Riassunto esame "Biologia applicata", prof. Calautti, libro consigliato "Principi di biologia" di Campbell e Reece

Biologia

Introduzione

La differenza tra un essere vivente e non vivente: l'unità base è la cellula (ad esclusione dei virus ci sono organismi unicellulari/pluricellulari). Gli esseri viventi si riproducono (asessuata = sempre che non avvengano mutazioni/sessuata), autoregolano il proprio metabolismo (serie di reazioni chimiche e trasformazioni energia), il metabolismo ha come fine l'omeostasi (stabilità delle caratteristiche dell'ambiente interno), rispondono a stimoli, si adattano all'ambiente evolvendosi, crescono e si sviluppano (aumento dimensioni e cambiamenti strutturali e fisiologici).

Tre temi centrali della biologia: l'evoluzione (non quella di Darwin, ma lo studio molecolare di come le mutazioni sopravvivono nel genoma), l'energia necessaria alla vita, la trasmissione dell'informazione (comunicazione/codificazione cellulare e attivazione programmi genetici). Cosa rende diverse due cellule con lo stesso genoma? L'espressione di geni diversi (il fatto che alcuni sono attivati in una cellula e altri non si esprimono).

Dogma centrale della biologia: DNA - RNA - proteina (dogma che vacilla a causa dello studio di DNA non codificante).

Gerarchia della vita (13 livelli strutturali di complessità crescente ognuno con proprie proprietà emergenti): atomo - molecola - organulo - cellula - tessuto - apparato/sistema - organismo - popolazione - specie - comunità - ecosistema - biosfera (primi due non viventi; nell'ecosistema convivono entità viventi e non).

Cenni di chimica

Atomo: la più piccola porzione di un elemento; è composto da protoni (+) e neutroni che risiedono nel nucleo (quasi totalità della massa dell'atomo); attorno al nucleo ruotano in una nube elettronica gli elettroni (-). L'atomo è elettricamente neutro perché il numero di protoni n(p) è uguale al numero di elettroni n(e).

Numero atomico Z: si scrive in basso a sinistra ed è il numero di protoni. Tutti gli atomi con lo stesso Z si comportano chimicamente nello stesso modo e sono classificati come stesso elemento.

Numero di massa A: si scrive in alto a sinistra ed è la somma del numero di neutroni e del numero di protoni. Si esprime in u.m.a o Dalton.

Isotopi: atomi con lo stesso numero atomico ma diverso numero di massa (stesse proprietà chimiche ma diverso numero di neutroni). Gli isotopi occupano lo stesso posto nella tavola periodica ed hanno lo stesso nome ad eccezione di quelli dell'H: prozio, deuterio, trizio. La maggior parte degli elementi ha isotopi stabili, alcuni hanno isotopi instabili che emettono radiazioni (utili per datare molecole come C-14).

Ioni: un atomo/molecola che ha ceduto/acquistato uno o più elettroni (processo di ionizzazione); catione = ione positivo che ha ceduto un elettrone esterno; anione = ione negativo che ha acquistato un elettrone esterno.

Orbitali atomici: gli elettroni intorno al nucleo si muovono occupando degli orbitali atomici. Ad esempio: nel primo livello/guscio energetico c'è un orbitale S (max 2 elettroni), nel secondo guscio c'è un orbitale S e 3 orbitali p (completo con 8 elettroni). Un guscio elettronico raggruppa elettroni che hanno lo stesso livello di energia potenziale. Più un elettrone è lontano dal nucleo maggiore è la sua energia potenziale. Un atomo quando scambia energia con l'esterno fa passare un suo elettrone da un'orbita stazionaria all'altra. Il comportamento chimico di un elemento è determinato dal numero di elettroni di valenza (elettroni nello strato più esterno), che sono diversi dalla valenza stessa (capacità di combinarsi con altri elementi; viene espressa come il numero di elettroni necessari per raggiungere la stabilità nel guscio più esterno). Ad esempio l'O ha valenza 2 e 6 elettroni di valenza.

Molecole, composti, composti non molecolari: atomi uguali = molecole, atomi/molecole diversi = composti, composti non molecolari = NaCl formato da ioni.

Regola dell'ottetto elettronico: a parte H ed He che sono completi con 2 elettroni, gli altri elementi non sono stabili perché non hanno 8 elettroni nello strato più esterno. Per diventare stabili instaurano legami con altri atomi nei quali sono coinvolti gli elettroni di valenza.

Legami intramolecolari

• Covalente: condivisione da parte di due atomi di una o più coppie di elettroni di valenza (semplice, doppio, triplo); in base all'elettronegatività (capacità che un atomo possiede di attrarre verso di sé la coppia di elettroni di legame): polare = l'atomo con elettronegatività più forte strappa quasi del tutto gli elettroni all'altro atomo; si ha una δ- per l'elemento più elettronegativo e una δ+ per quello con minore elettronegatività (acqua: H δ+ e O δ-); apolare = elettronegatività è uguale per entrambi gli atomi, gli elettroni sono equamente condivisi, legame molto stabile, non solubili in acqua (H e molecole biatomiche).
• Ionico o eteropolare: atomo più elettronegativo strappa un elettrone di valenza: si parla di ioni, non vi è condivisione ma attrazione elettrostatica (NaCl: il Cl strappa un elettrone dal Na e diventa anione).
• Legame dativo: coppia di elettroni fornita da un solo atomo (donatore = ha già conseguito l'ottetto ed ha coppie di elettroni libere), condivisa con l'accettore.

Ordine di legame: corrisponde al numero di coppie condivise; maggiore è l'ordine di legame, più è la forza che unisce gli atomi, più è l'energia nel legame, minore è la distanza tra atomi.

Acqua come solvente: l'acqua è un buon solvente grazie alla sua polarità. Quando il sale viene messo in acqua, gli ioni di NaCl vengono circondati da molecole di solvente, che rompono i legami ionici. Gli atomi di O(-) si associano agli ioni Na(+) e gli atomi di H(+) si associano agli ioni Cl(-). Ogni ione si trova quindi solvatato o idratato. Sostanze ioniche polari: acidi, alcoli, sali / non polari: grassi, oli.

Legami intermolecolari (più deboli dei legami intramolecolari)

• Interazioni dipolo-dipolo: l'estremità + di una molecola attrae l'estremità - di una molecola vicina creando un legame elettrostatico; brevi distanze, molto deboli.
• Forze di dispersione/Van der Waals/forze di London: presenti in tutte le molecole anche apolari, si sviluppano regioni con deboli cariche +/- a causa del rapido movimento degli elettroni intorno al nucleo; si creano così dei dipoli temporanei, che interagiscono con nuvole elettroniche di molecole vicine (dipoli indotti); estremamente deboli, presenti nelle membrane cellulari.
• Legami a idrogeno: si forma quando la δ+ dell'idrogeno viene in contatto con un doppietto elettronico di un elemento molto elettronegativo (fluoro, ossigeno, azoto) in un'altra parte della cellula o in un'altra molecola. L'H che viene legato si chiama accettore, mentre l'elemento dove è legato l'H è il donatore. È un particolare tipo di interazione dipolo-dipolo ed è il più forte tra i legami intermolecolari; importante per il DNA.

Chimica organica

Il carbonio: una cellula è costituita per l'80% da acqua, il restante sono composti del carbonio e H, O, N, S, P. Il C è tetravalente e può costituire catene carboniose lineari, ramificate ad anello, con legami semplici, doppi, tripli. Le reazioni caratteristiche di una classe avvengono in base ai diversi gruppi funzionali.

Idrocarburi: sono composti organici che contengono atomi di C e H. C forma lo scheletro, H sporgono. Sono gli unici senza gruppo funzionale (CH₄ - metano).

I 6 gruppi funzionali:

• OH ossidrilico: alcoli, polare (perché ossigeno è più elettronegativo e attrae elettroni del legame covalente).
• CO carbonilico: aldeidi e chetoni, polari.
• COOH acidi carbossilici: debolmente acido (dona ione H).
• NH₂ amminico: ammine, debolmente basico (accetta ione H).
• PO₄ fosfato: fosfati organici, debolmente acido.
• SH sulfidrico: tioli, stabilizza struttura proteine.

Isomeria: ad una medesima formula bruta possono corrispondere due o più composti diversi.

• Conformazionale (diverso orientamento spaziale dei gruppi di atomi).
• Di catena (diversa forma catena carboniosa).
• Di posizione (diversa posizione atomo o gruppo funzionale).
• Di gruppo funzionale (diverso gruppo funzionale stessa formula bruta).

Concetto acido/base secondo Bronsted-Lowry: acido è un donatore di protoni, base è un accettore di protoni.

Biomolecole

Sono carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici. Sono macromolecole ovvero polimeri formati da monomeri. Quando un monomero si aggiunge ad una catena polimerica, vi è la condensazione a cui è associata una disidratazione (il polimero accettore perde una molecola d'acqua), viceversa vi è un'idrolisi.

1. Carboidrati

O idrati del carbonio 2 H e 1 O per ogni C; hanno funzione di riserva di energia o componenti strutturali delle cellule. I monomeri sono i monosaccaridi, i polimeri i polisaccaridi. Il legame si chiama glucosidico.

• Monosaccaridi (1 zucchero e 3-7 C): gliceraldeide (3C), ribosio e desossiriboso (5C), glucosio (isomeri: alfa e beta), fruttosio, galattosio (6C).
• Disaccaridi (2 zuccheri e 6 C): maltosio (glu+glu), saccarosio (glu+fru), lattosio (glu+gala); durante la digestione il disaccaride da 2 monosaccaridi + 1 acqua (idrolisi disaccaride).
• Polisaccaridi (catene lineari e ramificate): amido (riserva nei vegetali, polimero alfa glucosio, amilosio -poco ramificato- amilopectina - molto ramificato), glicogeno (riserva negli animali, ramificato e idrosolubile), cellulosa (insolubile, beta glucosio, strutturale).

2. Lipidi

Non definiti da struttura ma simili dal fatto che sono insolubili in acqua; funzioni principali sono di energia, struttura, membrane, ormoni. I più importanti: fosfolipidi (anfipatici nella membrana cellulare), cere, acidi grassi (saturi e insaturi), trigliceridi (1 glicerolo + 3 acidi grassi, energia), carotenoidi (fotosintesi), steroidi (ormoni, colesterolo, sali biliari).

3. Proteine

Strutturali, enzimatiche, difesa, riserva, trasporto; formate da AA (struttura: gruppo amminico NH₂ -basico- e gruppo carbossilico (COOH) -acido-, legati ad un C, a cui è legato un H e un gruppo R - ciò che varia nei 20 AA diversi). Gli AA possono essere apolari, polari, carichi (se COOH si dissocia abbiamo carica -). Gli AA si legano con un legame peptidico; una proteina è costituita da 1 o più catene polipeptidiche e ogni polipeptide ha un gruppo NH₂ libero da un'estremità (N-terminale/amminico) e un gruppo COOH libero dall'altra estremità (C-terminale/carbossilico).

• Struttura primaria: semplice sequenza lineare di AA.
• Struttura secondaria: struttura primaria che si ripiega ad elica o foglietto ripiegato + legami H tra elementi dello scheletro di AA.
• Struttura terziaria: forma complessiva delle catene polipeptidiche + interazioni tra catene laterali di AA + legami H, legami ionici, interazioni idrofobiche, ponti disolfuro.
• Struttura quaternaria: interazione tra più polipeptidi.

Si parla di denaturazione quando una proteina passa da un livello di strutturazione più complesso ad uno meno complesso (viceversa rinaturazione).

4. Acidi nucleici

DNA e RNA, funzioni di trasmettere informazione ereditaria e determinare le proteine da sintetizzare. I monomeri sono i nucleotidi (importanti anche in termini di riserva energetica). Ogni nucleotide è formato da: zucchero pentoso (ribosio = monosaccaride a 5 C; desossiriboso = ma con un ossigeno in meno), gruppo fosfato (proprietà acide), base azotata (PURINE: adenina, guanina a doppio anello / PIRIMIDINE: citosina, timina, uracile ad anello singolo). Il nucleotide senza gruppo fosfato si chiama nucleoside. I nucleotidi sono uniti con un legame fosfodiesterico. Lo zucchero è unito alla base azotata con un legame glucosidico.

L'RNA è formato da un singolo filamento, mentre il DNA è composto da 2 filamenti uniti da legami di H e avvolti uno sull'altro a formare una doppia elica. Ogni filamento nel DNA ha una direzione; c'è un'estremità 5' che ha un C 5' legato ad un P e l'altra estremità 3' ha un C 3' legato ad un gruppo ossidrilico.

Combinazioni possibili di AA in un dipeptide/tripeptide ecc? Dipeptide 20 alla seconda, tripeptide 20 alla terza ecc...

La struttura cellulare e le sue componenti

Tipi di microscopi

• Microscopio ottico (LM): la luce passa attraverso il campione e poi per un sistema di lenti che deviano la luce in modo che l'immagine sia ingrandita, max visibile è la cellula o piccolo batterio (200 nM).
• Microscopio elettronico a trasmissione (TEM): usa un fascio di elettroni, si può studiare l'anatomia della cellula, fino a 0,2 nM.
• Microscopio elettronico a scansione (SEM): studi dettagliati.

Classi fondamentali di cellule: entrambi procarioti ed eucarioti hanno membrana plasmatica, citosol, ribosomi, e cromosomi.

• Procarioti (batteri, archeobatteri): più piccole e semplici, DNA in una zona detta nucleoide, senza organelli, possono avere parete cellulare (racchiude intera cellula anche la membrana), flagelli.
• Eucarioti (protisti, funghi, animali, piante): più grandi, DNA in un nucleo (spazio interno è nucleoplasma), presenza organelli, citoscheletro, si dividono in unicellulari e pluricellulari; nelle cellule vegetali troviamo: parete cellulosa, vacuoli, plastidi e cloroplasti.

Nucleo

Contiene la maggior parte dei geni (una parte nel DNA mitocondriale); è circondato da una membrana nucleare (doppia membrana, ognuna composta da doppio strato fosfolipidico) perforata da pori a cui è associato per ciascuno un complesso del poro. La membrana nucleare è attaccata al RER, dove ci sono i ribosomi per favorire passaggio mRNA. Vi è inoltre all'interno una lamina nucleare (rete di proteine per mantenere forma) e una matrice nucleare (elementi fibrosi). All'interno vi sono i cromosomi (visibili in metafase), ciascuno costituito da cromatina (DNA+proteine; eucromatina e eterocromatina). Quando la cellula non è in divisione appare il nucleolo dove viene sintetizzato l'RNA ribosomiale.

Ribosomi

Formati da rRNA e proteine, divisi in due subunità. Producono proteine. Vi sono i ribosomi liberi (sospesi nel citosol producono proteine per l'interno della cellula) e i ribosomi legati (attaccati al RER sintetizzano proteine extracellulari) uguali dal punto di vista strutturale.

Sistema di endomembrane

Comprende involucro nucleare, apparato Golgi, reticolo endoplasmatico, vacuoli, membrana citoplasmatica. Serve per la sintesi e il trasporto proteine, il metabolismo, lo spostamento lipidi, la detossificazione sostanze nocive.

Reticolo endoplasmatico (ER)

50% del sistema di endomembrane. È un sistema di strutture tubulari e cavità in continuità con l'involucro nucleare. L'interno del sistema si chiama lume, il tutto è immerso nel citosol. Distinguiamo: ER liscio (modifiche post-traduzionali, sintesi lipidi, detossificazione sostanze rifiuto) ER rugoso (sintesi proteine: catene polipeptidi si ripiegano nel lume; vengono prodotte soprattutto glicoproteine = carboidrati associati a proteine).

Apparato del Golgi

Sistema di modifica e smistamento proteine. Costituito da un sistema di cisterne appiattite, sovrapposte e delimitate da membrane. Ogni cisterna ha un versante CIS dove si fondono le vescicole di trasporto, cambiano contenuto ed escono da faccia TRANS.

Lisosomi

Sistema digerente della cellula, degradano proteine (proteasoma), lipidi e carboidrati. Quelli primari vengono dal Golgi, quelli secondari portano materiale da digerire. Contengono enzimi pericolosi che devono essere confinati dalle strutture membranose. Autofagia = degradazione proteine con vescicole che vengono dal RE e si fondono con lisosoma. Eterofagia = batterio/virus inglobato da vescicola che viene dalla membrana cellulare e si fonde con lisosoma.

Perossisomi

Producono perossido di idrogeno, che ha funzione di scindere acidi grassi e nel fegato ha funzione detossificante. È tossico ma è reso innocuo dall'enzima catalasi. Nelle piante vi sono i gliossomi che trasformano gli zuccheri in grassi.

Mitocondri

Eseguono la respirazione cellulare; delimitato da doppia membrana (doppio strato fosfolipidico con proteine): quella esterna è liscia e permette passaggio piccole molecole, quella interna si ripiega in creste (maggiore superficie per respirazione). Quindi vi è uno spazio intermembrana e la matrice dove ci sono ribosomi, enzimi e DNA mitocondriale.

Citoplasma e citosol

Il citoplasma è il citosol con gli organelli, a cui si aggiungono sali, ioni, zuccheri, enzimi e proteine.

Citoscheletro

È un'impalcatura collocata all'interno ed esterno del citoplasma; composta da filamenti di actina o microfilamenti (con miosina si occupa di movimenti muscoli), filamenti intermedi, microtubuli (tubulina coinvolta nello spostamento cromosomi, vescicole, movimento cellule). Permette di cambiare forma alla cellula, muoversi, trasportare vescicole e costituisce il fuso mitotico.

Matrice extracellulare (ECM)

Principali componenti sono le glicoproteine; come proteina strutturale vi è il collagene che forma fibre molto resistenti.

Cellule vegetali

• Vacuolo: delimitato da membrana detta tonoplasto e contiene riserva di acqua, composti organici e inorganici (succo vacuolare).
• Plastidi: cloroplasti per la fotosintesi, cromoplasti per pigmenti colorati, leucoplasti per deposito lipidi, proteine, carboidrati, amiloplasti per deposito zucchero sotto forma di amido.
• Parete cellulare: dona rigidità e forma, composta da cellulosa.

Le membrane cellulari

Le membrane cellulari hanno funzione di comunicazione (permessa anche dalle vescicole) e trasporto e sono tutte a permeabilità selettiva. La più importante è la membrana citoplasmatica le cui funzioni sono: delimita contorni cellula, costruisce siti di specifiche funzioni, contiene proteine trasporto, recettori, fornisce dispositivi per adesione cellulare. È costituita da carboidrati, colesterolo, sfingolipidi, ma soprattutto proteine e fosfolipidi, che sono anfipatici e quindi si dispongono su due strati con le teste verso l'esterno nel citosol e le code a contatto verso l'interno.