Appunti del Modulo di Biologia

Prof. Livio Luzi

Caratteristiche generali dei viventi

• Gli organismi viventi sono entità dotate di particolari strutture altamente complesse attraversate da flussi di energia e materia e in grado di auto-costruirsi, riprodursi ed evolversi

• La cellula è l’unità elementare dei viventi

Complessità specificamente definita

• Ogni essere vivente e’ estremamente complesso da molti punti di vista:– Morfologico– Composizione chimica– Struttura molecolare dei composti che lo costituiscono– FunzionamentoL’esistenza di questa complessità indica necessariamente

che nella materia vivente sia presente una grande quantità di informazione.

Capacità di accrescimento

• Aumentare la propria massa• Prelievo di sostanze dall’ambiente esterno• Trasformazione• Condizioni fisico-chimiche blande:

temperatura, pressione, pH,• Velocità di trasformazione compatibile con

la vita

Capacità di riproduzione

• Dare origine a nuovi viventi con caratteristiche molto simili se non identiche

Proprietà minime possedute dalle cellule

• Ogni cellula è circondata da una membrana che agisce come limite fisico fra la cellula e l’ambiente esterno e che permette lo scambio tra materia ed energia

• Ogni cellula ha un apparato metabolico per mezzo del quale può produrre l’energia chimica necessaria a sostenere i processi vitali

• Ogni cellula contiene un grande numero di geni (genoma) che contengono informazioni per la riproduzione

Teoria cellulare

• La cellula è l’unità di base della materia vivente• La forma più semplice è costituita da: citoplasma,

membrana plasmatica, almeno una molecola di DNA ed il corredo enzimatico

• Ogni cellula deriva dalla divisione di una cellula pre-esistente

• Divisione binaria: prima di dividersi ogni cellula deve duplicare il proprio genoma e possedere, quindi, i meccanismi adatti ad assicurare la corretta ripartizione del materiale nelle cellule figlie in modo che ciascuna riceva l’intera informazione genetica della specie

Confronto Procarioti-Eucarioti

• Batteri e archeobatteri• Da 1 a 10 µm• Anaerobico o aerobico• Scarsi organuli• DNA circolare• RNA e proteine sintetizzati

nello stesso compartimento• Manca citoscheletro, assenti

flussi citoplasmatici, endocitosi, esocitosi

• Cromosomi separati mediante collegamento con la membrana plasmatica

• Monocellulari

• Protisti, piante, funghi, animali• Da 10 a 100 µm• Aerobico• Nucleo, mitocondri …• DNA in lunghissime molecole

lineari, con molte regioni non codificanti

• RNA sintetizzato nel nucleo, proteine sintetizzate nel citoplasma

• Presente citoscheletro etc.• Cromosomi separati

dall’appareto del fuso del citoscheletro

• Pluricellulari

Teoria cellulare

• La cellula è l’unità di base della materia vivente• La forma più semplice è costituita da: citoplasma,

membrana plasmatica, almeno una molecola di DNA ed il corredo enzimatico

• Ogni cellula deriva dalla divisione di una cellula pre-esistente

• Divisione binaria: prima di dividersi ogni cellula deve duplicare il proprio genoma e possedere, quindi, i meccanismi adatti ad assicurare la corretta ripartizione del materiale nelle cellule figlie in modo che ciascuna riceva l’intera informazione genetica della specie

Confronto Procarioti-Eucarioti

• Batteri e archeobatteri• Da 1 a 10 µm• Anaerobico o aerobico• Scarsi organuli• DNA circolare• RNA e proteine sintetizzati

nello stesso compartimento• Manca citoscheletro, assenti

flussi citoplasmatici, endocitosi, esocitosi

• Cromosomi separati mediante collegamento con la membrana plasmatica

• Monocellulari

• Protisti, piante, funghi, animali• Da 10 a 100 µm• Aerobico• Nucleo, mitocondri …• DNA in lunghissime molecole

lineari, con molte regioni non codificanti

• RNA sintetizzato nel nucleo, proteine sintetizzate nel citoplasma

• Presente citoscheletro etc.• Cromosomi separati

dall’appareto del fuso del citoscheletro

• Pluricellulari

Nucleo

• Funzione: - contiene l’informazione genetica della cellula

• Cromatina, nucleoplasma, lamina nucleare• Involucro nucleare, pori nucleari• Cromosomi

Mitocondri

• Funzione: - organuli coinvolti nelle trasformazioni energetiche (sintesi di ATP)

• Membrana interna, creste, matrice mitocondriale

• Membrana esterna• Origine endosimbiontica

Reticolo endoplasmatico e apparato di Golgi

• Funzione: - sintesi proteica (RER) e sintesi lipidica (SER)

• Reticolo endoplasmatico rugoso, ribosomi, sintesi proteica

• Reticolo endoplasmatico liscio• Apparato di Golgi

- dittiosomi, regione cis, trans, secrezione proteica

Lisosomi

• Funzione: - contengono enzimi digestivi e degradano proteine, acidi nucleici e lipidi.

• Fagosoma, lisosoma secondario• Perossisomi, producono e degradano H2O2

Citoscheletro

• Funzione: - mantiene costante la forma cellulare, contribuisce ai movimenti cellulari

• Microfilamenti, filamento intermedio, microtubulo

Struttura e proprietà delle membrane

• Modello a mosaico fluido• Strato bimolecolare di fosfolipidi e proteine specifiche• Diversi tipi di fosfolipidi; diversi tipi di proteine• Fosfolipidi: PC, PE, PS, SM• Proteine: periferiche e integrali (parti idrofobiche)• Ogni strato ha 2 facce: una citoplasmatica e una esterna• Le 2 facce sono diverse per composizione• Proteine periferiche: interagiscono con i fosfolipidi e sporgono da una sola delle

2 facce• Proteine integrali: si trovano immerse nel doppio strato e sporgono da entrambi i

lati della membrana

Fluidità

• Una membrana biologica NON è una struttura rigida e immobile: sia le molecole proteiche che le molecole lipidiche sono in continuo movimentoQuesto movimento è detto diffusione lateraleLa fluidità dipende da:

• n° atomi di carbonio degli acidi grassi (lunghezza della catena)

• n° dei doppi legami degli acidi grassi• n° di molecole di colesterolo

Asimmetria

• La membrana plasmatica è esposta con la faccia esterna verso l’ambiente circostante e con la faccia interna verso il citoplasma.

• Le due facce sono diverse per composizione e struttura:- la fluidità può risultare dissimile tra i due lati della

membrana- La disparità di carica può comportare un diverso

potenziale eletrico

Le giunzioni nelle cellule animali

• Giunzioni occludenti• Desmosomi• Giunzioni serrate (“gap junctions”)

Funzioni della membrana plasmatica

• Passaggio di molecole di acqua• Trasporto selettivo di molecole• Ricezione di messaggi• Espressione dell’identità cellulare• Connessione fisica con altre cellule

Sistemi di trasporto attraverso la membrana cellulare

• Trasporto passivo• Trasporto facilitato• Trasporto attivo• Endocitosi-esocitosi

Ulteriori funzioni delle membrane

• Endocitosi mediata da recettori• Funzioni di “riconoscimento”• La trasduzione del segnale mediante

proteine

DNA-RNA-Proteine

• DNA–Nucleare–Mitocondriale

• RNA–Messaggero–Ribosomiale–di trasporto

• Proteine

DNA

• La molecola di acido deossiribonucleico o DNA è un polimero lineare a doppia elica composto di 4 subunità molecolari chiamate nucleotidi

• Ogni nucleotide comprende un gruppo fosfato, uno zucchero (deossiribosio) ed una di 4 basi azotate: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T)

• Le due eliche sono tenute assieme da legami idrogeno deboli tra basi complementari

• L’accoppiamento delle basi occorre secondo la regola: G-C, A-T

Replicazione del DNA

• La elica del DNA che è copiata per formare una nuova elica viene chiamata stampo

• Nella replicazione di un DNA a doppia elica sono copiate entrambe le eliche originali (parentali).

• Finita la copiatura, entrambi le nuove doppie eliche (consistente ciascuna nell’elica originale più la sua copia) si separano l’una dall’altra(replicazione semi-conservativa)

Il codice genetico

• DNA: sequenza di 4 nucleotidi differenti• Proteina: sequenza di 20 amino-acidi

differenti• La corrispondenza tra l’alfabeto a 4 lettere

del DNA e quello a 20 lettere delleproteine è specificata dal codice genetico, che correla triplette di nucleotidi, dettecodoni, a specifici aminoacidi.

RNA

• RNA, o acido ribonucleico è simile al DNA ma-- RNA è a singolo filamento-- lo zucchero è ribosio invece di deossiribosio-- uracile (U) è presente al posto della timina

• RNA è importante per la sintesi proteica ed altre attività cellulari

• Esistono diversi tipi di RNA, tra cui RNA messaggero (mRNA), RNA di trasporto (tRNA), RNA ribosomiale (rRNA).

Proprietà delle proteine

• Le proteine hanno funzioni biologiche diverse:– ENZIMI: catalisi enzimatica– PROTEINE di TRASPORTO: emoglobina,

mioglobina, lipoproteine, transferrina…– PROTEINE di RISERVA: ferritina, caseina…– PROTEINE CONTRATTILI: actina, miosina…– PROTEINE STRUTTURALI: collagene, cheratina– PROTEINE DI DIFESA: anticorpi…– PROTEINE REGOLATRICI: ormoni, proteine G…Tutte queste proteine con le loro proprietà e funzioni

diverse sono costruite a partire dallo stesso gruppo di 20 aminoacidi.

Reazioni chimiche endocellulari

• Le reazioni esoergoniche rilasciano energia libera

• Le reazioni endoergoniche richiedono energia libera

• L’ATP è una molecola ricca di energia che trasferisce l’energia nelle cellule accoppiando le reazioni esoergoniche con quelle endoergoniche

ATP

• Adenina• Ribosio

– Adenosina– 1 gruppo fosfato AMP– 2 gruppi fosfato ADP– 3 gruppi fosfato ATP

Reazioni di ossido-riduzione

• Sono reazioni chimiche che trasferiscono elettroni ed energia

• NAD+ ; NADH + H+

• FAD; FADH2

La liberazione di energia dal glucosio

• Glicolisi• Ossidazione del piruvato• Ciclo dell’acido citrico• Catena respiratoria

(2) RQ = VCO2 ÷ VO2

(1) REEcorrela direttamente con VO2

Calorimetria indiretta

RQ = VCO2 ÷ VO2

Un RQ vicino a 0.8 indica una prevalente ossidazione lipidica

Un RQ vicino ad 1 indica una prevalente ossidazione di carboidrati