Biologia Applicata: Terza Parte PDF

## ATP **NOMENCLATURA** - Ribo-adenosin-monofosfato (rAMP) - Desossi-citina-difosfato (dCDP) - Ribo-adenosin-trifosfato (rATP) **Condensazione** *L'ATP (adenosina trifosfato) è un deposito di energia chimica. Quando si rompe il legame fra due gruppi fosfato si libera una grande quantità di energ...

## ATP **NOMENCLATURA** - Ribo-adenosin-monofosfato (rAMP) - Desossi-citina-difosfato (dCDP) - Ribo-adenosin-trifosfato (rATP) **Condensazione** *L'ATP (adenosina trifosfato) è un deposito di energia chimica. Quando si rompe il legame fra due gruppi fosfato si libera una grande quantità di energia.* - ATP e GTP possono essere trasformate in molecole cicliche (cAMP e cCMP). **Due caratteristiche dell'ATP spiegano l'energia libera rilasciata:** - I gruppi fosfato hanno una carica negativa che li respinge tra loro: serve energia per tenerli legati. L'energia è conservata nel legame P~O. - L'energia libera del legame P~O è molto più grande dell'energia del legame O-H che si forma dopo l'idrolisi. ## RNA ## DNA **I nucleotidi del DNA sono composti da:** - Zucchero 2-desossiribosio - Gruppo fosfato - Basi azotate: adenina, citosina, guanina, timina **DNA è a doppio filamento:** - 2 filamenti ad andamento antiparallelo tenuti assieme da legami idrogeno tra le basi - Avvolti con avvitamento a spirale destrorso (doppia elica). - Tutte le molecole di DNA hanno la stessa struttura; la diversità risiede nella sequenza delle coppie di basi - Il DNA è una molecola informazionale: l'informazione è codificata dalle sequenze delle basi **La molecola presenta 2 solchi che ne percorrono a spirale la superficie (un solco maggiore e uno minore), che permetto alle proteine di riconoscere le basi azotate presenti in un dato punto.** - È un acido poichè i gruppi fosfato nei due filamenti sono dotati di un gruppo acido libero di ionizzarsi (rendono la molecola idrofila e quindi solubile in acqua, mentre le basi azotate sono una regione idrofoba). ## Trasmissione informazioni **Il DNA trasmette l'informazione in due modi:** - Riproducendosi (replicazione). Ogni cellula nuova riceve stesso corredo genetico. - Le sequenze di DNA possono essere copiate in RNA (trascrizione). L'RNA può specificare una sequenza di amminoacidi di un polipeptide (traduzione). **Trascrizione + traduzione = espressione.** - Il corredo completo del DNA di un organismo vivente è detto genoma. - La replicazione del DNA coinvolge l'intera molecola, mentre solo alcune regioni relativamente piccole del DNA vengono trascritte in RNA. - Non tutta l'informazione è necessaria in tutti i momenti; le sequenze di DNA che specificano un'informazione sono chiamate geni. - I geni per le proteine sono chiamati geni strutturali. **Il DNA forma delle grosse molecole lineari dette cromosomi che sono 46 in ogni cellula somatica del nostro organismo.** - Queste caratteristiche riguardano struttura di tipo B del DNA. ## La cellula - La Terra si è formata tra 4,6 a 4,5 miliardi di anni fa. - Sono occorsi 600 milioni di anni o più prima che la vita evolvesse. 3 miliardi di anni fa esistevano le prime cellule organiche, ne siamo sicuri in quanto sono stati trovati fossili di cellule di cianobatteri, simili ai batteri odierni. - Ci sono due ipotesi riguardo alla comparsa della vita sulla terra: 1. Alcuni sostengono che sia stata portata dai meteoriti, infatti sono state trovate su di essi tracce di sostanze organiche. 2. Un'altra ipotesi, dimostrata sperimentalmente, è quella dell'evoluzione chimica, ossia che la vita si sia formata a partire da molecole inorganiche i cui atomi si sono riorganizzati tramite casuali associazioni fisiche per formare le molecole organiche. ## Il mondo a RNA - Sembra abbastanza condivisa l'idea del mondo a RNA, cioè che le prime molecole fossero forme di RNA. Nelle reazioni biochimiche ci sono una serie di catalizzatori ed è emerso da una serie di esperimenti che alcune molecole di RNA possono fungere loro stessi da enzimi (catalizzatori). Per cui dopo essersi formate catene di RNA, alcune di esse avrebbero agito su altre per favorirne la duplicazione. - In questo modo I'RNA può aver agito anche come catalizzatore per la sintesi di proteine e in un secondo momento avrebbe dato luogo a molecole di DNA. **Evidenze a favore**: - Al giorno d'oggi esistono delle molecole di RNA chiamate ribozimi che tuttora aiutano la formazione delle proteine, per cui come lo fanno oggi lo possono aver fatto anche un tempo. - Il fatto che da una molecola di RNA si sia formato il DNA è plausibile in quanto anche adesso ci sono dei retrovirus che contengono un enzima chiamato trascrittasi inversa che catalizza la sintesi di DNA. - Infine si è visto come I'RNA catalizzi la polimerizzazione di nucleotidi. **In sintesi**: 1. Le forme 3-D di alcune molecole di RNA (ribozimi) risultano simili agli enzimi. Anche i legami peptidici sono oggi catalizzati da ribozimi. 2. L'RNA potrebbe aver agito come catalizzatore per la propria replicazione e per la sintesi di proteine. 3. II DNA si sarebbe dunque evoluto dall'RNA 4. Nei retrovirus un enzima, chiamato trascrittasi inversa, catalizza la sintesi di DNA a partire dall'RNA. 5. In condizioni sperimentali, brevi molecole di RNA presenti in natura possono catalizzare la polimerizzazione di nucleotidi. ## La membrana plasmatica - Le reazioni chimiche metaboliche e la replicazione non potrebbero avvenire in un ambiente acquoso diluito. I composti coinvolti devono essere stati concentrati in un compartimento. Attualmente, le cellule viventi sono separate dal loro ambiente tramite una membrana. - È impensabile che tutte queste reazioni siano accadute in oceani all'aperto, ci deve essere stato qualcosa che abbia portato ad una compartimentazione, ossia la creazione di ambienti delimitati → cellule con una membrana. - In acqua gli acidi grassi formano un doppio strato ("bilayer") lipidico attorno ad un compartimento. - Queste protocellule permettono a piccole molecole come zuccheri e nucleotidi di passare attraverso. - Se brevi filamenti di acido nucleico in grado di auto-replicazione sono collocati all'interno delle protocellule, i nucleotidi possono entrare ed essere incorporati in catene polinucleotidiche. - Questa compartimentazione avrebbe favorito l'avvento di alcune reazioni biochimiche. 1. È una barriera selettivamente permeabile a causa delle code interne idrofobiche (non fa passare grandi molecole polari, ioni e molecole idrosolubili) 2. Permette alle cellule di mantenere un ambiente interno costante (si crea un microambiente) 3. E' importante nella comunicazione e nel ricevimento dei segnali. 4. Sulla superficie della membrana sono presenti zuccheri e proteine che consentono alle cellule di riconoscersi tra di loro e di aderire le une con le altre. ## La teoria cellulare - A metà del XVII sec Robert Hooke, osservando al microscopio delle fettine di sughero, vide delle strutture particolari, tante cellette una accanto all'altra. Inizia così l'osservazione di molti tessuti e, dopo la diffusione dell'uso del microscopio, viene confermato il fatto che la materia organica sia formata da unità più piccole. Le cellule sono le unità fondamentali della vita. - Teoria cellulare = ogni organismo è formato da unità di base chiamate cellule, queste cellule provengono da altre cellule preesistenti, in tempi più recenti ci si è resi conto che le cellule hanno tutte un antenato comune. - Esistono due tipi di cellule: procariotiche ed eucariotiche. ## La cellula procariotica - Dimensioni: 1 – 10 µm - Bacteria e Archaea sono procarioti. - Le prime cellule erano probabilmente procariotiche. - Gli organismi unicellulari sono individui formati da singole cellule ma spesso questi possono formare catene o gruppi. - Non hanno compartimenti interni delimitati da membrana (il DNA si trova sotto forma di piccolo cromosoma di forma circolare, è sparso nel citoplasma in una regione detta nucleoide) ad eccezione dei batteri fotosintetici (cianobatteri) che posseggono dei ripiegamenti, a forma di sacca, dove si vanno ad accumulare tutta una serie di molecole utili alla fotosintesi (cloroplasti). - Il citoplasma consiste di citosol (acqua con disciolti ioni, piccolo molecole e macromolecole solubili più filamenti e particelle). **La parete cellulare è costituita da:** - Peptidoglicano: una composizione polisaccaridica e proteica - Un'ulteriore membrana esterna fosfolipidica ricca di polisaccaridi di funzione ancora ignota (solo in alcuni batteri) - Alcuni batteri hanno una capsula mucosa di polisaccaridi (protezione contro la fagocitosi, resistenza ad essiccamento, riserva in quanto le molecole dei polisaccaridi che la compongono possono essere scisse per la sopravvivenza del batterio) - Alcuni batteri hanno delle code chiamate flagelli, strutture tubulari fatte di proteine (flagelline) che servono per spostarsi - Altri batteri hanno dei pili, piccoli filamenti fatti di proteine (piline) con funzione di adesione, servono per unirsi tra di loro o per aderire alle superfici. - Le cellule procariotiche hanno anche un citoscheletro che consiste in una serie di filamenti proteici, che servono a sorreggere la cellula dall'interno e giocano un ruolo nella divisione cellulare. ## La cellula eucariote - Dimensioni: 10 – 100 µm - La cellula eucariote è il prodotto di quella procariotica. **Le cellule eucariotiche hanno compartimenti delimitati da membrane (sistemi di endomembrane detti organelli). La compartimentazione ha permesso alle cellule eucariotiche di specializzarsi e formare tessuti e organi negli organismi pluricellulari.** - **Ribosomi** - presenti anche nelle cellule procariotiche, sono molecole costituite da due subunità, in cui si vanno ad assemblare le proteine grazie al processo di traduzione. Non sono dei veri e propri organuli in quanto sono ammassi di proteine e RNA ribosomiale (rRNA) e non sono delimitati da membrana. - Negli eucarioti sono presenti sia nel citoplasma, che nei mitocondri o cloroplasti, ma anche attaccati al reticolo endoplasmatico (chiamato per questo rugoso) - Nei procarioti sono liberi nel citoplasma. - **Nucleo** - organello più grande della cellula eucariotica, è delimitato da una doppia membrana nucleare, una costituita da un doppio strato fosfolipidico e una più esterna. All'interno del nucleo abbiamo il DNA che però non è isolato, in quanto la membrana nucleare ha tanti pori dai quali può entrare e uscire materiale. Qua il DNA si replica (sede della replicazione del DNA) e inizia la prima fase che porta alla formazione delle proteine (trascrizione). - Abbiamo anche una regione chiamata nucleolo, dove si vanno ad assemblare i ribosomi, che poi vengono fatti uscire dal nucleo. Il nucleolo non è delimitato da nessun tipo di membrana. - Nel nucleo abbiamo il DNA che è formato da due filamenti molto lunghi, associati a delle proteine (istoniche e non istoniche). - Gli istoni (proteine basiche) permettono la formazione di avvolgimenti regolari dei filamenti e il compattamento del materiale cromosomico, insieme formano la cromatina. Al momento della divisione cellulare la cromatina si condensa talmente tanto da formare i cromosomi (visibili al microscopio ottico). - La lamina nucleare è una rete proteica (la lamina nucleare) che dà sostegno al nucleo. Questa lamina ha dei pori, fori delimitati da proteine, quest'ultime sono importanti in quanto interagendo con le molecole decidono quali possono entrare e quali no. - **Reticolo endoplasmatico** - È subito fuori dal nucleo, in quanto è costituito dalla membrana del nucleo che si estroflette formando delle pieghe presenta vescicole, cisterne, tubuli in comunicazione fra di loro e con l'ambiente esterno. - È un reticolo di transizione dal quale si formano le vescicole che verranno poi trasportate all'apparato di Golgi. - È una struttura molto estesa, e si divide in due: - Reticolo endoplasmatico liscio (SER O REL) è definito liscio in quanto non ha i ribosomi attaccati. Ha diverse funzioni per esempio: 1. Modifica chimicamente sostanze potenzialmente tossiche (farmaci e pesticidi) 2. Degrada molecole di glicogeno nelle cellule animali 3. Permette la sintesi di lipidi come gli steroidi. - Reticolo endoplasmatico rugoso (RER) è formato da una serie di sacche e tubuli e si definisce rugoso in quanto è ricoperto dai ribosomi. 1. I ribosomi producono le proteine, che entrano nel reticolo endoplasmatico rugoso, qua subiscono una serie di modifiche a seguito delle quali vengono in parte inglobate in vescicole che le trasportano in altre regioni. - **Apparato di Golgi** - formato da una serie di sacculi appiattiti (cisterne) e piccole vescicole membranose. Questo apparato riceve le vescicole con le proteine e lipidi provenienti dal RER - Queste proteine vengono smistate in diversi organuli (membrana plasmatica, lisosomi, endosomi, secrezione). - II Golgi è importante anche per le cellule vegetali in quanto i polisaccaridi che formano la loro parete cellulare si formano lì. - **Lisosomi** - una parte delle vescicole che escono dall'apparato di Golgi prendono il nome di lisosomi, piccole vescicole che contengono delle proteine particolari ossia gli enzimi digestivi che idrolizzano macromolecole in monomeri. - Quando le molecole di cibo, attraverso la fagocitosi, entrano nella cellula, si forma una vescicola detta fagosoma, che si unisce con il lisosoma primario a formarne uno secondario. Gli enzimi nel lisosoma secondario idrolizzano le molecole di cibo e i prodotti attraversano la membrana del lisosoma. - **Mitocondri** - Nei mitocondri, l'energia delle molecole di cibo è trasformata in ATP (ottenuta mediante il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa), infatti le cellule che richiedono molta energia hanno numerosi mitocondri. - I mitocondri hanno due membrane: 1. La membrana esterna è liscia e ha funzione protettiva, delimita la camera mitocondriale esterna. 2. La membrana interna è ripiegata internamente a formare creste mitocondriali. Questo crea una grande superficie per le proteine coinvolte nelle reazioni di respirazione cellulare: la matrice mitocondriale che contiene enzimi, DNA e ribosomi. - Nei mitocondri si trova un cromosoma indipendente dal DNA nucleare - La teoria endosimbiontica sostiene che i mitocondri si siano generati da una cellula procariote aereobia associata a una cellula anaerobia (quella che sarebbe diventata la cellula eucariote), la teoria è stata sostenuta dalla scoperta di alcune proteine come i citocromi presenti anche sulla membrana plasmatica dei procarioti. - **Perossisomi** - Vescicole molto piccole, con una sola membrana, originato dal reticolo endoplasmatico, diverso dal lisosoma perché non contiene idrolasi acide, bensì perossidasi e catalasi, cioè i suoi enzimi degradanti. La loro funzione è degradare sostanze di scarto del metabolismo della cellula come l'H2O2. Sono molto abbondanti negli organi e cellule destinate alla degradazione di sostanze tossiche come alcol o farmaci (es. epatociti nel fegato, e nelle cellule dei reni). ## Il citoscheletro - Struttura di natura proteica che sostiene e mantiene la forma della cellula. - Formato da tre componenti proteiche principali (classificati in base diametro, composizione e funzione): - **Microfilamenti (d: 7nm)** - polimeri costituiti da due filamenti di monomeri di actina, attorcigliati su se stessi. - Presentano filamenti con estremità + e-, la crescita per polimerizzazione avviene in maniera veloce dall'estremità positiva e in maniera lenta da quella negativa. - Determinano la forma della cellula. - Permettono il movimento di una parte di cellula o della cellula stessa (es. cellule sistema immunitario si muovono grazie a questi processi) - Nelle cellule muscolari, nei sarcomeri, i filamenti di actina sono agganciati alla "proteina motrice" miosina le interazioni tra le due permettono la contrazione muscolare. - In alcune cellule i microfilamenti formano una rete appena all'interno della membrana plasmatica. Ciò fornisce supporto strutturale, ad esempio nei microvilli che delimitano l'intestino umano. - **Filamenti intermedi (d: 8-12nm)** - forma cilindrica creata da subunità di amminoacidi diversi intrecciati (in base agli amminoacidi si creano 50 tipi diversi). - Funzione sostegno e forma della cellula (creano la lamina nucleare che riveste e sostiene la parete nucleare). - Muove e mantiene in posizione gli organelli con il citosol. - E' coinvolto nelle correnti citoplasmatiche (la contrazione dei microfilamenti creano queste correnti e velocizzano lo spostamento delle sostanze all'interno del citoplasma) - Interagisce con strutture extracellulari per mantenere la posizione della cellula con altre cellule. - **Microtubuli (d: 26 nm)** - lunghi cilindri cavi costituiti da dimeri (due monomeri) della tubulina (a sua volta costituita da dimeri di a-tubulina e ẞ-tubulina). - Hanno estremità + e - (quindi crescono e decrescono come i microfilamenti maniera veloce dall'estremità positiva e in maniera lenta da quella negativa). - Importante per creare fuso mitotico (struttura filamentosa che si attacca ai centromeri dei cromosomi, finalizzata alla cattura e riposizionamento del cromatidio durante riproduzione cellulare) - Agiscono come binario per le proteine motrici (chinesina si sposta verso +, la dineina si sposta verso -) che muovono vescicole o organelli da una parte all'altra della cellula. ## La compartimentazione degli eucarioti - Le cellule eucariotiche apparvero inizialmente circa 1,5 miliardi di anni fa, l'avvento della compartimentazione fu uno dei principali eventi nella storia della vita. - Il sistema di endomembrane ed il nucleo cellulare, il Golgi ecc. potrebbero essersi originati da ripiegamenti interni della membrana plasmatica in cellule procariotiche, che ha cominciato ad invaginarsi e chiudersi. - Mitocondri e cloroplasti (cellule vegetali) possono essersi originati grazie al processo di fagocitosi che ha permesso alla cellula eucariote di inglobare questi (probabilmente) piccoli batteri originari. - Questo è ciò che sostiene la teoria endosimbiontica secondo la quale la cellula ha inglobato alcuni organelli (mitocondri e plastidi) per simbiosi ("vivere insieme"): un organello svolge funzioni utili alla cellula e quest'ultima fornisce riparo e protezione strutturale agli organelli. ## Le membrane cellulari - La struttura generale delle membrane biologiche è nota come modello a mosaico fluido. - Mosaico → è formata da componenti distinte (proteine, fosfolipidi) - Fluido → perché queste proteine e i fosfolipidi possono muoversi all'interno della membrana grazie alla sua fluidità. - La membrana è costituita da fosfolipidi che hanno una "testa" polare, idrofilica ed una "coda" idrofobica di acidi grassi. In un ambiente acquoso, i fosfolipidi formano un doppio strato ("bilayer"). - La struttura delle membrane biologiche è simile ma la composizione lipidica e i tipi di proteine all'interno possono cambiare. - I fosfolipidi variano per: - La lunghezza della catena degli acidi grassi - il grado di saturazione (numero doppi legami) - tipi di gruppi polari - La fluidità dipende: - dalla composizione dei lipidi - dalla temperature - Le code degli acidi grassi rendono l'interno fluido, con una consistenza simile ad un olio semiviscoso, permettendo movimenti di rotazione e laterali delle molecole lipidiche. - Colesterolo (25% delle membrane) ed acidi grassi a catena lunga e saturi si compattano strettamente rendendo la membrana meno fluida. Gli acidi insaturi la rendono più fluida. - Al decrescere della temperatura, i movimenti delle molecole ed i processi cellulari rallentano, diminuisce la fluidità. - Alcuni organismi cambiano il contenuto lipidico delle membrane cellulari quando si raffreddano ad esempio per contrastare l'abbassamento delle temperature gli animali che vanno in letargo presentano membrane ricche di grassi insaturi (più fluidi per compensare il fatto che in inverno gli spostamenti si riducono). ## Le proteine di membrana - Tutte le membrane biologiche hanno proteine di membrane e il numero varia a seconda della funzione della membrana. Vengono distinte in due tipi: - **Proteine integrali di membrana:** - Le proteine transmembrana attraversano totalmente o parzialmente il doppio strato fosfolipidico tramite interazioni fisiche riescono ad inserirsi nel doppio strato perché parte della proteina è idrofobica (si trova all'interno della membrane) e parte è idrofilica (si trova nel lato interno e esterno della membrana) - Le proteine ancorate a lipidi di membrana sono legate (tramite legame covalente) alla membrana. - Possono essere ancorate dall'interno o dall'esterno (asimmetria tra i due lati della membrana). - Possono esser separate dalla matrice lipidica solo tramite l'uso di detergenti che distruggono la membrana. - **Proteine periferiche di membrana:** - Non presentano nessuna componente idrofobica e non penetrano nel doppio strato. Hanno regioni polari o cariche che interagiscono con parti esposte delle proteine integrali o con teste dei fosfolipidi. - Anche questo tipo di proteina è presente sia all'interno che all'esterno della cellula, sono altamente asimmetriche tra i due lati. - Si separano mediante trattamenti con sostanze polari che non rompono la struttura lipidica della membrana - Alcune proteine di membrana possono muoversi liberamente entro il doppio strato, mentre altre sono ancorate ad una specifica regione. - Quando delle cellule vengono fuse sperimentalmente, alcune proteine da ciascuna cellula si distribuiscono uniformemente attorno alla membrana. - Le membrane sono dinamiche e costantemente si formano, si trasformano, fondono e si frammentano. La composizione chimica varia a seconda della destinazione. ## I carboidrati della membrana - Le membrane hanno anche carboidrati sulla superficie esterna che servono da siti di riconoscimento per altre cellule e molecole. - Gli zuccheri essendo molecole idrofiliche non entrano nel doppio strato, ma si agganciano alle estremità esterne delle membrane. - **Glicolipidi:** carboidrato + lipide (funzione di riconoscimento cellulare) - **Glicoproteine:** carboidrato + proteina (funzione di riconoscimento e adesione cellulare) - **Proteoglicano:** uguali ma con catene + lunghe e complesse (maggiore porzione glucidica) - Il nostro organismo è composto da circa 60mila miliardi cellule legate tra di loro a formare i tessuti tramite riconoscimento cellulare e adesione cellulare (che avviene grazie alle glicoproteine). - Questi processi possono essere studiati nelle cellule delle spugne. È possibile infatti separare le cellule delle spugne disintegrandole su un setaccio, dopo che le cellule si sono allontanate queste tendono a riavvicinarsi (in soluzione), non in modo casuale, ma sui punti di adesione/contatto sempre nelle medesime zone. Questo avviene perchè i proteoglicani sulla superficie delle cellule si riconoscono e si legano fra loro facendole aderire. - Il legame delle cellule è solitamente omotipico → lo stesso tipo di molecola emerge da entrambe le cellule e forma un legame. - Alcuni legami sono eterotipici → le cellule hanno molecole diverse che emergono dalle membrane (es. spermatozoo e cellula uovo hanno proteine diverse ma siti di legame complementari). ## Le giunzioni cellulari - Una volta compiuta l'adesione, le cellule vicine producono delle strutture specializzate che rinforzano ulteriormente l'adesione delle cellule. - Le giunzioni sono strutture costituite da proteine di membrana più solide e resistenti che garantiscono alle cellule di rimanere unite fra loro. Ne esistono di diversi tipi: - Giunzioni strette (tight junctions) → ponti molto stretti (come cerniere) che impediscono la fuoriuscita delle sostanze nell'ambiente extracellulare (es: cellule della vescica, urina) - Giunzioni comunicanti canali che uniscono e permettono il passaggio di materiali nello spazio extra cellulare (es: nel cuore, canali permettono il passaggio di correnti elettriche) - Desmosomi → due placche citoplasmatiche si agganciano a due cellule dall'interno, si legano ai filamenti intermedi (citoscheletro) e saldano il legame grazie a molecole di adesione cellulare. Permettono il passaggio di alcune sostanze (es: cute) - Le membrane cellulari possono anche aderire alla matrice extracellulare (composta da proteine fibrose quali il collagene, proteoglicani gelatinosi, ed altre proteine) tramite la proteina transmembrana integrina che collega la matrice con i filamenti di actina all'interno delle cellule. - Man mano che la cellula si sposta, le integrine vengono fagocitate dalla cellula, immagazzinate in una vescicola che viene trasportata fino ad essere espulsa di nuovo nella parte anteriore. Le integrine legano di