Cenni di biologia e di anatomia e fisiologia umana

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Cenni di biologia e di anatomia e fisiologia umana

Le biomolecole (le molecole della vita)

A livello chimico, i viventi sono riconoscibili per tutta una serie di caratteristiche. Le loro cellule sono costituite da un numero ridotto di elementi chimici, sei dei quali carbonio C, idrogeno H, azoto N, ossigeno O, fosforo P e zolfo S rendono conto del 99% della loro massa. Le cellule contengono una grandissima varietà di macromolecole (polisaccaridi, lipidi, proteine, acidi nucleici) che derivano dalla condensazione (polimerizzazione) di una serie ridotta, ma peculiare, di piccole molecole a base di carbonio le quali sono sostanzialmente le stesse in tutte le specie. Tali molecole si possono suddividere in:

• Monosaccaridi, costituiti da C, H ed O (zuccheri semplici) come il glucosio, il fruttosio ed il galattosio che possono polimerizzare a dare polisaccaridi (zuccheri complessi) come il glicogeno, l’amilosio, la cellulosa;
• Acidi grassi, costituiti da C, H ed O, come l’acido palmitico e l’acido oleico;
• Amminoacidi, costituiti da C, H, O, N ed S, come la glicina, l’alanina, il triptofano, la cisteina, l’acido glutammico, la lisina, la serina;
• Nucleotidi, costituiti da C, H, O, N e P, come adenina, guanina, citosina e timina.

I monosaccaridi costituiscono la fonte primaria di energia chimica per la cellula e possono essere incorporati in polisaccaridi (glicogeno, amido) come riserve energetiche. Anche gli acidi grassi hanno un ruolo importante come riserve energetiche (legati alla glicerina forniscono i trigliceridi dei tessuti grassi), ma la loro funzione essenziale è la partecipazione alla formazione di molecole che costituiscono le membrane cellulari. I polimeri degli amminoacidi costituiscono molecole diverse e versatili note come proteine che presentano una notevolissima varietà di funzioni. I nucleotidi hanno un ruolo importante nel trasferimento di energia, nel funzionamento degli enzimi (come coenzimi) e sono le subunità costitutive delle macromolecole che trasportano l’informazione genetica, DNA ed RNA.

Le macromolecole biologiche vengono sintetizzate come polimeri di subunità attraverso ripetute reazioni di condensazione. La loro notevole diversificazione dipende dalla sequenza delle subunità che le caratterizza. Tra le diverse regioni di una macromolecola si formano legami deboli che la fanno ripiegare su sé stessa in modo che assuma una sua propria forma tridimensionale come, in particolare, si osserva per le proteine.

La cellula

Le cellule sono le unità fondamentali della vita. Le cellule dei tessuti animali misurano generalmente da 5 a 20 µm di diametro, 1 µm = 10^-6 m (cioè un milionesimo di metro), e si possono vedere al microscopio ottico, che riesce a mettere in evidenza alcuni dei loro componenti interni alla membrana plasmatica (organelli). Il microscopio elettronico permette di vedere gli organelli più piccoli, e persino le molecole, ma i campioni richiedono una preparazione complicata e non si possono osservare in vivo.

Nella maggior parte delle cellule eucarioti (cioè dotate di nucleo) animali il nucleo è l’organello più cospicuo: esso contiene l’informazione genetica dell’organismo, immagazzinata nella struttura molecolare del DNA (il restante contenuto cellulare costituisce il citoplasma). Il citoplasma delle cellule eucarioti animali e vegetali contiene una serie di altri organelli interni delimitati, come il nucleo, da membrane specializzati in funzioni chimiche particolari.

A parte il nucleo e gli altri organelli dotati di membrana, tutto il restante contenuto cellulare forma il citosol o citoplasma, che consta di una miscela concentrata di molecole di varie dimensioni che svolgono molti processi biochimici essenziali. Un sistema di filamenti proteici, detto citoscheletro, si estende in tutto il citosol. Esso controlla la forma ed il movimento cellulare e rende possibile il trasporto di molecole ed organelli da un punto all’altro del citoplasma. Tutte le cellule contengono DNA come depositario dell’informazione genetica e lo usano per guidare la sintesi delle proteine; le subunità elementari, amminoacidi e nucleotidi, con cui vengono sintetizzate le proteine ed il DNA, sono le stesse in tutte le cellule. Le cellule eucariotiche posseggono un nucleo. Certi tipi di cellule eucariotiche hanno la capacità di cooperare, per costituire organismi pluricellulari complessi come l’uomo, formati da migliaia di miliardi di cellule.

• Nucleo: Organello citoplasmatico delimitato da una membrana, contenente i cromosomi e il nucleolo, caratteristico delle cellule eucariotiche.
• Nucleolo: Organello nucleare sede della biosintesi dei ribosomi.
• Poro nucleare: situato nella membrana nucleare consente il passaggio di molecole (RNA e proteine) tra il nucleo ed il citoplasma e viceversa.
• Citosol: tutto quanto è compreso tra la membrana cellulare e quella nucleare va sotto il nome di citoplasma la cui parte fluida, priva dei vari organelli, prende il nome di citosol.
• Ribosomi: Organelli preposti alla sintesi delle proteine, possono essere liberi o legati al reticolo endoplasmatico rugoso.
• Mitocondrio: organello sede della sintesi di ATP, molecola che fornisce l’energia richiesta per tutti i processi cellulari.
• Lisosomi: organelli cellulari in cui vengono degradate sia le macromolecole di origine esocellulare che quelle di origine endocellulare.
• RER: reticolo endoplasmatico rugoso, insieme di cisterne e sacchi comunicanti tra di loro in cui avvengono tutta una serie di processi di sintesi ed alle cui pareti sono attaccati ribosomi.
• RE: reticolo enoplasmatico liscio, come il RER ma privo di ribosomi.
• Apparato di Golgi: organulo formato da cisterne in cui vengono rielaborati, selezionati ed indirizzati a varie parti della cellula tutta una serie di proteine.
• Microtubulo: strutture proteiche con funzione di sostegno e di spostamento di vari materiali all’interno della cellula.
• Centriolo: organello coinvolto nella duplicazione cellulare.
• Membrana: sottile rivestimento che regola gli scambi di tutta una serie di materiali tra la cellula e l’ambiente esterno.

Il metabolismo cellulare

Gli organismi viventi esistono grazie ad un apporto continuo di energia. Parte di essa viene impiegata per svolgere funzioni essenziali quali il mantenimento, la crescita e la riproduzione: il resto è degradato a calore, che si disperde nell’ambiente. Per la maggior parte degli esseri viventi la fonte primaria di energia è il sole. Le piante ed i batteri fotosintetici (produttori) usano l’energia solare per produrre molecole organiche a partire dall’anidride carbonica e dall’acqua. Gli animali si nutrono delle piante oppure di altri animali che se ne cibano (consumatori).

Nella cellula avvengono molte centinaia di reazioni chimiche ciascuna catalizzata specificatamente da un enzima. Gli enzimi sono proteine che fanno sì che una data reazione avvenga ad una velocità molto più elevata (milioni di volte) di quanto non succederebbe in assenza dell’enzima stesso (catalisi). Numerosissimi enzimi diversi lavorano in sequenza dando luogo a catene di reazioni, dette vie metaboliche, ognuna delle quali svolge un ruolo particolare nella cellula.

Le reazioni cataboliche demoliscono le molecole nutrienti ed ossidandole liberano energia. Le reazioni anaboliche sintetizzano le numerose molecole complesse di cui la cellula ha bisogno e richiedono un apporto energetico. Nelle cellule animali sia le subunità elementari delle molecole complesse che l’energia necessaria alle reazioni di sintesi (anaboliche) provengono dal catabolismo. L’accoppiamento di processi energeticamente favoriti a processi energeticamenti sfavoriti, a dare un processo globalmente favorito, fa sì che avvengano trasformazioni altrimenti impossibili.

Un piccolo gruppo di molecole attivate, e in particolare ATP (adenosin trifosfato), NADH (nicotinammide adenin dinucleotide ridotto), e NADPH (nicotinammide adenin dinucleotide fosfato ridotto), svolgono un ruolo fondamentale nei processi di accoppiamento citati: l’ATP trasporta gruppi fosfato ad alta energia mentre NADH e NADPH trasportano elettroni ad alta energia. Le molecole nutritive forniscono l’ossatura carboniosa per la formazione di molecole più grandi. I legami covalenti di queste ultime si producono tipicamente in reazioni accoppiate a trasformazioni energeticamente favorite, che avvengono a livello dei legami presenti in molecole attivate quali l’ATP ed il NADPH.

Il glucosio ed altre molecole nutritive vengono demolite, attraverso un’ossidazione graduale controllata, per fornire energia chimica sotto forma di ATP e NADH. Si possono individuare tre stadi principali nella demolizione delle molecole nutritive:

• La glicolisi che avviene nel citosol;
• Il ciclo dell’acido citrico (o di Krebs) che avviene nella matrice mitocondriale;
• La fosforilazione ossidativa che ha luogo sulla membrana mitocondriale interna.

Le reazioni glicolitiche scindono il glucosio, zucchero a 6 atomi di carbonio, in due molecole di piruvato, molecola a tre atomi, producendo quantità relativamente modeste di ATP e NADH. In presenza di ossigeno, nei mitocondri il piruvato si trasforma in acetil coenzima A ed anidride carbonica. In assenza di ossigeno il piruvato viene ridotto ad acido lattico, fermentazione lattica, o, in taluni microrganismi, ad alcool etilico, fermentazione alcolica: tale processo consente di riossidare il NADH a NAD⁺, essenziale perché la glicolisi possa procedere.

Il ciclo dell’acido citrico, Krebs, trasforma quindi il gruppo acetilico dell’acetilCoA in anidride carbonica ed acqua producendo coenzimi ridotti, FADH₂ e NADH e GTP, che viene convertito in ATP: gran parte dell’energia di ossidazione liberata è immagazzinata sotto forma di elettroni ad alta energia nelle molecole NADH e FADH₂. I grassi, o lipidi, sono l’altra fonte energetica basilare contenuta nel cibo. Gli acidi grassi derivanti dai lipidi vengono trasportati dentro i mitocondri e in un processo detto ossidazione vengono ossidati ad acetil-CoA, il quale viene poi ulteriormente ossidato nel ciclo dell’acido citrico, esattamente come quello derivante dal piruvato. NADH e FADH₂ trasferiscono i loro elettroni ad alta energia ad una catena di trasporto, situata nella membrana interna del mitocondrio, che utilizza tale energia per la sintesi di ATP. In questo passaggio metabolico, detto fosforilazione ossidativa, viene immagazzinata sotto forma di ATP, gran parte dell’energia ricavabile dalla demolizione delle sostanze nutritizie, nutrienti.

Nutrienti contenenti energia

• Polisaccaridi
• Grassi
• Proteine

Catabolismo: CO₂, H₂O, NH₃ (Urea)

ADP, P_i, NAD⁺, NADP⁺, FAD

ATP, NADH, NADPH, FADH₂

Macromolecole della cellula

• Polisaccaridi: Monosaccaridi
• Lipidi: Acidi grassi
• Proteine: Amminoacidi
• Anabolismo: Acidi nucleici, Basi azotate

La membrana cellulare

La membrana cellulare consente alla cellula di creare barriere che le consentono di confinare particolari molecole in comparti specifici. Esse consistono di un doppio strato continuo di molecole lipidiche in cui sono immerse le proteine. Il doppio strato lipidico costituisce la struttura di base di tutte le membrane cellulari e svolge la funzione di barriera. Le molecole lipidiche della membrana presentano sia regioni idrofiliche che regioni idrofobiche (molecole anfipatiche). Poste in soluzioni acquose esse si associano spontaneamente in doppi strati e formano comparti chiusi capaci di autosigillarsi se lacerati.

Il doppio strato lipidico è fluido e le singole molecole lipidiche sono capaci di diffondere nel monostrato in cui si trovano mentre non si capovolgono spontaneamente per passare da un monostrato all’altro. La fluidità aumenta al crescere del contenuto in acidi grassi insaturi e colesterolo. Il doppio strato lipidico è impermeabile a tutti gli ioni (ioni sodio, potassio, cloruro, magnesio, calcio...) ed alle grandi molecole polari (glucosio, amminoacidi...) ma permeabile alle molecole apolari piccole come l’ossigeno e l’anidride carbonica e anche a quelle polari piccolissime come l’acqua.

Le proteine di membrana sono responsabili di quasi tutte le funzioni della membrana stessa come per esempio il trasporto di molecole idrosolubili non troppo grandi e ioni attraverso il doppio strato lipidico. Molte delle proteine e alcuni dei lipidi esposti alla superficie esterna della cellula sono legati a catene di zuccheri che contribuiscono a proteggere e lubrificare la superficie cellulare e sono attivi nel riconoscimento tra cellule. Quasi tutte le membrane cellulari sono legate a proteine che fanno da impalcatura di sostegno. Ne è un esempio la rete intessuta da proteine fibrose che forma lo strato corticale proprio sotto la membrana cellulare.

Siccome, come già ricordato, lo strato lipidico delle membrane cellulari è impermeabile a quasi tutte le molecole idrosolubili ed a tutti gli ioni, il trasferimento di sostanze nutritive, metaboliti ed ioni attraverso la membrana plasmatica e le membrane intracellulari è demandato alle proteine di trasporto presenti nella membrana stessa. Le membrane cellulari contengono tutta una serie di proteine di trasporto ciascuna adibita al trasferimento di un particolare tipo di soluto attraverso la membrana. Le proteine di trasporto si possono distinguere in due categorie: le proteine vettrici (carriers) e le proteine canale.

Le molecole tendono a diffondere spontaneamente dalle zone dove sono presenti a maggiore concentrazione a quelle dove la loro concentrazione è minore, tra le quali cioè esista un gradiente di concentrazione. Se le molecole hanno una carica elettrica poi tendono anche a spostarsi tra due zone a diverso potenziale elettrico (gradiente elettrico). Per gradiente elettrochimico si intende la forza motrice netta che si esercita su uno ione a causa del suo gradiente di concentrazione e del campo elettrico cui è esposto.

Nel trasporto passivo un soluto privo di carica si muove spontaneamente secondo il suo gradiente di concentrazione, diffusione, ed un soluto carico (ione) si muove spontaneamente secondo il suo gradiente elettrochimico. Nel trasporto attivo un soluto privo di carica o uno ione vengono trasportati contro il loro gradiente di concentrazione o elettrochimico con un processo che, direttamente o meno, consuma energia.

Nei mammiferi gli ioni sono distribuiti nello spazio intracellulare ed extracellulare così come rappresentato nello schema seguente: