta in altri punti della cellula. Il reticolo endoplasmatico liscio (SER), riceve e modifica chimicamente le proteine sintetizzate nel RER. Il SER inoltre svolge 3 funzioni:

• Idrolisi del glicogeno nelle cellule animali
• Sito di sintesi dei lipidi e degli steroidi
• Modifica chimicamente piccole molecole assunte dalla cellula come farmaci o pesticidi

L’apparato di Golgi (che deve il nome al suo scopritore Camillo Golgi) è invece formato da dictyosomi, formati a loro volta da una serie di cisterne dette sacculi appiattiti, impilati come dei piattini. L’apparato di Golgi riceve le proteine dal reticolo endoplasmatico, ne effettua una cernita, le impacchetta e le invia a destinazione. L’apparato di Golgi è anche il sito di sintesi dei lisosomi, organuli coinvolti nella digestione intracellulare o lisosomiale, in quanto trasportano enzimi digestivi necessari per idrolizzare i nutrienti (macromolecole) assunti dalla cellula per fagocitosi. Il fagosoma quindi è un organulo che si forma in seguito alla fagocitosi. Il fagosoma si lega a un lisosoma primario per formare un lisosoma secondario.

Citoscheletro delle cellule eucariote

Il citoscheletro nelle cellule eucariote è un insieme di fibre lunghe e sottili che complessivamente prendono il nome di citoscheletro, il quale svolge le seguenti funzioni:

• Sostiene la cellula e ne determina la forma
• Interagisce nel mantenimento della cellula nella sua posizione
• Provvede ai vari tipi di movimento cellulare
• Alcune fibre del citoscheletro fungono da binari per le proteine motrici che trasportano gli organelli in diverse parti della cellula

Il citoscheletro è organizzato in microfilamenti, microtubuli e filamenti intermedi. I microfilamenti sono organizzati in fasci o reti e svolgono 2 funzioni:

• Stabilizzano la struttura cellulare
• Contribuiscono ai vari tipi di movimento della cellula o di parti di essa

I microtubuli sono presenti in 50 varianti e svolgono 2 funzioni:

• Stabilizzano la struttura cellulare
• Resistono alla tensione

I filamenti intermedi invece si assemblano a partire da molecole di tubulina, un dimero, formato da alpha e beta tubulina e svolgono due funzioni:

• Agiscono da impalcatura per le proteine motrici, lungo la quale possono muoversi