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Capitolo 1: lo studio della biologia, principi della vita Scopo della biologia: comprendere funzionamento di organismi e di utilizzare le conoscenze per risolvere problemi → metodo scientifico → studio degli esseri viventi Essere vivente: è un unità genetica organizzata, reattiva, cellulare, caratt...

Capitolo 1: lo studio della biologia, principi della vita Scopo della biologia: comprendere funzionamento di organismi e di utilizzare le conoscenze per risolvere problemi → metodo scientifico → studio degli esseri viventi Essere vivente: è un unità genetica organizzata, reattiva, cellulare, caratterizzata da metabolismo e in grado di riprodursi ed evolversi Definizioni: - Metabolismo: attività chimica che cattura energia convertendola in diverse forme, il controllo del metabolismo è affidato ai geni - Crescita biologica: amento della dimensione e/o numero di cellule - Adattamento: risultato dell’evoluzione che si presenta nelle generazioni - Acclimatazione: piccoli cambiamenti effettuati dall’essere vivente per migliorare le condizioni di vita e la capacità di sopravvivenza in un ambiente - Evoluzione: cambiamento nel tempo della composizione genetica di una popolazione di organismi (evoluzione dall’ambiente fisico= ruolo fondamentale) Date importanti: - 1760 Leclerc, con “La storia naturale degli animali” → possibilità di evoluzione - Lamarck propone che la funzione modifica l’organo (giraffe) - Metà del XIX secolo Darwin e Wallace: la progenie eredita i caratteri parentali dai genitori → selezione naturale: capacità differenziale degli individui di sopravvivere e riprodursi → cambiamento evolutivo a lungo termine Passaggi evolutivi fondamentali della vita sulla Terra: 1. 4 miliardi di anni fa, origine della vita tramite evoluzione chimica, combinazioni di atomi e molecole → passaggio cruciale= comparsa degli acidi nucleici 2. 3.8 miliardi d anni fa, evoluzione biologica, formazione delle cellule con compartimentazione (grazie agli acidi grassi) che permette di controllare entrata e uscita di molecole dalla cellula e reazioni chimiche (organismi unicellulari procarioti, vita acquatica per protezione dai raggi UVC e mancanza di ossigeno) 3. 2.5 miliardi di anni fa, fotosintesi delle prime cellule, cianobatteri → liberazione di O2 rende ossidante l’atmosfera → nascita di cellule a metabolismo aerobio → strato di O3, protezione dai raggi e colonizzazione delle terre emerse 4. 1.5-2 miliardi di anni fa, eucarioti con compartimenti specializzati, teoria dell’evoluzione tramite fagocitosi, mitocondri e cloroplasti hanno origine da endosimbionti 5. 1 miliardo di anni fa, evoluzione degli organismi pluricellulari grazie alla capacità delle cellule eucariotiche di interagire tra loro e cambiare struttura e funzione (uniche che possono dare vita a tessuti specializzati) 6. Riproduzione sessuata accelera il tasso di evoluzione → unione di geni di due cellule in un singolo organismo → meiosi evoluta dalla mitosi, aumento della variabilità delle popolazioni (L’Homo sapiens è comparso solo 500.000 anni fa) Livelli organizzativi: atomo, molecola, cellula, tessuto, organo, organismo; Popolazione= organismi della stessa specie; Comunità= popolazioni di specie diverse nella stessa area; Ecosistema; Biosfera Specie: biologica, morfologica, tipologica, cronologica e filogenetica → biologica= esperimenti che provano la discendenza fertile degli incroci, individui che generano prole illimitatamente feconda Sistematica: studia la diversità degli organismi e le loro relazioni evolutive Tassonomia: si occupa di nomenclatura e classificazione Cladistica: modo di definire i taxa, analizzando le caratteristiche ancestrali e derivate Clade= gruppo di organismi con un antenato in comune Nomenclatura binomiale di Linneo: Genere + epiteto specifico (specie) Ordine: dominio - regno - phylum - subphylum - classe - ordine - famiglia - genere - specie Domini: Woese definisce due domini dei procarioti, Bacteria e Archaea; Eukarya racchiudono protisti (super gruppo), piante, animali e funghi Procarioti: hanno materiale genetico in un unico filamento di DNA collocato nel nucleotide Eucarioti: il materiale genetico è contenuto nel nucleo e circondato da membrana nucleare Genoma: insieme dell’informazione codificata nei geni, necessaria per il funzionamento dell’organismo, tutte le cellule di un organismo contengono lo stesso genoma anche se svolgono funzioni diverse, ne esprimono parti differenti Evoluzione: Darwin 1859 “L’origine delle specie”, ipotizza la selezione naturale, che porta allo stabilirsi di adattamenti che aumentano la probabilità di sopravvivere. Metodo ipotetico-deduttivo: 1. Osservazioni 2. Domande 3. Ipotesi→ un ipotesi convalidata diventa una teoria 4. Previsioni basate sulle ipotesi 5. Verificare le previsioni tramite osservazioni ed esperimenti Il caso ha un ruolo importane nelle scoperte scientifiche, i cambiamenti di paradigma permettono nuove scoperte, la biologia dei sistemi integra diversi livelli di informazione Ragionamento deduttivo: parte da premesse Ragionamento induttivo: parte da osservazioni specifiche che cerca di generalizzare, si puo usare per cercare punti in comune tra fatti apparentemente scollegati Capitolo 2: la chimica e la vita, piccole molecole Tutti gli esseri viventi sono formati dagli stessi elementi chimici, l’acqua sulla Terra ha probabilmente origine extraterrestre, arrivata probabilmente tramite le comete nel periodo Adeano. In corrispondenza del periodo Archeano cessano gli impatti con le comete e si instaurano le condizioni adatte per la nascita della vita, tra queste la presenza dell’acqua allo stato liquido. Elemento: costituito da un solo tipo di atomo ed identificato dal numero di protoni (numero atomico) Modello di Bohr: gusci elettronici intorno al nucleo, i comportamenti degli elettroni determinano la formazione di un legame e la sua forma. Gli atomi con gusci esterni incompleti tendono a reagire per completare l’ottetto Isotopo: atomo dello stesso elemento, uguale numero atomico ma differente numero di massa, comportamento chimico uguale, ma diverso comportamento fisico Radioisotopi (iodio) Legame chimico: è la forza attrattiva che unisce due atomi tramite gli elettroni presenti nell’ultimo guscio di valenza, ne esistono diversi tipi, covalente, a idrogeno, ionico, interazioni idrofobiche e di Van der Waals (tra molecole apolari). Ogni elettrone è attratto dal nucleo dell’altro atomo, il nucleo attrae il proprio e-, con l’ avvicinamento di due atomi viene condivisa la coppia di e- (legame covalente forte). Legame covalente: due atomi raggiungono un numero di elettroni stabile nel guscio più esterno, tramite la condivisione di una o più coppie di elettroni. Può essere simmetrico, elementi uguali, apolare (elettronegatività simile tra elementi) o asimmetrico, polare (elettronegatività diversa tra elementi, creazione di un dipolo). È un legame molto forte, può essere singolo, doppio o triplo. Legame a idrogeno: debole attrazione tra un atomo molto elettronegativo e H. Nell’acqua conferisce capacità termica, elevato calore di evaporazione e coesione tra molecole. Legame ionico: si forma per effetto dell’attrazione elettrica tra ioni, si dissolve facilmente in soluzione, nei solidi legami forti= ioni vicini, gli ioni possono interagire anche con molecole polari. Molecole polari: interagiscono con l’acqua (idrofiliche) tramite legami a H Molecole apolari: interagiscono con altre molecole apolari (idrocarburi), sono idrofobiche Elettronegatività: forza attrattiva che un atomo esercita sugli elettroni, dipende dal numero di protoni nel nucleo e dalla posizione degli e-. Nella tav. periodica aumenta nel periodo → e diminuisce nel gruppo ↓ Energia: attitudine di un sistema a compiere un lavoro o a cambiare, misurata in calorie Caloria: quantità di energia termica necessaria per aumentare di 1 grado 1g di acqua pura; 1 cal= 4.18J Acqua: legami a idrogeno, elevato calore specifico, elevato calore di vaporizzazione, densità ghiaccio < densità acqua liquida; ogni molecola di H2O forma circa 3.4 legami a H con altre molecole di acqua → forza di coesione e tensione superficiale molto elevate. L’acqua ha deboli proprietà elettrolitiche ed è parzialmente dissociata, prodotto ionico a 25C= 10-14 Mole: quantità espressa in grammi di un composto pari alla sua massa molecolare, contiene sempre 6,02 x 1023 pH= -log[H+] pOH= -log[OH-] PKw= pH + pOH = 14 Kw= [H+] x [OH-] = 10-14 Tampone: miscela di acido debole e base coniugata o base debole e acido coniugato, riduce al minimo i cambiamenti di pH. Es. H2CO3 e NaHCO3  Capitolo 3: Macromolecole Macromolecole: formate da monomeri legati tramite legame covalente, peso mol> 1000, contengono più gruppi funzionali e ogni tipo svolge una combinazione di funzioni specifiche. Polimeri: formazione per condensazione, eliminazione dell’acqua porta alla formazione dei legami tra monomeri e demolizione tramite idrolisi, addizione di acqua che rompe i legami. Amminoacidi: sono 20, raggruppati in base alle proprietà conferite dalle catene laterali - 5 hanno catene laterali con carica elettrica, attraggono acqua e ioni - 5 hanno catene laterali polari, tendono a formare legami H con acqua e sostanze polari - 7 hanno catene laterali idrocarburiche, apolari, idrofobici - 3 sono casi speciali: cisteina con gruppo -SH, forma il ponte disolfuro che determina il ripiegamento di una catena polipeptidica ; glicina, la cui catena laterale ha un solo atomo di H e può entrare in “tasche” di una proteina; prolina ha un gruppo amminico con un H in meno e forma un legame covalente con una catena idrocarburica, dando origine a una struttura ad anello. Proteine: polimeri di amminoacidi (legami C: amminico, carbossilico, H, R), massa variabile, catene polipeptidiche non ramificate, spessi si associno a formare macchinari molecolari multi proteici. Funzioni principali: enzimi, difesa, ormonali, recettrici, deposito, strutturali, trasporto, regolatrici di geni Ponte disolfuro: dato dal legame tra i gruppi -SH di due residui della cisteina Legame peptidico: tra gruppo amminico e carbossilico di due amminoacidi, formazione del legame accompagnata dalla perdita di una molecola d’acqua, legame rigido e polare Struttura primaria: sequenza amminoacidica, legami covalenti Struttura secondaria: stabilizzata da ponti a H, - alfa-elica= destrorsa con gruppi R proiettati all’esterno dello scheletro polipeptidico, stabilizzata dal dipolo sul legame peptidico e normalmente associata a R poco ingombranti - foglietto beta a pieghe: ottenuto tra catene polipeptidiche affiancate, stabilizzato da legami H tra dipoli di legami peptidici diversi Le due strutture secondarie possono coesistere nello stesso polipeptide Struttura terziaria: ripiegamento complessivo guidato dai gruppi R, le interazioni tra catene laterali di peptidi possono dare origine a ponti disolfuro, interazioni idrofobiche, forze di Van der Waals o legami ionici → struttura secondaria e terziaria dipendono dalla primaria Struttura quaternaria: organizzazione in subunità, non tutte le proteine la hanno (emoglobina) Condizioni in grado di alterare struttura 3-4: - Concentrazione ioni H+, possono modificare lo stato di ionizzazione dei gruppi carbossilici e amminici - Alte concentrazioni di sostanze polari, possono disorganizzare i legami a idrogeno - Sostanze apolari, possono di natura una proteina Gli agenti denaturanti possono distruggere la struttura terziaria e secondaria di una proteina, talvolta è possibile la rinaturazione. Un polipeptide neoformato è equivalente ad una proteina denaturata, nelle cellule le chaperonine aiutano le proteine ad assumere la forma corretta. Carboidrati: gruppo eterogeneo, sono molecole composte da acqua e carbonio, possono essere mono, di, oligo e polisaccaridi, 4 funzioni= deposito di energia, trasporto di energia, supporto strutturale, adesione e riconoscimento - Monosaccaridi: prodotti tramite la fotosintesi o assunti con la nutrizione, possono essere pentosi (ribosio e desossiribosio) o esosi (glucosio, fruttosio, mannosio e galattosio) I monosaccaridi si uniscono tramite legami covalenti, α-glicosidici a formare: - Disaccaridi: saccarosio (glucosio+fruttosio), maltosio (2 glucosio) e cellobiosio - Oligosaccaridi: possiedono anche gruppi funzionali che conferiscono specifiche proprietà, possono essere legati anche a proteine o lipidi (gruppi sanguigni) - Polisaccaridi: nelle piante= cellulosa (non ramificata, molto più stabile ), amido (riserva energetica); negli animali= glicogeno (ramificato), prodotto nel fegato e trasportato nei muscoli, riserva energetica → quasi insolubili in acqua, si idratano solo in superficie, perché ha meno gruppi ossidrile esposti rispetto ai monosaccaridi - Carboidrati modificati chimicamente: zucchero fosfato (fruttosio), amminozuccheri (glucosammina), chitina Il glucosio nelle cellule viene immagazzinato sottoforma di amido o glicogeno perché le singole molecole di glucosio eserciterebbero 1000 volte la pressione osmotica di una di glicogeno. Glucosio: struttura alfa e beta, con differenti proprietà Acidi nucleici: polimeri lineari specializzati nel deposito, trasmissione e utilizzazione dell’informazione genetica, costituiti da monomeri detti nucleotidi, legame fosfodiesterico Nucleotide: costituito da zucchero pentoso, gruppo fosfato e base organica azotata di tipo purinico o pirimidinico (punto di variabilità) → Nucleoside: nucleotide privo del gruppo fosfato Al C1 si lega la base azotata, il C5 si lega al fosfato e a sua volta il fosfato si lega al C3 successivo - ATP= trasportatore di energia; tre gruppi fosfato legati al C5, molecola molto fragile, alla rottura dei legami viene stabilizzato il sistema e aumenta l’energia - GTP= trasportatori di energia nella sintesi proteica e traduttore di segnali ambientali all’interno della cellula ; - cAMP= Traduttore di segnali ambientali, ma anche ormonali e da parte del sistema nervoso centrale Gli acidi nucleici possono essere: - Oligonucleotidi: comprendono molecole di RNA primer per la duplicazione, quelle che regolano l’espressione genica e le molecole di DNA sintetiche usate per amplificare e analizzare altre sequenze nucleotidiche. Composti al massimo da 20 monomeri nucleotidici - Polinucleotidi: comprendono DNA e RNA, molto lunghi - DNA: acido desossiribonucleico, codifica le informazioni ereditarie da trasmettere alla progenie e sintetizza nuove proteine, forma tridimensionale a doppia elica molto regolare, considerato una molecola informazionale. Ha due filamenti legati tra loro tramite legami a H (deboli) tra le basi azotate, i due filamenti sono considerati antiparalleli, definiti in modo testa-coda e formano un’elica destrorsa. L’assenza del gruppo ossidrile sul C2 dello zucchero, rende il DNA meno flessibile dell’RNA. La direzione è 5’ → 3’. Vengono svolte anche analisi filogenetiche sul DNA Appaiamento complementare delle basi: A=T (U) ; C=G Il DNA è riproducibile con la duplicazione, oppure può essere trascritto in RNA per poi andare incontro a traduzione e sintetizzare proteine. L’insieme dei processi viene definito espressione genica. - RNA: acido ribonucleico, di dimensioni minori, è intermediario nella trasmissione dell’informazione da DNA a proteine, in certi virus costituisce il depositario dell’informazione ereditaria, alcuni tipologie hanno specifiche attività catalitiche (ribozimi). Struttura tridimensionale complessa, data dal possibile ripiegamento di molecole. I ribozimi possono catalizzare reazioni a carico dei propri nucleotidi o di altre sostanze della cellula, esistono ribozimi capaci di auto replicazione, la formazione dei legami peptidici è catalizzata da un ribozima e alcuni virus hanno un genoma a RNA e una trascritta inversa che lo copia in DNA. Appaiamento complementare delle basi: A+T ; G+C (appaiamento sempre di purina+ pirimidina) Fattori che regolano l’appaiamento: siti disponibili a legami a H, geometria dello scheletro, dimensioni delle basi azotate Gli acidi nucleici si legano tra loro e solo ad alcune proteine Lipidi: idrocarburi insolubili in acqua a causa dei legami covalenti apolari, si aggregano in soluzione acquosa tramite interazioni idrofobiche e forze di Van der Waals, non sono definibili polimerici a causa della mancanza di legami covalenti tra monomeri. Esistono fosfolipidi, carotenoidi, steroidi, oli e cere.. Funzioni: immagazzinano energia, negli animali fungono da isolanti termici e svolgono ruoli strutturali nelle membrane cellulari Grassi e Oli: sono trigliceridi, esteri che derivano dalla condensazione tra 1 glicerolo e 3 acidi grassi; hanno funzione isolante e di riserva energetica; grassi= acidi grassi saturi, solo legami singoli; oli= acidi grassi insaturi, con doppi legami (acido linoleico) La presenza di curvature nella molecola di acidi grassi è importante per determinare la fluidità e il punto di fusione. Trigliceridi: animali= composti di grassi saturi, solidi a temperatura ambiente e con elevato punto di fusione; vegetali= composti da grassi insaturi o a catena corta, liquidi a temperatura ambiente e con basso punto di fusione. Fosfolipidi: componenti delle membrane biologiche, hanno una testa idrofilica (gruppo fosfato, per la carica negativa) e due code di acidi grassi idrofobiche (tra 16-24 atomi di C), sono dette molecole anfipatiche → in soluzione acquosa tendono a formare il doppio strato fosfolipidico, struttura portante delle membrane (da sapere struttura) → Carotenoidi: derivano dall’unione di molecole di isoprene, intercettano l’energia luminosa, idrofobici, Steroidi: struttura policiclica, come colesterolo, cortisolo, testosterone e vitamina D, prodotti anche da piante e funghi Vitamina A: indica sia il retinolo sia i suoi analoghi retinoidi, ha funzioni che riguardano soprattutto la visione e la differenziazione cellulare; in carenza si ha inibizione della crescita, deformazione delle ossa, modifiche delle strutture epiteliali e degli organi riproduttivi, cecità, xeroftalmia. Si trova in vegetali gialli o arancioni → deriva dai carotenoidi Vitamina E: alfa-tocoferolo, si trova in alimenti di origine vegetale, semi, cerali.. è un antiossidante, la carenza difficilmente si sviluppa nell’adulto Vitamina F: acidi grassi essenziali Vitamina D: pro-ormoni liposolubili, colecalciferolo (D3 derivata da colesterolo e sintetizzato negli organismi animali) e ergocalciferolo (D2 provenienza animale/fungina, è lo steroli dei funghi); il filosterolo non ha attività vitaminica, interferisce con l’assorbimento di carotenoidi e altri composti Vitamina K: composti che derivano dal 2-metil-1,4-naftochinone, essenziale nei meccanismi di coagulazione del sangue; - K1 o filochinone di origine vegetale - K2 o menachinoni di origine batterica - K3 o menadione di origine sintetica Vitamine idrosolubili: gruppo B, C Cere: sono esteri di acidi grassi saturi e polialcoli a lunga catena, sono molecole molto idrorepellenti che hanno stessa funzione (impermeabilizzazione e difesa) e struttura simile Capitolo 4: la cellula Teoria cellulare: la cellula è l’unità di base di tutti i viventi, ogni cellula deriva da una preesistente e tutti gli organismi sono costituiti da cellule. Implicazioni: studiare la cellula= studiare la vita; la vita è un fenomeno continuo, l’origine della vita è segnata dalla comparsa della prima cellula. Le prime cellule potrebbero aver avuto origine da protobionti, aggregati molecolari che non possono riprodursi e possono mantenere un ambiente interno ben distinto da quello esterno. Primi fossili batterici → 3,6 miliardi di anni fa La maggior parte delle cellule ha piccole dimensioni, da 1 a 1000 µm3 → poche eccezioni, come uova di alcuni uccelli, assi neuronali e alcune alghe L’aumento delle dimensioni dell’organismo si è ottenuto passando ai pluricellulari, le dimensioni cellulari sono definite in modo stabile in base al rapporto superficie/volume (IMPORTANTE, DOMANDA) → grande significato biologico: il volume è correlato alla quantità di eventi metabolici compiuti in un unità di tempo; la superficie esterna influisce sugli scambi con l’ambiente (quantità di sostanze scambiate) Quando una cellula cresce, la sua necessità di scambi con l’ambiente cresce più velocemente, quindi gli organismi di grande dimensione sono costituiti da numerosissime cellule. Mentre più è piccola la cellula, maggiore è la facilità con cui avviene lo spostamento di sostanze. Microscopi ottici: dettaglio più piccolo= 0,2µm (1000 volte più piccolo), utilizzati per lo studio delle cellule e per l’analisi della loro struttura generale Microscopi elettronici: limite grandezza= 2nm (100.000 volte più piccolo), utilizzati per visualizzare la maggior parte delle strutture all’interno di cellule Membrana plasmatica: doppio strato fosfolipidico, ha funzione di barriera, permeabile ma selettiva, permette il mantenimento dell’omeostasi, luogo di scambio di informazioni, superficie di adesione e riconoscimento tra cellule adiacenti. CELLULA PROCARIOTICA: i procarioti (Archaea e Bacteria) non hanno compartimenti interni circondati da membrane, utilizzano fonti energetiche per sopravvivere in ambienti più difficili, sono tutti organismi unicellulari, anche se possono ritrovarsi in catene, piccoli aggregati. Da 1-10µm Caratteristiche: membrana plasmatica, materiale genetico nel nucleoide, citoplasma contenente citosol (soluzione acquosa) e ribosomi in cui avviene la sintesi proteica (DNA+ proteine) Alcune cellule hanno sviluppato strutture con funzioni precise: - Parete cellulare: all’esterno della membrana plasmatica, conferisce la forma alla cellula, è variabile e permeabile → bacilli, cocchi, spirilli, vibrioni e spirochete In alcuni batteri la parete circondata da uno strato viscoso composto di polisaccaridi, la capsula che protegge il batterio dall’attacco di globuli bianchi e impedisce la disidratazione Nei Bacteria la parete è formata da peptidoglicano (polimero di amminozuccheri) → - Gram -: rossi, peptidoglicano sottile, membrana esterna fosfolipidica e poco permeabile, lo spazio compreso tra le due membrane viene definito spazio periplasmico; è presente anche una capsula esterna mucillaginosa, per adesione e protezione - Gram +: viola, peptidoglicano spesso trattiene il colorante - Membrane interne: alcuni batteri compiono funzioni specializzate in corrispondenza di particolari regioni del plasmalemma, queste porzioni (mesosomi) si proiettano nel citoplasma e sono un punto di ancoraggio degli acidi nucleici; hanno funzioni come la fotosintesi, divisione cellulare (controllano che il DNA sia ai poli opposti in citodieresi) e conversione energetica - Flagelli: costituiti da flagellina, ruotano intorno al proprio asse e imprimono movimento alla cellula, movimento “a frusta” (sinusoide), sono più lunghi e sottili dei pili - Pili: più rigidi, a base proteica, servono allo scambio di materiale con altre cellule - Citoscheletro: rete elicoidale di strutture filamentose, al di sotto della membrana plasmatica, ruolo essenziale nel mantenimento della forma a bastoncello CELLULA EUCARIOTICA: gli eucarioti hanno compartimenti interni circondati da membrane, sono più grandi e possiedono diversi organuli che si possono studiare con microscopi o per frazionamento Nucleo: è l’organulo più voluminoso della cellula, funzioni: duplicazione e trascrizione del DNA, controllo genetico, montaggio dei ribosomi; circondato da 2 membrane (involucro nucleare) perforate da pori nucleari attraverso cui passano RNA e proteine. Il DNA è associato a proteine a formare un complesso che costituisce la cromatina, si presenta sottoforma di cromosomi Nel nucleo: eterocromatina e eucromatina (densa e diffusa, slide 24) Membrane interne (endomembrane): involucro nucleare, reticolo endoplasmatico e apparato Golgi e lisosomi La cisterna nucleare prosegue nel reticolo endoplasmatico ruvido, il quale a sua volta prosegue nel REL e nel Golgi. Ciò che distingue il RER dal REL è la presenza di ribosomi adesi alle membrane. Ribosomi: composti da due subunità, ognuna costituita da 1-3 molecole di rRNA legato in modo covalente a proteine più piccole, traducono l’RNA in proteine. Non consistono di compartimenti racchiusi da membrane RER: una proteina entra nel RER solo se contiene una specifica sequenza di aminoacidi, all’interno le proteine subiscono modificazioni (vengono marcate) e vengono trasportate all’interno di vescicole che le rilasciano all’esterno. La maggior parte delle proteine incluse in vescicole è prodotta sul RER. In seguito a trasformazioni alcune proteine diventano glicoproteine. REL: è privo di ribosomi, organizzato di più in tubuli e vescicole, è molto esteso, modifica ulteriormente le molecole prodotte dal RER, altre funzioni sono la modifica di piccole molecole (farmaci, pesticidi), idrolisi del glicogeno, sintesi di lipidi e steroidi. Le cellule secretrici ne sono piene Apparato del Golgi: organizzato in cisterne e vescicole, impilate o separate; quando le vescicole provenienti dal RER si il loro contenuto viene rilasciato nel lume di una cisterna, dove subisce ulteriori modificazioni. Funzioni come modifiche e smistamento di proteine, sintesi di polisaccaridi e addiziona carboidrati alle proteine. Negli animali si distingue una regione cis (vicina al nucleo), una mediale e una trans (vicina alla membrana). Le vescicole contenenti proteine si fondono con la faccia cis, mentre quelle che si liberano per gemmazione dalla faccia trans trasportano il loro contenuto verso la membrana plasmatica o un lisosoma. Lisosomi: hanno origine dall’apparato del Golgi, contengono enzimi digestivi (idrolasi), operano idrolisi di varie macromolecole fondendosi con i fagosomi (autofagia). Le macro molecole entrano nel lisosoma tramite fagocitosi, il fagosoma si fonde con un lisosoma primario, dando origine al lisosoma secondario che si sposta verso la membrana plasmatica e rilascia all’esterno il contenuto indigerito. Fagosomi: vescicole a contenuto di provenienza esterna alla cellula internalizzato per fagocitosi Mitocondri: organelli a doppia membrana, la membrana più esterna presenta larghi pori e può essere attraversata dalla maggior parte delle sostanze, mentre la membrana interna separa i processi biochimici che avvengono nel mitocondrio dal citosol circostante. La membrana interna presenta ripiegamenti detti creste mitocondriali (dove avviene la produzione di ATP) mentre la regione racchiusa da essa è la matrice mitocondriale, dove avviene il ciclo di Krebs (teoria dell’endosimbiosi). Negli eucarioti la demolizione del “carburante” metabolico inizia nel citoplasma e continua nei mitocondri, contengono anche DNA, ribosomi e proteine. Nella respirazione cellulare, nei mitocondri viene ricavata ATP da combustibile o comburente. Plastidi → Cloroplasti: organuli in cui avviene la fotosintesi clorofilliana, differiscono per forma e dimensioni, la conversione di energia nella fotosintesi avviene su un sistema di cisterne (tilacoidi) impilati in grana, sospesi nello stroma che è sede della sintesi di carboidrati. I plastidi comprendono anche cromoplasti (tilacoidi interni, pigmenti idrofobici) e leucoplasti (o amiloplasti, accumulo di amidi) Perossisomi: organuli in cui avviene la detossificazione dei perossidi tossici come acqua ossigenata, hanno singola membrana, contengono enzimi specializzati e convertono lipidi in zuccheri. Strutturalmente simili ma solo vegetali → gliossisomi Vacuoli: organuli contenenti acqua e soluti, possono essere digestivi nei protisti e poriferi o contrattili in protisti d’acqua dolce (eliminano l’eccesso d'acqua). Accumulano sostanze tossiche o di rifiuto, mantengono il turgore della cellula, hanno ruolo indiretto nella riproduzione (contengono pigmenti) e hanno anche funzione digestiva di polimeri (germinazione del seme) Citoscheletro → microfilamenti, filamenti intermedi e microtubuli; sostiene la cellula e ne mantiene la forma, controlla posizioni e movimenti degli organuli, è coinvolto nel flusso citoplasmatico, interagisce con le strutture extracellulari. Microfilamenti: costituiti da catene filamentose di actina, sono responsabili della variazione di forma della cellula e ne determinano i movimenti. Costituiscono lo scheletro assale, nelle cellule muscolari i filamenti di actina sono associati alla miosina, che ha funzione motrice. Hanno una proprietà definita instabilità dinamica, grazie alla quale le porzioni dei filamenti possono essere costruite o disassemblate con grande rapidità. Filamenti intermedi: costituiti da proteine fibrose organizzate a formare spesse strutture intrecciate che contribuiscono a mantenere la forma, resistono alla tensione e partecipano all’adesione tra cellule epiteliali, mentre alcuni costituiscono la lamina nucleare. Hanno una sequenza primaria simile alle cheratine. Microtubuli: sono lunghi cilindri cavi costituiti da molecole di tubulina, composta a sua volta da due subunità, l’alfa-tubulina e la beta-tubulina (13 catene circondano la cavità del microtubulo). Possono essere allungati o accorciati secondo necessità, strutture molto dinamiche. Formano uno scheletro rigido, guidano la separazione dei cromosomi, sono costituenti di ciglia e flagelli, fanno da “binario” per le proteine motore e per la sintesi di cellulosa Ciglia e flagelli: il loro movimento è provocato dallo scorrimento dei microtubuli gli uni rispetto agli altri, questo scorrimento è assicurato dal movimento della proteina motore dineina; la chinesina invece sposta vescicole lungo i microtubuli → tutte le proteine motore funzionano cambiando reversibilmente conformazione a spese di energia (ATP). Sono costituiti da nove coppie di microtubuli fusi che circondano un’unica coppia di microtubuli non fusi. Strutture extracellulari: Parete dei vegetali: è presente anche in alcuni funghi e protisti, la componente fibrosa è costituita da cellulosa, mentre la matrice gelatinosa contiene polisaccaridi e proteine. Fornisce sostegno alla cellula, funge da barriera e contribuisce alla morfologia generale della pianta. È sempre esterna alla membrana cellulare ed è attraversata da plasmodesmi, ponti citoplasmatici in cui passano acqua, ioni, piccole molecole, RNA e proteine. (le cellule animali ne sono prive) Matrice extracellulare: è costituita da proteine fibrose (collagene), mentre lo strato gelatinoso è costituito da proteoglicani. Funzioni: adesione tra cellule nei tessuti, filtrazione di materiali, conferisce proprietà fisiche di epiteli, cartilagine, organi e tessuti, scambio di segnali chimici tra cellule, facilitazione dello spostamento cellulare durante lo sviluppo embrionale e la riparazione dei tessuti. La lamina basale è una matrice extracellulare sopra cui sono distribuite le cellule epiteliali Giunzioni cellulari: vedi sotto Capitolo 5: le membrane cellulari Modello a mosaico fluido, costituito da lipidi, proteine e carboidrati. I carboidrati possono essere legati alla superficie esterna delle proteine o dei lipidi. Lipidi: sono le molecole più rappresentate della membrana, sono per la maggior parte fosfolipidi e sono molecole anfipatiche (doppia affinità), le membrane tendono a fondersi e se c’è una falla viene ricostituita. La disposizione è stabile, flessibile, fluida e controlla il passaggio delle molecole (doppio strato). I lipidi possono differire per lunghezza delle code idrofobe (% C dell’acido grasso), grado di instaurazione, struttura della testa polare e presenza di steroli (fino al 25%). Più è lunga e satura la coda, più è rigida. Solitamente 16-18 atomi di C Fluidità influenzata dalla composizione, acidi grassi insaturi= aumento di fluidità, molecole apolari la riducono; con il diminuire della temperatura diminuisce la fluidità. Proteine: in media si ha 1 proteina/ 25 lipidi, hanno regioni idrofile (interagiscono con l’H2O o con le dei fosfolipidi) e idrofobe (interagiscono con le code), sono legate alla presenza di specifiche catene laterali negli aa che lo compongono, le interazioni sono generalmente non covalenti. Le proteine periferiche sono prive di gruppi idrofobici e non sono inserite nel doppio strato, mentre quelle integrali sono almeno parzialmente inserite nel doppio strato, una proteina integrale che si espande fino a sporgere su entrambe le facce è detta proteina transmembrana. Sono distribuite in modo asimmetrico, ci sono proteine di membrana - Intrinseche: hanno dei domini transmembrana molto idrofobici, a struttura secondaria alfa-elica - Estrinseche: interagiscono con la superficie polare del doppio strato e con le porzioni extra-membranarie di proteine intrinseche Le proteine sono libere di spostarsi, ma spesso si formano degli aggregati poco mobili, queste “zone differenziali” possono essere legate a zattere lipidiche (lipid rafts) o a conformazioni particolari del citoscheletro → servono a migliorare l’efficienza, struttura stabile ancorata alla membrana Carboidrati: presenti sul plasmalemma, sono siti di riconoscimento, possono essere glicoproteine o glicolipidi, sono oligosaccaridi. Riconoscimento intercellulare: richiede interazione tra determinanti di membrana (glicoproteine), determinano forma e dimensione degli organi, il legame di solito è omotipico (cellule uguali che si riconoscono), ma può essere anche eterotipico (tra gameti) Adesione tra cellule: avviene tramite sistemi giunzionali specializzati - Giunzioni occludenti (tight junctions), legami tra fasci di proteine, separano la porzione apicale del plasmalemma dalla basolaterale, sigillano i tessuti e non permettono passaggio (epiteli) - Giunzioni aderenti (desmosomi e emidesmosomi), ancorano solidamente le cellule lasciando un interstizio e dando stabilità meccanica agli epiteli, - Giunzioni comunicanti (gap junctions), facilitano la comunicazione, stabiliscono canali e hanno un ruolo simile ai plasmodesmi vegetali Trasporto tra cellule: Diffusione: processo basato su movimenti casuali, conduce verso uno stato di equilibrio in cui non è più visibile un movimento netto, avrò concentrazione uguale, è quindi il movimento netto di una sostanza dalle regioni a maggior concentrazione a quelle a minore concentrazione (passiva). Dipende dalla temperatura, dal diametro e dal gradiente, i soluti si distribuiscono in modo uniforme e indipendentemente gli uni dagli altri. Su piccole distanze avviene molto velocemente, mentre al crescere delle distanze i tempi si dilatano enormemente. Diffusione tra le membrane: Se la membrana è permeabile ed esiste un gradiente la diffusione avviene liberamente Se la membrana è impermeabile l’equilibrio non si raggiunge Trasporto passivo: molecola verso il gradiente di concentrazione, non necessita di energia dall’esterno, basta quella della sostanza. Diffusione semplice attraverso il doppio strato lipidico, influenzata dalla taglia e dalla polarità, molecole piccole e apolari diffondono (O2-CO2); molecole polari o cariche anche se piccole non passano perché interagiscono con il solvente acquoso Diffusione facilitata: Canali ionici: ad accesso regolato, tramite uno stimolo che consiste in un segnale chimico o ligando (canali ionici ligando-dipendenti), oppure esistono i canali ionici voltaggio-dipendenti che sono stimolati da un cambiamento della differenza di carica elettrica tra i due lati della membrana. Acquaporine: sono canali che consentono il passaggio di notevoli quantità d’acqua in accordo con ingredienti di concentrazione Proteine di trasporto, carrier: trasportano le molecole polari, come zuccheri e aminoacidi, il legame di queste molecole provoca un cambiamento di conformazione della proteina e il rilascio di glucosio sull’altro lato della membrana, è sempre presente un forte gradiente di concentrazione che ne favorisce l’ingresso. Trasporto attivo: molecola contro gradiente, necessita di energia ed è direzionale, ovvero una sostanza viene trasportata verso l’interno o verso l’esterno. Trasporto attivo primario: implica l’idrolisi diretta dell’ATP, viene sfruttata la pompa sodio-potassio che pompa gli ioni Na+ (3) verso l’esterno e gli ioni K+ (2) verso l’interno, la sua azione causa la conversione di una molecola di ATP in ADP. Trasporto attivo secondario: effettuato da un’unica proteina che veicola attraverso la membrana lo ione e la sostanza soggetta al trasporto attivo, in alcuni casi lo ione e la sostanza trasportata si muovono in direzione opposte mentre in altri si muovono nella stessa direzione. Osmosi: rappresenta un movimento passivo di acqua attraverso le membrane, è funzione del numero di molecole di soluto presenti in soluzione, l’acqua diffonde verso il compartimento in cui il soluto è più concentrato per raggiungere un equilibrio. Le cellule dotate di parete (vegetali, funghi, batteri, archaea e alcuni protisti) assumono una quantità limitata di acqua anche in soluzione ipotonica, in rigonfiamento la cellula esercita pressione e per questo impedisce l’entrata di acqua. Pressione di turgore → regola l’accrescimento delle cellule vegetali, determina lo sviluppo in direzione verticale delle piante, è una componente essenziale della crescita Pressione osmotica: è di segno contrario, ovvero la pressione minima da applicare a una soluzione per impedire al solvente di diffondersi attraverso la membrana Endocitosi: - Fagicitosi: una parte della membrana plasmatica circonda una particella o una cellula, alcuni la usano per nutrirsi, altri per eliminare corpi estranei inglobandoli. - Pinocitosi: si formano vescicole più piccole che inglobano liquidi - Endocitosi mediata da recettore: molecole disposte sulla superficie della cellula, in regioni definite fossette rivestite, riconoscono specifici materiali e ne innescano l'assorbimento. Tramite questo processo solitamente viene assunto il colesterolo In tutti i tipi la membrana genera un invaginazione, ovvero forma una tasca intorno ad una massa di materiali e si origina una vescicola, che poi si separa dalla membrana e migra verso l’interno della cellula Esocitosi: la membrana delle vescicole si fonde con la membrana plasmatica, si forma un'apertura verso l’esterno della cellula, da cui fuoriescono i materiali e poi la membrana della vescicola viene nuovamente incorporata nella membrana plasmatica. Capitolo 6: energia, enzimi e metabolismo Metabolismo: attività chimica complessiva di un organo vivente, gli esecutori sono gli enzimi, il lavoro chimico ha bisogno di energia Energia e sue trasformazioni: l’energia non si crea né si distrugge, è definibile come capacità di produrre cambiamento, non è mai “fabbricata” da cellule ma proviene dall’ambiente. Energia cinetica: modifica lo stato di moto della materia (calore, luce, elettrica, meccanica) Energia potenziale: associata con la posizione, non sta compiendo lavoro ma può farlo trasformandosi in energia cinetica (nei legami chimici o gradienti di concentrazione) Reazioni anaboliche: portano alla formazione di legami, alla sintesi di molecole complesse, richiedono energia, per questo sono endoergoniche o endotermiche Reazioni cataboliche: portano alla degradazione di molecole complesse in molecole più semplici e al rilascio di energia, per questo sono esoergoniche o esotermiche Sono spesso accoppiate per sfruttare l’energia I legge termodinamica: l’energia può essere trasformata da una forma all’altra, ma non creata né distrutta → la quantità di energia totale del sistema è uguale a quella totale dopo la trasformazione II legge: nelle trasformazioni di energia da una forma all’altra l’energia libera cala, dopo la trasformazione una parte dell’energia si disperde → energia libera= disponibile a compiere un lavoro; energia inutilizzabile= dispersa sottoforma di disordine → aumenta l’entropia Nessun processo o reazione chimica è efficiente al 100% Sistemi biologici: - Energia totale= entalpia - Energia utilizzabile= energia libera di Gibbs → G= H - TS - Energia inutilizzabile= entropia x temperatura assoluta Posso definire le variazioni di queste variabili, a temperatura costante ΔG0 energia libera assorbita (endoergonica), in una reazione la sua inversa avrà valore assoluto uguale ma con segno opposto ΔH: quantità totale di energia che viene aggiunta (ΔH>0) o liberata (ΔH0 reazione catabolica (idrolisi); ΔS0 Principio di reazione di massa: se si aumenta [A] la reazione sarà spinta verso i prodotti, viceversa a sinistra se aumenta [B] → si arriva all’equilibrio Quanto più elevato e negativo è il valore di ΔG di una reazione, tanto più questa tenderà a procedere a termine e non sarà favorita la reazione inversa Se ΔG=0 la reazione è facilmente reversibile ATP: accoppia reazioni endoergoniche a esoergoniche nelle cellule viventi, viene definita come moneta di scambio di tutte le cellule, quando i gruppi fosfato vengono idrolizzati si rende disponibile una grande quantità di energia e si forma una molecola più stabile. Inoltre può cedere gruppi fosfato ad altre molecole, ovvero le può fosforilare. 10000 cicli al giorno ATP + H2O → ADP + P + energia libera Il processo di sintesi e idrolisi di ATP è un ciclo di accoppiamento energetico, l’energia proviene dalla respirazione cellulare, dalla fotosintesi e da reazioni cataboliche. L’energia dall’idrolisi viene utilizzata per reazioni anaboliche (trasporto attivo, movimenti cellulari) Reazione esoergonica dell’idrolisi dell’ATP libera energia che passa ad una reazione endoergonica che richiede energia per avvenire. Enzimi: sono catalizzatori che hanno il compito di accelerare le reazioni senza essere modificati permanentemente nel corso delle reazioni stesse. Ciò che rallenta la velocità delle reazioni esoergoniche è la presenza di una barriera energetica, l’energia di attivazione. Energia di attivazione: energia necessaria per far sì che i reagenti si trasformino in molecole instabili, è spesso un valore piccolo rispetto al ΔG complessivo. Questa energia proviene dai catalizzatori. I catalizzatori biologici sono sempre molto specifici per il loro substrato, il legame avviene nel sito attivo dell’ enzima a formare il complesso enzima-substrato. E + S → ES → EP Il complesso ES è stabilizzato da interazioni e legami non covalenti e procede a formare prodotti ripristinando l’enzima. Il ruolo dei catalizzatori è quello di abbassare l’energia di attivazione e modifica solamente la velocità di reazione, in presenza di enzimi adatti si raggiunge molto più velocemente l’equilibrio. Come abbassano l’energia gli enzimi? → Orientano le molecole di substrato in modo che possano reagire, inducono tensione (deformano) sulle molecole di substrato (stato instabile), forniscono temporaneamente gruppi chimici (catalisi acido-base, da ioni metallici), il legame covalente viene destabilizzato e ciò ne consente la rottura Qual è la caratteristica del sito attivo che gli permette di riconoscere specificamente il substrato? Il legame del substrato nel sito attivo dipende dal tipo di forze che stabilizzano la struttura terziaria di un enzima: legami H, forze di Van der Waals… Modello chiave/serratura di Fischer universalmente accettato Il legame con il substrato può indurre un cambiamento di forma dell’enzima → adattamento indotto, può essere osservato nell’ enzima esocinasi. La proteina che non partecipa direttamente al legame fornisce un impalcatura, permettendo il corretto posizionamento delle catene laterali degli amminoacidi, partecipa ai cambiamenti di forma e struttura della proteina e fornisce siti di legame per molecole regolatrici. Per essere attivi alcuni enzimi richiedono la presenza di altre molecole: 1. Cofattori: ioni inorganici legati in maniera non covalente all’ enzima, ferro (ossidazione/riduzione), rame (ossidazione/riduzione), zinco (facilitazione legame con NAD) 2. Coenzimi: molecole organiche legate non covalentemente, si modificano nel corso della reazione, biotina, coenzima A, NAD, FAD, ATP 3. Gruppi prostetici: molecole organiche legate covalentemente, proteina coniugata, esempi gruppo eme, flavina, retinale La velocità massima di reazione è indicativa dall’efficienza dell’enzima (numero di turnover) ed è proporzionale alla concentrazione Metabolismo e regolazione dell’attività enzimatica: Il metabolismo è organizzato in vie metaboliche= sequenze di reazioni catalizzate da enzimi e organizzate in modo che il prodotto di una sia il substrato della successiva. Le vie possono essere anaboliche, cataboliche, di detossificazione… La cellula regola l’equilibrio tra tutte le vie, regolando anche gli enzimi, può regolare anche la presenza, assenza e abbondanza delle proteine enzimatiche, agendo tramite traduzione e trascrizione. Ma la presenza dell’enzima non significa che sia attivo, possono essere inibiti: - Inibizione irreversibile: ad opera di inibitori che si legano alle catene laterali di amminoacidi nel sito attivo, bloccando il legame con il substrato (acido acetilsalicilico). Largo utilizzo in agricoltura, mentre non è comune nelle cellule - Inibizione reversibile: inibitori competitivi= simili ma non uguali al substrato, possono legarsi reversibilmente ma non subiscono catalisi, riducendo la concentrazione dell’inibitore o aumentando la concentrazione del substrato la catalisi può riprendere (es. succitato deidrogenasi); inibitori non competitivi= dissimili dal substrato, possono legarsi reversibilmente in un punto dell’enzima diverso dal sito attivo, provocando cambiamenti di conformazione dell’enzima incompatibili con la catalisi, aumentando la concentrazione del substrato, la velocità di catalisi non aumenta (es. treonina deidrogenasi) Gli enzimi allosterici: regolano la propria attività cambiando forma, il cambiamento indotto dall’inibitore non competitivo ne è un esempio, una forma più comune è data dalla possibilità di un enzima di presentarsi in più forme (attiva e inattiva). Il passaggio da una forma all’altra è regolato da molecole di regolatore allosterico, che si legano al sito. Possono essere modificati tramite legami covalenti o non covalenti. I regolatori allosterici funzionano in due modi: - Regolatori positivi: stabilizzano la forma attiva dell’enzima - Regolatori negativi: stabilizzano la forma negativa Spesso la regolazione allosterici è presente in proteine a struttura quaternaria in cui sono presenti subunità regolatrici legate alle subunità catalitiche. A volte si osservano effetti cooperativi, cioè il legame di regolatori ai siti allosterici e/o di substrato ai siti attivi favoriscono legami analoghi su altre subunità dello stesso enzima. Nelle vie metaboliche, spesso la prima tappa è quella limitante o regolatrice. Per “spegnere” la via si può sfruttare la retroazione allosterica negativa (inibizione a feedback) da parte del prodotto finale. Poiché la funzionalità degli enzimi dipende dalla loro struttura terziaria, tutto ciò che la influenza avrà un effetto sull’attività catalitica. pH: l’attività di un enzima è massima ad un valore di pH detto ottimale e può mantenersi in uno spettro di valori → pH7 R-NH2 , R- NH3+ Temperatura: l’attività di un enzima è massima ad un valore di T detto ottimale e può mantenersi in uno spettro di valori. All’aumento di T la velocità di reazione cresce perché una frazione sempre superiore di substrato ha energia sufficiente a superare l’Ea, oltre la T ottimale l'enzima comincia a denaturarsi. I pecilotermi hanno spesso più di un isoenzima a Topt diversa Isoenzimi: catalizzano la stessa reazione ma hanno proprietà fisiche e chimiche diverse Capitolo 7: Respirazione cellulare Caratteristiche delle vie metaboliche: Le trasformazioni complesse sono suddivise in più reazioni distinte, ogni reazione è catalizzata da uno specifico enzima, nelle cellule eucariote sono compartimentate. Demolizione del glucosio e conservazione dell’energia libera: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia Il ΔG della reazione è -686 kcal/mol, il ΔG di sintesi dei ATP è 57 kJ/mol, se ne potrebbero produrre 50, ma se ne producono solitamente 36-38 nelle migliori condizioni Glicolisi: Da inizio al metabolismo del glucosio in tutte le cellule, arriva a formare 2 molecole di acido piruvico (piruvato) per ogni glucosio. Avviene nel citosol e non utilizza ossigeno → ANAEROBIA Una piccola quantità di energia viene immagazzinata come ATP e NAD ridotto Fase di investimento energetico: 1. Da glucosio a glucosio-6-fosfato: investimento energetico, fosforilazione della molecola sul C6, idrolizzando una molecola di ATP che fornisce energia, viene catalizzata dall’enzima esocinasi che trasferisce il gruppo fosfato dall’ATP al glucosio 2. Da G6P a fruttosio-6-fosfato: l’enzima fosfoesoisomerasi converte il glucosio in fruttosio, isomerizzazione 3. Da F6P a fruttosio-1,6-bisfosfato: l’enzima fosfofruttochinasi trasferisce un gruppo fosfato da ATP a F6P generando FBP (molecola instabile), viene nuovamente utilizzata ATP 4. Da FBP a 2 C3: l’enzima aldolasi scinde il FBP in 1 molecola di diidrossiacetone fosfato (DAP), e 1 di gliceraldeide-3-fosfato 5. Da DAP a G3P: l’enzima isomerasi converte tutto il DAP in G3P Prime 5 reazioni: investimento 2 ATP, glucosio convertito in 2 zucchero fosfato e gliceraldeide Fase di produzione di energia: 6. Da G3P a 1,3-bifosfoglicerato: l’enzima triosofosfato deidrogenasi trasferisce un gruppo P su ciascuna molecola di G3P (fosforilazione a livello del substrato) e intano ossida la G3P, riducendo il NAD+ a dare NADH + H+ e BPG → ΔG