Biologia applicata

 

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  • Corso Di Scienze Biomediche

    Biologia Applicata

     

    Docente: Chiarella Bozzo

     

     

     

    -- Organismi Viventi --

     

    L’unità base degli organismi viventi  è la cellula la quale si origina dalla divisione di una preesistente. Ogni cellula è delimitata dall’ambiente circostante da una membrana plasmatica con funzione di regolazione del passaggio del materiale tra i due ambienti.

     

    Un organismo per essere definito vivente deve soddisfare i seguenti requisiti:

    • Crescita consiste in un aumento delle dimensioni e del numero delle singole cellule che lo compongono;
    • Metabolismo ovvero l’insieme di reazioni chimiche e trasformazioni energetiche atte a mantenere l’omeostasi, uno stato di equilibrio interno. Tale equilibrio viene mantenuto grazie ad un insieme di componenti interni in grado di coordinarsi sulla produzione di sostanze. 
    • Rispondere agli stimoli un organismo vivente deve essere in grado di rispondere a stimoli fisici e chimici dell’ambiente interno o esterno. La risposta a tali stimoli determina il movimento.
    • Riproduzione Ovvero la capacità di generare una prole. Vi sono due tipi di riproduzione, quella asessuata tipica degli organismi semplici in cui vi è la copia del materiale genetico e la successiva divisione cellulare. In questo modo i due individui originati saranno identici tra di loro, a meno che non sussista una mutazione. Altro metodo è quello della riproduzione sessuata che avviene tramite cellule specializzate, (uova e spermatozoo), che unendosi daranno origine ad un nuovo individuo con un corredo cromosomico personale ottenuto in parte dal padre e in parte dalla madre.
    • Adattamento ed Evoluzione tale processo migliora le capacità di un individuo di sopravvivere in particolari ambienti. Può esprimersi sotto forma di cambiamenti fisici, comportamentali o una combinazione di entrambi.

     

     

    -- Organizzazione Biologica --

     

    Nell’organizzazione biologica ad ogni livello è costituito da proprietà emergenti, ovvero caratteristiche non presenti nei livelli inferiori. Si può quindi analizzare l’individuo come un’insieme di strutture che accorpandosi danno origine ad organismi pluricellulari.

    L’insieme di atomi danno origine alle molecole (proteine, zuccheri, lipidi, acidi nucleici).

    L’insieme di queste 4 macromolecole organiche generano la cellula.

    Più cellule generano un tessuto;

    più tessuti generano un  organo;

    più organi generano un sistema che concorre nelle realizzare le principali funzioni biologiche;

    più sistemi generano un individuo;

    più individui generano una popolazione;

    più popolazioni generano una comunità;

    più comunità danno origine ad un ecosistema;

    più ecosistemi generano la biosfera.

     

    Gli alimenti ingeriti vengono scissi nelle 4 molecole fondamentali utili per far avvenire i vari processi metabolici di ogni cellula. Per esempio il glucosio viene utilizzato nelle varie attività metaboliche in cui si richiede energia.

     

     

    -- Trasmissione dell’informazione --

     

    L’informazione genetica viene trasmessa nell’arco delle generazioni grazie al DNA, ovvero una grande molecola contenuta in tutte le cellule del nostro corpo, che rappresenta la raccolta completa dei nostri geni.

    I geni rappresentano il sito in cui sono racchiuse le informazioni sui nostri caratteri e permettono all’organismo di crescere, svilupparsi e funzionare in modo corretto.

    Le proteine sono grosse molecole che vengono espresse tramite i geni con la finalità di determinare la struttura e le funzioni della cellula. Tali proteine posso svolgere diversi compito come quello di gestire la comunicazione tra cellule o di interfacciare l’ambiente esterno con citosol. Altre presenti sulla membrana svolgono una funzione di marcatori o di recettori.

    Gli ormoni sono messaggeri chimici in grado di portare un’informazione da una cellula all’altra all’interno di un organismo. In genere l’ormone induce la cellula a secernere una proteina o altre sostanze.

     

     

    -- Energia della vita --

     

    Tutte le attività di una cellula richiedono energia, parte di essa viene dispersa nell’ambiente sotto forma di calore. Grazie agli alimenti integriamo “carburante” per le nostre attività metaboliche come ad esempio la respirazione cellulare o la sintesi di nuovi composti cellulari.

     

    Per funzionare un ecosistema deve essere costituito da tre entità principali che dipendono l’uno dall’altro:

    Produttori o autotrofi sono piante o batteri in grado di produrre il loro cibo da materiale semplice sfruttando la luce solare tramite il processo di fotosintesi.  L’energia viene immagazzinata nei legami chimici.

    Consumatori o eterotrofi sono organismi che dipendono dai produttori, ricavano l’energia degradando gli zuccheri e altre molecole prodotte durante la fotosintesi. La rottura dei legami chimici rilascia l’energia.

    Decompositori funghi e batteri che ottengono l’energia degradando i materiali organici non viventi permettendone così il riutilizzo da parte dei produttori.

     

    Nota: La respirazione cellulare avviene sia negli organismi autotrofi che in quelli eterotrofi.

     

     

     

    -- Chimica Organica --

     

    La chimica degli organismi è basata su 4 elementi, ovvero sostanze che non possono essere scisse in parti più semplici. Tali elementi sono ossigeno, carbonio, idrogeno ed azoto e costituisco la maggior parte di un essere vivente. Altri elementi quali calcio, fosforo, potassio e magnesio sono presenti in minor quantità.

    L’atomo rappresenta la parte più piccola che costituisce un elemento e mantiene tutte le proprietà chimiche dell’elemento.

    Elettrone è una particella che possiede una carica negativa;

    Protone è una particella che possiede una carica positiva;

    Neutrone è una particella priva di carica;

    In un atomo elettricamente neutro il numero di elettroni coincide con quello dei protoni.

    Il Nucleo Atomico è costituito dall’insieme di neutroni e protoni.

    Numero di Massa (A) rappresenta la somma dei neutroni e dei protoni presenti nel nucleo, si indica in alto a sinistra del simbolo chimico ed è espresso in Uma.

    Numero Atomico (Z) rappresenta il numero di protoni presenti nel nucleo si esprime in basso a sinistra del simbolo chimico.

    Tutti gli elementi sono ordinati in base al numero atomico nella tavola periodica.

     

    146C     Il 14 rappresenta il numero massa (Protoni + Neutroni)

     Il 6 rappresenta il numero atomico (Protoni)

     

    Gli Isotopi sono atomi con dello stesso elemento con un numero di neutroni diverso.

    Due o più atomi si possono combinare tra di loro dando origine ad un composto chimico come ad esempio l’acqua. Nella loro fusione gli atomi danno origine a delle molecole. Ogni molecola ha una suo massa molecolare che si esprime come la somma delle masse atomiche di ogni elemento che la costituisce.

    La mole è la quantità di composto espressa in grammi, e il suo valore è uguale a quello della massa atomica o molecolare.

     

    “Una mole di ciascuna sostanza contiene sempre esattamente lo stesso numero di unità”

    Tale frase esplicita il significato di Numero di Avogadro che è pari ad 6,02 x 1023  Tale valore ci permette di paragonare tra di loro atomi o molecole di massa diversa, questo perchè facciamo riferimento alla mole la quale contiene sempre lo stesso numero di unità qualsiasi sia l’elemento.ù

     

    Ione è così definita una particella con una o più cariche elettriche. Si avranno quindi ioni con più elettroni anioni (carica negativa) e ioni con più protoni cationi (carica positiva)

     

    Analisi dei principali elementi presenti nelle macromolecole

     

    Ossigeno (O)

    Presente in grande percentuale nel nostro corpo, (circa 75%), è utile durante la respirazione cellulare è presente in tutte le 4 macromolecole.

     

    Carbonio (C)

    Compone lo scheletro delle 4 molecole organiche (proteine, zuccheri, lipidi, acidi nucleici)

     

    Idrogeno (H)

    Presente in tutti i composti organici, componente dell’acqua, il suo ione H+ è coinvolto nei trasferimenti d’energia

     

    Azoto (N)

    Presente nelle proteine e negli acidi nucleici

     

    Calcio (Ca)

    Ione bivalente presente nelle ossa e nei denti, necessario per l’esecuzione della contrazione muscolare, della trasmissione dell’impulso nervoso e per la coagulazione del sangue.

     

    Fosforo (P)

    Componente dei fosfolipidi di membrana e degli acidi nucleici, rappresenta l’unità strutturale delle ossa, con importante funzione di trasferimento dell’energia.

     

    Potassio (K)

    Ione importante nella conduzione dello stimolo nervoso e nella contrazione muscolare.

     

    Zolfo (S)

    Componente presente nella maggior parte delle proteine

     

    Sodio (Na)

    Insieme al potassio rappresentano 2 importanti cationi presenti nelle cellule, con il compito di mantenere costante l’omeostasi dei liquidi (pompa sodio-potassio). Il sodio risulta più concentrato all’esterno della cellula, mentre il potassio è più concentrato al suo interno. Tale elemento è multo utile anche per la conduzione dell’impulso nervoso e per la fotosintesi.

     

    Magnesio (Ma)

    Componente presente nel sangue con funzione di attivatore enzimatico.

     

    Cloro (Cl)

    Anione presente nel sangue

     

     

    Ferro (Fe)

    Necessario per certe proteine e componente fondamentale dell’emoglobina

     

    Iodio (I)

    Elemento utile al funzionamento della tiroide, in quanto presente negli ormoni tiroidei.

     

    Per unirsi tra di loro due o più atomi si servono dei legami chimici

    Ogni legame rappresenta una certa quantità di energia chimica potenziale, che può essere liberata dalla rottura di tale legame tramite l’energia di legame.

    Si distinguono diversi tipi di legami basati sull’elettronegatività degli atomi che si devono unire.

    L’elettronegatività rappresenta la misura dell’attrazione degli elettroni dell’atomo da uire.

     

    Legame Covalente è un particolare tipo di legame che si crea tra due o più atomi con identica

    elettronegatività, in tal caso il legame covalente prende il nome di apolare. In caso contrario prende il nome di polare.

     

    Legame Ionico si forma quando un catione si lega con un anione, mettendo così in contatto elettroni di carica opposta.

     

    Legami ad idrogeno si verificano tra una parziale carica negativa di idrogeno e una carica parzialmente positiva di Ossigeno o Azoto. Questo tipo di legame si verifica tra le molecole d’acqua che però essendo poco stabile si rompe in continuazione, ecco il perchè della fluidità di questo liquido. Grazie a questo tipo di legame è possibili avere più stati di aggregazione dell’acqua (solido, liquido, gassoso).

     

    L’acqua costituisce la maggior parte degli organismi ed è la fonte della vita.

    Se si analizza questo elemento si nota che è un importante solventein quanto è in grado di sciogliere molte sostanze polari o ioniche grazie alla sua polarità, acquista così la caratteristica di elemento bipolare. Si definisce quindi soluto una qualunque sostanza disciolta in un solvente. Nel caso dell’acqua ogni particella del soluto viene circondata dalle molecole di acqua con carica opposta. Questo processo prende il nome di idratazione. Le sostanze che interagiscono con essa sono dette idrofile come lo zucchero o il sale. Mentre quelle che non interagiscono sono dette idrofobe. Una caratteristica da sottolineare dell’acqua è la sua tensione superficiale dovuta alla coesività delle sue molecole. La possiamo trovare in tre forme diverse che differiscono la solidità dei legami ad idrogeno che si vengono a formare. L’aumento di temperatura di una sostanza comporta l’aumento dell’energia cinetica (energia di movimento).

    Stato Solido togliendo calore i legami ad idrogeno diventano più fissi occupando delle posizioni precise e aumentando lo spazio tra le molecole, creando così un volume maggiore quando l’acqua ghiaccia.

    Stato Liquido vi è una continua rottura dei legami.

    Stato Gassoso tramite un aumento del calore si ha la rottura dei legami causato da un consecutivo aumento dell’energia cinetica.

    Calore di evaporazione rappresenta la quantità di energia termica necessaria per far passare 1 gr di un qualsiasi sostanza dallo stato liquido a quello gassoso, la sua unità di misura è la caloria.

    Calore Specifico rappresenta la capacità di un liquido di acquisire calore e cederlo col tempo. L’acqua ha un alto calore specifico, ovvero si scalda lentamente e rilascia il calore altrettanto lentamente. Questa caratteristica, dovuta ai legami ad idrogeno, fa si che vicino alle zone acquose vi sia un clima mitigato. La massima densità dell’acqua la si ha alla temperatura di 4° C quando è liquida, questa caratteristica fa si che il ghiaccio galleggi perchè ha una densità minore rispetto all’acqua nello stato liquido.

     

    Misurazione del grado di acidità di una sostanza

    Il pH viene utilizzato per misurare l’acidità / basicità di una soluzione. Si esprime attraverso la concentrazione di ioni H+ presenti al suo interno. Se si ha una maggiore concentrazione di ioni idrogeno si avrà una sostanza acida (pH compreso tra 0  e 6), in caso contrario si avrà una soluzione basica (pH compreso tra 8 e 14). Una soluzione si dice neutra se il suo pH equivale a 7. L’acqua per esempio ha un pH neutro, così come il sangue e i fluidi cellulari (pH 7,35).

    Il metabolismo genera degli scarti acidi che vengono però contrastati da sistemi tampone che riportano il pH al valore di neutralità. Tali sistemi sono costituiti da un acido o una base debole.

     

     

    -- Le Molecole di Carbonio --

     

    Il carbonio rappresenta lo scheletro per molte molecole di grandi dimensioni in quanto i legami carbonio – carbonio sono forti e quindi difficili da rompere. Tali legami sono in grado di formare strutture tridimensionali e si suddividono in legame singolo che è in grado di ruotare attorno al proprio asse e legami doppi, tripli e quaternari che sono fissi.

     

    Molte molecole quali proteine e acidi nucleici hanno notevoli dimensioni e vengono dette macromolecole. Alcune di queste sono polimeri ovvero molecole formate dell’unione di composti organici più piccoli detti monomeri. Le proteine (polimeri) sono per esempio costituiti da unità fondamentali quali gli aminoacidi (monomeri). Il processo con cui i monomeri vengono legati tra di loro prende il nome di condensazione

     

    - I Carboidrati

    Zuccheri, amidi e cellulosa sono dei carboidrati, essi hanno funzioni differenti. Lo zucchero e l’amido fungono da riserva di energia per le cellule, la cellulosa invece è il componente principale delle pareti delle cellule vegetali.

    Analizzando con più cura gli zuccheri si può dire che sono formati da carbonio, idrogeno e ossigeno; si suddividono in monosaccaridi o disaccaridi e sono di “pronto assorbimento” nel senso che appena ingeriti sono in grado di dare energia. In genere ogni zucchero ha una conformazione ad anello, in quanto tale struttura li rende più stabili.

     

    I Monosaccaridi

    Sono gli zuccheri semplici e contengono generalmente da 3 a 7 atomi di carbonio, ogni atomo di carbonio è a sua volta legato ad un gruppo ossidrilico, ad eccezione di uno che risulta legato ad un atomo di ossigeno creando così un gruppo carbonilico.

    Se tale gruppo carbonilico è in posizione è in posizione terminale il monosaccaride è un aldeide, se invece è situato in un’altra posizione è un chetone.

    I monosaccaridi hanno proprietà idrofile e si possono distinguere in:

    - Ribosio e Desossiribosio che sono composti da 5 atomi di carbonio (Pentosi)

    - Glucosio, Fruttosio e Galattoso che sono formati da 6 atomi di carbonio (Esosi)

     

    Da analizzare con più cura è il Glucosio che rappresenta un elemento molto importante nel nostro metabolismo. Viene utilizzato come fonte d’energia nella maggior parte degli organismi, durante la respirazione cellulare vengono rotti i legami che lo compongono liberando così l’energia contenuta al suo interno. Proprio per la sua particolare importanza, nell’organismo vengono mantenuti livelli costanti di questo monosaccaride. In natura si possono trovare due tipi di glucosio: quello alfa e quello beta. Entrambi hanno la stessa struttura molecolare, ma differiscono per la posizione del gruppo OH (ossidrile) sull’atomo di carbonio 1 rispetto al piano dell’anello.

     

    I Disaccaridi

    Sono costituiti da 2 monosaccaridi legati tra di loro ad anello da una legame glicosidico, che prevede un ossigeno centrale legato covalentemente a due atomi di carbonio. Si distinguono quindi:

    • Il Maltosio (lo zucchero del malto) costituito da 2 unità di alfa glucosio
    • Il Saccarosio (lo zucchero da tavola) costituito da una unità di glucosio e da una di fruttosio
    • Il Lattosio (lo zucchero del latte) costituito da una unità di glucosio e da una di galattosio   

    Il nostro organismo è in grado di convertire il fruttosio in glucosio fruttando così la sua energia

     

    I carboidrati più abbondanti in natura sono i polisaccaridi, ovvero macromolecole costituite da più zuccheri semplici generalmente il glucosio, ai quali appartengono gli amidi, il glicogeno e la cellulosa.

     

    L’amido

    Rappresenta un carboidrato a lento assorbimento, che viene considerato un polisaccaride di riserva per i vegetali,in grado di fornire glucosio. Le piante lo accumulano in organelli specifici detti amiloplasti e lo utilizzano quando necessitano di energia.

     

    Il Glicogeno

    Rappresenta un polisaccaride di riserva del nostro corpo composto da una catena di glucosio molto ramificata. Lo troviamo principalmente accumulato nel fegato e nei muscoli con funzione diverse: Nei muscoli viene usato per cedere molecole di glucosio per la produzione di ATP, mentre nel fegato viene utilizzato come riserva di zuccheri per il nostro organismo durante tutta la giornata.

     

    La Cellulosa

    Rappresenta uno tra i più abbondanti carboidrati presenti sulla terra, è un polisaccardide di sostegno che però non può essere digerito dall’uomo, in quanto non possiede degli enzimi atti a tale compito.

    Tuttavia risulta un componente fondamentale in una dieta ricca di fibre con la funzione di aiutare l’intestino a funzionare adeguatamente.

     

    Gli Amminozuccheri

    Vi sono poi dei particolari carboidrati che svolgono ruoli specifici grazie alla modifica di un gruppo ossidrilico in gruppo ammnico NH2 . Tali amminozuccheri sono la gluccosammina e la galattosammina quest’ultima presente nella cartilagine.

     

    La Chitina

    Rappresenta un polisaccaride strutturale presente nell’esoscheletro dei ragni e dei crostacei. Tale elemento è in grado di creare strutture molto compatte in quanto le sue molecole interagiscono attraverso legami ad idrogeno moltipli.

     

    Per concludere va considerata la proprietà dei carboidrati di legarsi con le proteine dando così origine alle glicoproteine presente sulla superficie esterna delle cellule con funzione di ancoraggio tra cellule vicine. Se invece i carboidrati si legano ai lipidi si formano i glicolipidi, i quali hanno la funzione di riconoscere e interagire tra le varie cellule.

     

    - I Lipidi

    Composti solubili nell’acqua sono costituiti essenzialmente da carbonio e idrogeno, con proprietà idrofobe, hanno svariate funzione che li vedo impiegati in carburanti biologici, componenti strutturali della membrana cellulare e con funzione di ormoni. I più importanti lipidi da considerare sono: grassi (trigliceridi), fosfolipidi, steroidi e carotenoidi.

     

     

    I Trigliceridi

    Sono presenti in grandi quantità nel nostro organismo e sono comunemente chiamati grassi costituiscono una riserva di energia molto economica perchè sono in grado di fornire più del doppio di energia di ciò che dava un carboidrato. Sono formati da 3 atomi di carbonio, 3 di idrogeno e da 3 gruppi ossidrili. Durante la digestione i tricliceridi vengono idrolizzati per produrre acidi grassi e glicerolo.

     

    I Fosfolipidi

    Appartengono alla classe dei lipidi anfipatici le cui molecole sono caratterizzate dalla proprietà di avere una estremità idrofila e una idrofoba. Un fosfolipide consiste in una molecola di glicerolo unita da una parte a due acidi grassi e dall’altra ad un gruppo fosfato legato ad un composto organico come ad esempio ad una colonia. La parte contenete l’acido grasso, la coda, è idrofoba e quindi insolubile in acqua, mentre la parte costituita da glicerolo, la testa, è idrofila e quindi sulubile. Tali proprietà anfipatiche rendono queste molecole i componenti fondamentali della membrana cellulare, in quanto se immerse in un liquido sono in grado di formare un doppio strato.

     

    Betacarotene

    Rappresentano i pigmenti arancioni e gialli detti carotenoidi e sono classificati tra i lipidi in quanto insolubili in acqua. Sono utilizzati anche sotto forma da vitamina A del nostro organismo per creare un precursore del tessuto retinico.

     

    Steroidi

    Altra categoria di lipidi formata da 4 anelli di carbonio. Tra i più importanti possiamo citare: il colesterolo, i Sali biliari, gli ormoni sessuali e il cortisolo.

    Il colesteroloè uno steroide presente nel nostro corpo inserito nella membrana plasmatica insieme ai fosfolipidi e non è presente nelle cellule procariote. Gira liberamente nel sangue e quando vi è un sue eccesso crea delle placche lungo il condotto arterioso aumentando il rischio di patologie cardiovascolari.

    I Sali biliari hanno il compito di emulsionare gli acidi grassi nell’intestino, in modo da favorire l’idrolisi per via enzimatica

    Gli Ormoni steroidei regolano alcuni aspetti del nostro metabolismo

     

    - Le Proteine

    Sono polimeri di amminoacidi con struttura molto simile tra di loro ma con funzioni diverse. Vengono espresse dei geni presenti sul DNA e sono coinvolte in tutte le attività metaboliche. Si specializzano in diverse funzioni:

     

    • Enzimi proteine che catalizzano specifiche reazioni chimiche
    • Proteine strutturali hanno il compito di rafforzare e proteggere i tessuti e le cellule
    • Proteine di riserva rappresentano una riserva di nutrienti come ad esempio l’albumina
    • Proteine di trasporto trasportano specifiche sostanze tra le varie cellule, ne sono un esempio l’emoglobina
    • Proteine di regolazione sono proteine con il compito di regolare le attività metaboliche o di controllare l’espressione genica, ne sono un esempio gli ormoni
    • Proteine di movimento concorrono al movimento cellulare, come ad esempio l’actina e la miosina che permettono la contrazione del muscolo
    • Proteine di difesa adibite alla difesa dell’organismo dagli agenti estrenei, come ad esempio gli anticorpi.

     

     

     

    - Gli Amminoacidi

    Sono i costituenti delle proteine, ve ne sono una ventina che combinati in modo diverso danno origine a un notevole numero di proteine differenti. Non tutti gli amminoacidi sono sintetizzati dall’organismo, alcuni bisogna assumerli tramite una dieta e sono detti (amminoacidi essenziali)

    Gli amminoacidi essenziali per l’uomo, e quindi non per un’altra specie, sono: isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilanina, treonina, triptofano, valina, istidina. Nei bambini bisogna aggiungere anche l’arginina.

    Gli amminoacidi sono formati da un gruppo amminico (NH2) e da un gruppo carbossilico (COOH), hanno una parte fissa e una parte variabile detta “gruppo r” Sono considerati importanti tamponi biologici in quanto si oppongo ai cambiamenti di pH se presenti in soluzione. Alcuni di essi possono essere considerati polari quindi idrofili in quanto solubili in acqua altri invece insolubili e quindi idrofobi.

     

    I legami peptici

    Sono così detti i legami covalenti che tengono uniti due amminoacidi, in quanto quando due amminoacidi si uniscono prendono io nome di peptide. La formazione di una catena più lunga prende il nome di polipetdide e può essere costituito da centinaia di amminoacidi.Una proteina risulta quindi costituita da una o più catene polipetidiche e l’infintà di proteine che si possono realizzare dipende appunto dal tipo di amminoacidi e dalla loro posizione.

     

    Le proteine hanno forme diverse che sono correlate con la propria funzione. Alcune di esse sono ripiegate in una forma compatta simile ad una sfera (proteine globulari ovvero enzimi), altre formano lunghe fibre. Si possono così distinguere in una proteina 4 diversi livello di organizzazione: primaria, secondari, terziaria e quaternaria.

     

    La struttura primaria

    Si definisce così la sequenza di aminoacidi di una catena polipeptidica ed è rappresentata in una forma lineare simile ad un filo di perle. Da questa struttura derivano le altre 3. Tale sequenza di amminoacidi viene definita da un gene.

     

    La struttura secondaria

    Tale struttura ha due stati più comuni: ad alfa elica e a beta foglietto ripiegato.

    Il primo tipo (α-elica) prende il nome dalla zona in cui lungo la catena si viene a formare una spirale uniforme. E’ la struttura tipica delle proteine fibrose quali capelli, pelle e unghie, e può essere vista come il cavo del telefono tutto attorcigliato su se stesso. Questa proprietà di elasticità deriva da fattori fisici e chimici dei propri legami. Sotto notevole tensione però avviene la rottura di tali legami, che terminata la forza tendono a arrotolarsi nuovamente, questo spiega il perchè i capelli possono essere tirati fino ad un certo punto e poi tornano alla loro lunghezza iniziale.

    Un esempio di struttura secondaria ad alfa elica è la cheratina con la particolarità di essere estremamente elastica.

    Il secondo tipo (β-foglietto ripiegato)di struttura secondaria vede la catena polipeptidica ripiegata su se stessa e con legami formati tra zone diverse della catena. Risulta quindi una struttura flessibile, piuttosto elastica e molto forte. Un esempio di questa struttura lo possiamo trovare nella fibrolina.

     

    La struttura terziaria

    Struttura tridimensionale determinata da 4 fattori: legami ad idrogeno, legami ionici, interazioni idrofobiche e ponti disolfuro. Anche questa struttura può essere vista come un file del telefono quando si aggroviglia si se stesso. E’ formata da 2 tipi di strutture: alfa elica o beta cheratina, tale differenza è influenzata dal tipo di amminoacidi che la compongono.

     

     

    La struttura quaternaria

    Struttura formata dagli stessi tipi di interazioni che danno origine a quella secondaria e terziaria è derivata dalla disposizione tridimensionale delle catene polipeptidiche. Un esempio di tale struttura è l’emoglobina, una proteina globulare responsabile del trasporto dell’ossigeno nei globuli rossi formata da 4 catene polipetidiche suddivise in 2 alfa globulina e 2 beta globulina. Tale proteina è l’esempio calzante che la funzionalità di una proteina dipende dalla sua forma, se l’emoglobina non viene costituita con una certa forma non riesce trasportare l’ossigeno.

     

    Denaturazione questo termine viene utilizzato per indicare il processo di rottura dei legami all’interno di una proteina, con la consecutiva perdita di funzionalità, in ogni caso la proteina conserva la sua successione di amminoacidi.

     

     

    -- Gli Acidi Nucleici --

     

    Hanno il compito di trasmettere l’informazione ereditaria e determinano quali proteine devono essere sintetizzate. Nella cellula sono presenti 2 tipi di acidi nucleici: acido ribonucleico (RNA) e acido desossiribonucleico (DNA). Il DNA costituisce il materiale ereditario, le istruzioni per le proteine da sintetizzare e l’RNA necessario nell’organismo; mentre l’RNA interviene nel processo in cui gli amminoacidi vengono legati tra di loro per formare i polipeptidi.

    Il componente principale degli acidi nucleici sono i nucleotidi, unità molecolari costituite da:

    • Uno zucchero ribosio (RNA) o desossiribosio (DNA) formato da 5 atomi di carbonio
    • Uno o più gruppi fosfato legato allo zucchero sul carbonio n° 5 con la proprietà di rendere acida la molecola
    • Una base azotata che può essere a doppio anello purine o ad anello singolo pirimidine

     

    Nel DNA le purine sono: Adenina (A) - Guanina (G)

    Nel DNA le pirimidine sono: Citosina (C) - Timina (T)

     

    Nell’RNA  le purine sono: Adenina (A) - Guanina (G)

    Nell’RNA le pirimidine sono: Citisona (C) - Uracile (U)

     

    I nucleotidi sono legati tra di loro da legami fosfodiesterici, che avvengono tra il terzo gruppo ossidrile (OH) e il quinto. Nel DNA si trovano 2 catene nucleotidiche mentre nell’RNA ve ne è solo una. I nucleotidi assumono anche altre importanti funzioni nell’organismo. L’ATP (adenosina trifosfato) costituita da adenina, ribosio e tre fosfati, rappresenta un’importante molecola energetica del nostro corpo. Questa molecola può cedere parte della sua energia chimica se viene rotto il legame ad alta energia presente al suo interno.

    Un nucleotide può subire una trasformazione in una forma alternativa grazie a specifiche funzioni cellulari, per esempio l’ATP si trasforma in cAMP (adenosina monofosfato ciclico) per mezzo sdi uno specifico enzima. L’AMP ciclico ha la funzione di trasportare un segnale (proteina) troppo grande dall’esterno all’interno di una cellula.

    Nelle cellule vi sono diversi dinucleotidi con particolari funzioni nei processi metabolici. La NAD+ (nicotinammide adenindinucleotide) svolge un’importante azione di ossidoriduzione biologica e rappresenta quindi un’importante accettatore di elettroni.

     

     

     

     

    -- Organizzazione Cellulare --

     

    Le cellule hanno dimensioni e funzioni diverse, ma possiedono elementi comuni quali:

    la membrana plasmatica, presente in tutte le cellule rappresenta una membrana di superficie che le circonda e ha la funzione di creare una barriera estremamente selettiva tra esterno ed interno; la presenza di organuli specializzati nello svolgimento di attività metaboliche. Altro componente comune delle varie cellule è quello di possedere delle istruzioni genetiche codificate nel DNA e confinate in una zona specifica della struttura.

    L’unità di misura usata per identificare le cellule in genere è in micrometro (µm – un milionesimo di metro) o il millimetro, mentre se si vogliono identificare i vari organuli si deve usare il nanometro (nm – un miliardesimo di metro). Queste ridotte dimensioni sono dovute alla necessità di trasportare velocemente materiali nutritivi o di rifiuto all’interno / esterno della cellula. Per una cellula l’essenzialità è mantenere la propria omeostasi e allo stesso tempo crescere, deve quindi disporre di una membrana plasmatica in grado di sopportare le necessità di materiale richieste dal volume della cellula.

     

    Microscopio ottico Strumento composto da una serie di lenti che ingrandisce l’immagine proiettata da un fascio di luce. Sono 2 le proprietà che identificano la capacità di un microscopio:

    L’ingrandimento rappresenta il rapporto tra immagine vista al microscopio e dimensioni reali. Il microscopio ottico riesce ingrandire un massimo di 1000 volte.

    Potere risolutivo rappresenta la capacità di un microscoppio di analizzare anche i più piccoli dettagli. Tale parametro dipende dal tipo di lenti e dalla lunghezza d’onda della luce. Attualmente viene impiegato per l’analisi delle cellule viventi senza ucciderle.

    Con il passare del tempo si sono sviluppate tecnologie sempre più accurate per lo studio di particolari, nasce così il microscopio a fluorescenza in grado di evidenziare particolari strutture colorate con sostanze fluorescenti, ovvero sostanze in grado di assorbire l’energia luminosa ad una certa lunghezza d’onda e ne rimettono una parte a lunghezze superiori.

     

    Microscopio elettronico Strumento utilizzato per analizzare particolari sempre più piccoli e dettagliati di un elemento, come ad esempio l’ultrastruttura cellulare. L’unico problema di questa tecnica è che per analizzare tali strutture devo realizzare dei piccoli campioni e quindi uccidere la cellula o l’elemento vivente che voglio analizzare.

     

     

    -- Cellule Procariotiche ed Eucariotiche --

     

    Le cellule procariotiche sono tipiche di batteri e più piccole rispetto a quelle eucariotiche. In questo tipo di cellule non esiste un nucleo, ma solo un’area non delimitata in cui risiede il materiale genetico, tale zona viene detta area nucleare o nucleoide. Sono provviste di membrana plasmatica ed eventualmente anche da una parete cellulare, struttura che racchiude l’intera cellula comprendendo anche la stessa membrana plasmatica. Per muoversi questo tipo di cellula utilizza i flagelli, lunghe strutture fibrose che si protendono dalla superficie cellulare. All’interno delle cellule batteriche si trovano i ribosomi strutture in grado di sintetizzare polipeptidi utili alla cellula per sopravvivere.

     

    Le cellule eucariotiche compongono la maggior parte degli organismi viventi, sono circondate dalla membrana plasmatica per dividere l’ambiente esterno con quello interno, nel quale si trovano diversi organelli specializzati e un nucleo in cui troviamo il materiale ereditario DNA. Il materiale genetico è addensato per mezzo della cromatina. Il nucleo è delimitato dalla membrana nucleare costellata di pori nucleari attraverso i quali passano solo determinate sostanze. La parte che circonda il nucleo viene chiamata citoplasma, e comprende il citosol, la componente fluida e gli organelli. La parte interna al nucleo si chiama nucleoplasma. Vi è la presenza di un’impalcatura di sostegno nominata citoscheletro utile sia per dare forma alla cellula che per regolare lo scambio di sostanze. 

     

    La membrana cellulare ha un importante ruolo nella sopravvivenza cellulare, permette agli organuli i svolgere le loro attività senza causare danni alla cellula, si pensi agli enzimi racchiusi nei lisozomi, senza tale membrana gli enzimi causerebbero la distruzione della cellula. Altre caratteristica della membrana è quella di immagazzinare energia, si viene a formare infatti una differenza di potenziale presente sui due lati della membrana detta energia potenziale. La cellula è in grado di trasformare parte dell’energia potenziale in energia chimica utile al metabolismo ATP.

    Nelle cellule eucariotiche il sistema complessivo di membrane interno prende il nome di sistema di endomembrana.

     

    Il nucleo

    Organulo di maggiori dimensioni con forma circolare, è costituito da due membrane che prendono il nome di involucro nucleare che fondendosi tra di loro danno origine ai pori nucleari, complessi proteici che regolano il passaggio di materiale tra il nucleoplasma e il citoplasma. In questa zona della cellula è contenuta l’informazione genetica, il DNA, che durante al divisione cellulare va incontro a duplicazione grazie al processo di replicazione. Il DNA è costituito da sequenze di nucleotidi, i geni, che contengono le informazioni per la sintesi proteica. Associandosi con la cromatina, il DNA durante la fase di divisione, si addensa in strutture chiamate cromosomi. La lunghezza di un filamento di DNA da srotolato è di circa 2 metri. La maggior parte dei nuclei possiede una o più strutture chiamate nucleoli, ovvero strutture che contengono le informazioni per sintetizzare tutti i diversi tipi di RNA che costituiscono i ribosomi.

     

     

     

    Il reticolo endoplasmatico (RE)

    Struttura formata da vescicole membranose in comunicazione con la superficie esterna del nucleo, contiene una grande varietà di enzimi che catalizzano diverse reazioni chimiche. Si distingue in:

    • Reticolo Endoplasmatico Liscio in cui la superficie della membrana esterna risulta liscia, in questa zona avviene il metabolismo dei vari lipidi (fosfolipidi, steroidi, acidi grassi)
    • Reticolo Endoplasmatico Rugoso caratterizzato dalla presenza dei ribosomi sulla superficie membranosa, con la funzione di sintetizzare le proteine.

     

    I ribosomi

    Sono strutture adibite alla formazione dei legami peptici in quanto contengono enzimi atti a tale attività. Formati da acidi nucleici (3 RNA) e proteine (circa 75), sono suddivisi in 2 unità, la subunità maggiore e quella minore. Tali unità sono normalmente dissociate, ma in fase di sintesi proteica si uniscono per dare il via alla loro attività.

     

    Il complesso del Golgi

    Struttura con la funzione di modificare le proteine e portarle alla loro maturazione, è formato da pile di sacche membranose appiattite chiamate cisterne. Ogni pila di vescicole è composta da 3 aree denominate superficie cis e superficie trans, tra le quali si trova la regione mediale.

    La superficie cis si trova generalmente vicino al nucleo e ha il compito di ricevere i materiali trasportati dalle vescicole del reticolo endoplasmatico.

    La superficie trans situata vicino alla membrana plasmatica ha il compito di “impacchettare” le molecole in vescicole da portare fuori dal Golgi.

     

    Si può quindi riassumere la sequenza di eventi che caratterizzano la sintesi di una proteina:

    • La proteina viene assemblata e livello dei ribosomi
    • Aggiunta della componente carboidratica (zuccheri) nel reticolo endoplasmatico
    • Passaggio della glicoproteina nel golgi (superficie cis) tramite le vescicole di trasporto
    • In questa zona vengono sostituiti alcuni zuccheri semplici con zuccheri più complessi, con lo scopo di creare una zona per il riconoscimento self della proteina
    • Trasporto tramite vescicola dal Golgi (superficie trans) alla membrana plasmatica
    • Rilascio del contenuto della vescicola al di fuori della cellula. La “strada di attraversamento” viene caratterizzata dal tipo di zuccheri che la compongono.

     

    I lisosomi

    Sono piccole vescicole contenenti enzimi digestivi con la funzione di degradare molecole complesse di batteri o frammenti ingerite dalle “cellule spazzino”. I lisosomi primari sono formati dal complesso di golgi. Quando le cellule capaci di fagocitosi ingeriscono un batterio, si viene a formare una vescicola attorno ad esso che si fonde con uno o più lisosomi primari dando così vita ad un lisossoma secondario. Gi enzimi presenti presenti nei lisosomi vengo rilasciati nella vescicola e iniziano il processo di degradazione.

     

    I mitocondri

    Sono strutture in grado di trasformare l’energia chimica assunta con il cibo o dalla luce, nel caso dei cloroplasti, in energia utile al metabolismo cellulare ATP. I mitocondri e i cloroplasti sono strutture in grado di accrescere e riprodursi autonomamente in quanto contengono un proprio DNA. La presenza di un DNA proprio fa pensare ai mitocondri come batteri che hanno trovato una simbiosi con la cellula fino ad integrarsi in essa, dando così la possibilità alle cellule eucariotiche ti sfruttare l’ossigeno per produrre ATP.

    Si deduce quindi che nei mitocondri avviene la respirazione aerobica ovvero la trasformazione dell’energia chimica degli alimenti in ATP tramite l’uso di ossigeno. Gli scarti di queste reazioni sono anidride carbonica e acqua. Più la cellula è attiva maggiore sarà il suo numero di mitocondri.

    Tali strutture sono formate da una doppia membrana, lo spazio intermembranoso che si viene a formare tra la membrana interna ed esterna è detto matrice in cui sono contenuti gli enzimi atti a degradare il cibo. La membrana mitocondriale esterna risulta liscia e selettivamente permeabile, quella interna è pieghettata a formare estroflessioni denominate creste mitocondriali, la cui funzione è quella di fornire una superficie in cui avvengono le reazioni di trasformazione dell’energia.

    I mitocondri hanno anche effetti sulla salute generale dell’individuo e sull’invecchiamento, in quanto con la perdita di elettroni generano i radicali liberi che sono molto tossici per il nostro organismo e che legandosi con altri composti interferiscono sulle normali attività cellulari.

    Altra funzione dei mitocondri è quella di gestire l’equilibrio cellulare tramite la morte programmata delle cellule più vecchie, tale processo prende il nome di apoptosi. Un esempio di apoptosi lo si può evidenziare nello strato superiore della pelle o nella parete intestinale. Tale processo può essere effettuato tramite interferenze sul metabolismo cellulare o tramite enzimi che degradano la cellula dall’interno. Una non corretta gestione dell’apoptosi può comportare la formazione di diverse patologie quali cancro, alzheimer, AIDS, ecc

     

    Fotosintesi clorofilliana

    Tale processo avviene nei cloroplasti, organuli presenti nelle cellule vegetali, in cui la luce solare viene intrappolata dal pigmento verde generato dalla clorofilla e tramite reazioni chimiche, acqua ed anidride carbonica si ottiene energia chimica utile al metabolismo cellulare ATP.

     

     

    -- Il Citoscheletro --

     

    Tale struttura determina la forma e la mobilità di una cellula, e permette la gestione del trasporti di materiali all’interno della cellula durante la divisione cellulare. Il citoscheletro è formato da 3 tipi di filamenti proteici: microtuboli, microfilamenti (strutture dinamiche), e filamenti intermedi (conferiscono maggiore resistenza meccanica)

     

    I microtuboli

    Sono strutture formate da 2 proteine globlulari (alfa e beta globulina) che legandosi tra di loro danno origine ad un dimero (associazione di due monomeri). L’unione di più dimeri di tubolina permette l’allungamento dei microtuboli, i quali si presentano cavi e con due estremità polari denominate più e meno. Fungono da binari per i movimenti intracellulari e sono i componenti principali delle ciglia e dei flagelli. Hanno una notevole capacità di assemblarsi e disassemblarsi rapidamente, tale proprietà la si può notare durante la divisone cellulare in cui il citoscheletro sembra svanire.

     

    Ciglia e Flagelli

    Sono strutture uguali tra loro che si differenziano per la loro lunghezza:

    • Se la cellula possiede solo una o poche di queste appendici e sono relativamente lunghe rispetto la cellula si parla di flagelli
    • Se la cellula ha molte appendici ma e corte si parla ci ciglia

    Entrambe le strutture vengo utilizzate per muoversi o muovere i liquidi e quindi le sostanze vicine alla cellula per poterle utilizzare. Sono strutture molto comuni negli organismi unicellulari e pluricellulari di piccole dimensioni, si veda il flagello dello spermatozoo, mentre le ciglia le possiamo trovare sulle pareti che rivestono le vie aeree (dotti interni). Entrambe le strutture sono formate da un gruppo di nove paia di microtuboli, sono ancorate alla cellula mediante un corpo basale e per muoversi richiedono energia metabolica ATP.

    Si ricorda che le ciglia sono formati da una disposizione di microtubuli di 9+2

    I microfilamenti

    Sono strutture formate da catene di actina intrecciate tra di loro con una dimensione globale minore dei microtuboli. Fungono da supporto meccanico per diverse strutture cellulari, nei muscoli si legano con la miosina per permettere la contrazione muscolare.

     

    I filamenti intermedi

    Sono strutture molto resistenti e flessibili che danno forma alla cellula e sono formati da filamenti fibrosi. Si trovano nelle zone in cui la cellula è più sottoposta a stress meccanico. Esempio di filamenti intermedi sono la cheratina o i neurofilamenti delle cellule nervose dei vertebrati. Mutazioni a livello dei geni che producono tali strutture possono comportare ad un indebolimento delle cellule e quindi a patologie come per esempio la sclerosi amiotrofica laterale o patologie neurodegenerative.

     

    Gli involucri cellulari

    La maggior parte delle cellule eucaritiche è circondata da glicocalice, sostanza formata da proteine e lipidi che protegge la cellula e ha anche funzione di riconoscimento tra cellule.

    Altre cellule animali sono circondate da una matrice extracellulare costituita da un gel di carboidrati e proteine fibrose. La principale proteine è il collagene che permette la formazione di fibre molto fitte.

     

    Recettori di membrana

    Le principali strutture adibite a tale funzione sono le integrine, proteine che permettono di passare un’informazione dalla matrice extracellulare all’interno delle cellula. Hanno una fondamentale importanza anche nell’organizzazione del citoscheletro, in quanto possono modificare la struttura della cellula. Le integrine sono tenute legate alla matrice extracellulare tramite la fibtonectina, quando questa componente viene a mancare pere cause patologiche si ha la apoptosi delle cellule non legate e quindi la formazione di tumori.

     

     

    -- La Membrana Plasmatica --

     

    Le caratteristiche fisiche che assume la membrana plasmatica sono dovute ai fosfolipidi che la costituiscono. Un fosfolipide è formato da 2 catene di acidi grassi unite a due dei tre atomi di carbonio.Le due catene costituiscono la porzione apolare e idrofoba (dette code), mentre la seconda parte rappresenta la zona polare e idrofila (detta testa); questo tipo di molecole con due regioni discordi sono dette molecole anfipatiche.

    Proprio per la caratteristica di queste due regioni, se i fosfolipidi vengono messi in soluzione acquosa assumono una struttura a doppio strato permettendo così alle teste di associarsi liberamente con l’acqua.

    Altro componente fondamentale della membrana plasmatica è la presenza di proteine incastrate all’interno di questo doppio strato denominate proteine transmenbrana, le quali possono sporgere nel citoplasma e dalla membrana stessa. Vi possono anche essere altre tipi di proteine incastrate nel doppio strato fosfolipidico, è il caso delle proteine periferiche che sono situate ai lati della membrana senza attraversarla.

    Una proprietà fondamentale della membrana citoplasmatica è la caratteristica di non essere rigida, ma di permettere alle proteine e agli stessi fosfolipidi di muoversi attorno al perimetro della cellula. Tale caratteristica è resa possibile proprio dalla fluidità delle molecole anfipatiche e si dice che le membrane hanno proprietà fluido bidimensionale. Tale fluidità funziona però funziona bene solo se le cellule si trovano ad una temperatura normale, nel caso di basse temperature la fluidità diminuisce, in quanto gli acidi grassi tendono a diventare più compatti ed ad assumere una forma gelatinosa.

     

    Con il passare degli anni si sono ipotizzati due modelli per spiegare la struttura della membrana:

    • Modello a sandwich di Davson – Danielli, i quali ipotizzarono che la membrana potesse essere assimilata ad una sorta di sandwich costituito da un doppio strato lipidico compreso tra due strati proteici
    • Modello a mosaico fluido in cui si ipotizzava che la membrana è costituita da un doppio strato fluido di molecole fosfolipidiche nel quale le proteine sono incastrate.

    Attualmente tutti gli studi sono basati sul secondo modello che con il passare del tempo si è verificato reale.

     

    Proteine

    Vi sono diversi tipi di proteine che si differenziano in base alla posizione sulla cellula

    • Proteine di membrana integrali Sono proteine legate alla membrana che possono essere rilasciate solo in seguito alla rottura dei legami. Sono formate da una parte idrofila a contatta con il citoplasma o con la parte esterna della cellula, e da una parte idrofoba che si lega con le code dei fosfolipidi.
    • Proteine transmembrana Sono proteine che attraversano la membrana solo una volta
    • Proteine di membrana periferiche Non sono incluse nel doppio strato lipidico ma sono localizzate sulla superficie interna ed esterna della membrana plasmatica. Sono proteine facili da rimuovere senza causare danni alla struttura.

    Le proteine di membrana non sono disposte casualmente ma sono orientate asimmetricamente e prodotte dei ribosomi liberi, la disposizione in un dato punto della membrana è dovuta anche alla modalità di sintesi e di trasporto.

    Possono assolvere a funzioni diverse, si possono quindi trovare proteine con funzioni:

    • Funzione di ancoraggio come ad esempio le itegrine che ancorano la cellula alla matrice extracellulare
    • Funzione di trasporto passivo alcune proteine sono in grado di formare canali per il trasporto selettivo di alcune sostanze.
    • Funzione di trasporto attivo alcune proteine di trasporto sfruttano l’ATP per effettuare un trasporto tramite pompe con la funzione di pompare i soluti attraverso la membrana plasmatica
    • Funzione di attività enzimatica sono enzimi presenti nella prossimità della superficie cellulare in grado di catalizzare alcune reazioni chimiche
    • Funzione di trasduzione del segnale sono proteine in grado di legarsi a messaggi inviati dall’organismo come gli ormoni e passare l’informazione all’interno della cellula.
    • Funzione di riconoscimento cellulare sono proteine in grado di segnalare l’appartenenza all’organismo d’origine, in modo tale da essere riconosciute da altre cellule
    • Funzione di giunzione intercellulare sono proteine in grado di legare tra di loro le membrane di due cellule vicine.

     

    Passaggio di materiale attraverso la membrana

    Una membrana si dice permeabile se permette il passaggio di materiale, in caso contrario si dice impermeabile. Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili ovvero permettono il passaggio solo di molecole di piccole dimensioni o liposolubili. Rappresentano invece una barriera per le sostanze polari essendo il doppio strato interno idrofobo e quindi apolare. Questo sistema semipermeabile permette alla cellula di controllare il proprio volume e la propria composizione. Quando però le molecole da trasportare all’interno sono troppo grandi, la cellula utilizza le proteine di trasporto per far passare sostanze idrosolubili quali zuccheri, amminoacidi, ecc.

    Per avere il passaggio di elementi attraverso una membrana bisogna avere una concentrazione differente ai lati di essa, si parlerà quindi di gradiente di concentrazione.

     

    - Diffusione semplice meccanismo tramite il quale vi è un movimento di particelle di una sostanza dalla zona più concentrata a quella meno concentrata. Tale spostamento avviene secondo gradiente di concentrazione, che di conseguenza viene definito un movimento passivo, spontaneo.

    La membrana può essere attraversata da particolari sostanze polari solo grazie ad una proteina carrier, che modificando la sua forma fa passare tali elementi all’interno della cellula.

     

    - Osmosi diffusione che vede un movimento netto di acqua attraverso una membrana selettivamente permeabile, con spostamento delle molecole d’acqua dalla zona a maggiore concentrazione a quella con minore concentrazione. Se si mette da una parte della membrana acqua + soluto e dall’altra acqua distillata si avrà un passaggio di molecole di acqua dalla zona pura a quella con soluto.

    La pressione osmotica rappresenta quella forza da applicare al liquido affinchè non avvenga il passaggio tramite la membrana. Tale pressione influisce sulla vita delle cellule:

    • Se una cellula viene immersa in una soluzione con identica pressione osmotica non si avrà alcun movimento di molecole di acqua, si dice che il fluido esterno è isotonico. I liquidi del nostro corpo hanno la stessa concentrazione di acqua delle cellule.
    • Se una cellula è immersa in un liquido ipertonico,ovvero con una concentrazione di sostanze disciolte maggiori di quella della cellula e di conseguenza con una concentrazione di acqua minore rispetto la cellula, si avrà lo svuotamento di acqua dalla cellula e quindi il suo raggrinzimento.
    • Se una cellula viene immersa in un liquido ipotonico, ovvero con minor quantità di sostanze disciolte e quindi una concentrazione di acqua maggiore rispetto alla cellula si avrà la lisi della cellula perchè si riempie d’acqua fino ad esplodere.

     

    - Trasporto attivo

    A volte è necessario trasportare degli elementi contro gradiente di concentrazione, ovvero dalla zona più concentrata a quella meno. Per effettuare questo spostamento si deve usare il trasporto attivo mediato da carrier, tale processo richiede però un dispendio di energia ATP.

    Il trasporto attivo può essere effettuato sfruttando l’ATP (trasporti atpasi) o tramite l’uso di una pompa sodio – potassio, sistema presente in tutte le cellule animali, che prevede l’accoppiamento al sodio dell’elemento da trasportare. In ogni caso il trasporto è sempre mediato una proteina carrier

    Nella situazione di riposo il sodio si trova all’interno della cellula, mentre il potassio all’esterno. Così facendo quando il sodio rientra nella cellula si porta con se la particella accoppiata.

    Lo scambio risulta sbilanciato in quanto per 2 ioni potassio che entrano, ne escono 3 di sodio; questo movimento di ioni genera attorno alla membrana un potenziale elettrico, polarizzando così la membrana stessa.

    La pompa sodio – potassio e altre pompe ATP di pendenti sono proteine transmembrana e come già detto necessitano di ATP; nel caso del trasporto secondo gradiente si ha invece la sintesi di ATP.

    - Esocitosi e Endocitosi

    Nel caso di trasporto di sostanze di grandi dimensioni per la cellula, si formano vescicole a partire dalla membrana cellulare che avvolgono il materiale e lo trasportano all’interno o all’esterno della cellula, si può quindi distinguere:

    • Esocitosi processo di scarto che la cellula mette in atto per eliminare sostanze nocive o liberare prodotti di secrezione come gli ormoni. La particella avvolta in una vescicola si avvicina alla membrana e in seguito si fonde con essa liberando il materiale all’esterno.
    • Endocitosi processo in cui del materiale viene introdotto nella cellula , in base al tipo di particella da introdurre si distinguono:

    - Fagocitosi le cellule ingeriscono grandi particelle solide come batteri o cibo. Le particelle avvicinandosi alla superficie cellulare evngono avvolte dalla emmbarana plasmatica in una specie di vacuolo, che staccandosi dalla membrana fluttua nel citoplasma fino a fondersi con un lissosoma, che precederà alla degradazione.

    - Pinocitosi le cellule introducono piccole gocce di liquido al loro interno sempre avvolte in un vacuolo formato dalla menbrana che in seguito staccandosi rilascerà lentamente il liquido nel citoplasma

    -Endocitosi mediata da recettori sistema che prevede il trasporto di specifiche sostanze che sono in grado di legarsi con le proteine recettoriali presenti sulla membrana. Un esempio di tale processo è l’assorbimento del colesterolo ematico, utile alla cellula perchè componente della membrana cellulare. Nel caso di necessità di colesterolo, (LDL - lipoproteina a bassa densità,) la cellula produce dei recettori specifici, che vengono collocati sulla membrana cellulare. Questi recettori hanno la forma di una fossetta rivestita, il colesterolo si ferma in questa fossetta e viene inglobato per endocitosi rivestendo la particella di colesterolo con la membrana, formando così un vacuolo. Una molecola che si lega in modo specifico ad un recettore si dice ligado.

     

     

    -- Segnalazione Cellulare --

     

    E’ così definito il processo mediante il quale le cellule comunicano tra di loro, nella maggior parte delle volte attraverso segnali chimici. Si distinguono così le seguenti fasi:

    • Sintesi e rilascio della molecola segnale

    Le molecole segnale possono essere neurotrasmettitori o ormoni sintetizzati da cellule adiacenti o da tessuti specializzati

    • Trasporto della molecola segnale alla cellula bersaglio

    Le molecole possono raggiungere le cellule bersaglio tramite il sangue o per diffusione, molte molecole passano da cellula a cellula tramite le proteine integrali di membrana

    • Ricezione dell’informazione da parte della cellula bersaglio

    Per ricevere il segnale le cellule utilizzano i recettori presenti sulla membrana

    • Trasduzione del segnale

    Processo mediante il quale le cellule convertono un segnale extracellulare in un segnale intracellulre e in seguito lo amplificano.

    • Risposta della cellula

    Una volta che il ligado si è legato al recettore il segnale può essere trasmetto tramite una serie di proteine che portano all’attivazione di un enzima. Tale enzima può catalizzare un grande numero di molecole segnale amplificando così il segnale iniziale e apportando modifiche al metabolismo cellulare.

    Il ligado può essere visto come il primo messaggero. Alcuni sistemi ligado – recettori si legano e attivano specifche proteine integrali note come proteine G. Il loro nome deriva dal fatto che in forma attiva sono legate a GTP, (guanosina trifosfato), una molecola simile all’ATP ma contenete la base guanina invece dell’adenina.

    Una proteina G è in grado di trasferire il messaggio dal recettore all’enzima che catalizza la produzione di un secondo messaggero, il quale rappresenta un segnale intercellulare generalmente rappresentato dalla cAMP.

    Le proteine G sono coinvolte in numerose vie di trasduzione del segnale, alcune di esse regolano canali che permettono agli ioni di attraversare la membrana, altre hanno un ruolo importante nella ricezione sensoriale.

    • Terminazione della segnalazione

     

     

     

    -- Giunzioni Cellulari --

     

    Le cellule trovandosi a stretto contatto tra di loro sviluppano delle specifiche giunzioni intercellulari, che permettono la rapida comunicazione da cellula a cellula e il blocco del passaggio di determinati materiali.

     

    Le giunzioni di ancoraggio che non influisconoil passaggio di materiale sono:

    • Desmosomi sono punti di attacco molto resistenti ma che lasciano ancora un sufficiente spazio tra le membrane per il passaggio di alcune sostanze. Tali giunzioni si formano tra i filamenti intermedi
    • Giunzioni aderenti tramite le caderine che circondano tutta la cellula si formano delle giunzioni tra i microfilamenti dei citoscheletri delle cellule vicine. Le caderine rappresentano un sistema per la trasmissione di un segnale dall’ambiente esterno al citoplasma.

     

    Le giunzioni serrate sono connessioni molto forti tra cellule adiacenti. Tali unioni sono così strette che non lasciano più spazzi intorno alla cellula impedendo così il passaggio di alcune sostanze attraverso lo strato cellulare, esse sono però distribuite in maniera discontinua lasciando così libera parte della superficie. Queste giunzioni le possiamo trovare nelle parete intestinali, grazie alla loro forte unione impediscono l’accesso di sostanze tossiche e indesiderate nel sangue, o la fuoriuscita di sostanze nutritive dall’intestino. Anche nel cervello troviamo tali giunzioni, in questo caso servono per creare una barriera emato-encefalica che impedisce a diverse sostanze di passare dal sangue al cervello.

     

    Le giunzioni comunicanti (gap)

    Come il desmosoma questa giunzione non è continua ma molto più stretta, ha la particolarità di creare canali che mettono in comunicazione direttamente i citoplasmi delle cellule adiacenti in modo tale da velocizzare il passaggio delle informazioni. Questi canali possoo essre tranquillamente gestiti dalle cellule in quanto possono essere aperti o chiusi a seconda delle necessità.

     

    Plasmodesmi

    Le cellule vegetali sono fornite di una parete cellulare molto robusta che tenderebbe ad isolarle. In questo ambito per connettere le varie cellule vi sono i plasmodesmi, canali larghi che attraversando la parete cellulare mettono in comunicazione i citoplasmi delle cellule vicine. Molti di questi plasmodesmi sono formati da una struttura cilindrica chiamata desmotubuli, la quale connette i reticoli endoplasmatici. Queste strutture permettono il passaggio di molecole e ioni ma non dei vari organuli.

     

    -- DNA --

     

    Acido Desossiribonucleico, tale struttura è formata da atomi di carbonio e zucchero numerati e distinti tra di loro, lo zucchero viene indicato con il simbolo di “primo”. La base azotata risulta unita al carbonio 1’ dello zucchero, mentre il fosfato è unito al carbonio in posizione 5’ Le basi azotate si dividono in:

    • Purine: Adenina (A) – Guanina (G)
    • Pirimidine: Timina (T) – Citosina (C)

    Le pirimidine sono costituite da un singolo anello di atomi, mentre le purine sono costituite da un doppio anello e risultano quindi più grandi.

    Nel DNA a doppia elica le basi azotate si uniscono tra di loro in modo specifico:

    Adenina con Timina

    Guanica con Citosina

    Sono unite allo zucchero (ribosio o desossiribosio) per mezzo di un legame fosfoisterico.

    Le associazione tra le varie basi avvengono per mezzo di legami ad idrogeno che nel caso A-T tale legame è doppio, mentre risulta triplo nella relazione tra C-G. Si deduce quindi che il numero di basi purine e pirimidine sono uguali. Le giunzioni tra le due basi avviene tra catene opposte rendendo così l’appaiamento una sequenza complementare di basi.

    Prima elica:                                        3’ – AGCTAC – 5’

    Seconda elica complementare:           5’ – TCGATG – 3’

    Questo modello a doppia elica rappresenta il sistema di archiviazione delle informazioni genetiche. Ogni molecola di DNA contiene milioni di nucleotidi e di conseguenza un gran numero di geni.

     

    Il processo di replicazione

    Il processo di replicazione del DNA è una tecnica che permette la produzione di una copia identica di un singolo filamento. Si ottiene così la produzione di un nuovo filamento complementare a quello copiato. Tale sistema di ricopiatura è noto come replicazione semiconservativa.

    Questo processo di duplicazione però da la possibilità al materiale genetico di modificarsi a causa di possibili mutazioni. Tali mutazioni possono insorgere nei geni e quindi essere trasmesse alle generazioni successive sotto forma di anomalie nelle proteine da sintetizzare. L’errore avviene a livello delle basi azzotate, che durante la replicazione vengono appaiate in modo errato. Le cause di tale avvenimento si possono ricercare in errori nella fase di replicazione o in altri fattori. In ogni caso il nostro organismo è in grado, grazie a specifici enzimi, di correggere molti di questi errori.

                Il metodo di replicazione è sostanzialmente universale anche se vi sono leggere differenze tra eucarioti e procarioti.

    - La prima fase prevede lo svolgimento della doppia elica ad opera di enzimi chiamati DNA elicasi

    - Nella seconda fase le proteine destabilizzanti si legano ai singoli filamenti di DNA per evitare che si riformi l’elica, e vi rimarranno fino al termine della copiatura.

    - Seguono speciali enzimi chiamati topoisomerasi che effettuano dei tagli e successivamente saldano nuovamente i filamenti, per evitare la formazione di “nodi” superavvolgimenti.

     

 

Biologia applicata

 

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