N 3440 BIOLOGIA ANIMALE - 2017-2018 DI EMANUELLI TOMMASO - Appunti Universitari Online
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N° 3440
BIOLOGIA ANIMALE
2017-2018
DI EMANUELLI TOMMASO
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17/10/17
La cellula procariote ed eucariote
La cellula è l’unità fondamentale della vita:
• Si riproducono, in modi diversi, per mantenere le caratteristiche del
progenitore, e per farlo usano energia, di cui l’ATP ne è la molecola.
• Hanno un metabolismo, l’insieme delle reazioni che possono sviluppare (è
l’insieme di anabolismo e catabolismo).
• Rispondono agli stimoli, che possono essere dei segnali chimici (i
neurotrasmettitori che interagiscono con i recettori) o anche meccanici
(variazione di pressione)
• È in grado di correggersi e autoregolarsi (omeostasi)
• Tutte le cellule derivano da una sola cellula e sono diverse fra loro per
aspetto e funzione, che sono tra loro correlati.
DIMENSIONI CELLULARI:
Le cellule si misurano in micrometri, decine di micrometri. Sono visibili al
microscopio ottico, nucleo compreso. I compartimenti subcellulari, come i
ribosomi (nanometri), invece, sono visibili con strumenti più approfonditi.
DOMINI DELLE CELLULE:
Le cellule si dividono in 3 domini:
1. Batteri
2. Archei
3. Eucarioti
Batteri e Archei, pur essendo procarioti, sono molto diversi fra di loro.
Cellule procariote
Comprendono batteri e archei. Gli archei sono cellule che vivono in
ambienti particolari, estremi, a bassissimo pH, estremamente salati, perfino in
corrispondenza di sorgenti termali: possono esserci gli alofili, gli acidofili, i
termofili, i metanogeni che trasformano l’anidride carbonica in metano.
Le cellule procariote sono delimitate da una membrana, al cui interno si trova
il citoplasma, una soluzione omogenea. Le cellule procariote sono prive di
specializzazione e prive di nucleo, esiste una regione in cui si addensa il DNA
e viene chiamata nucleoide.
A livello della membrana plasmatica ci sono altre strutture come cilia e
flagelli. I flagelli hanno dimensione compresa fra 3-100 micrometri di
lunghezza e 10-20 nanometri di diametro. I pili invece, che hanno funzione
simile a quella dei flagelli oltre che avere anche funzione di riconoscimento,
hanno dimensione compresa tra 100-200 nanometri e diametro inferiore ai 10
nanometri.
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L’apparato citoscheletrico (che permette alla cellula di sostenersi e di
muoversi) è poco sviluppato. Non hanno organuli cellulari e le reazioni non
avvengono in regioni ben precise. Il loro metabolismo può essere aerobio o
anaerobio. Per quanto riguarda invece la divisione, si dividono molto
velocemente per scissione binaria.
Spesso possiamo trovare una parete cellulare. La parete cellulare
batterica è di due tipi:
-la membrana plasmatica: è composta da lipidi e proteine (spesso con
funzione di trasporto). Nei batteri sono presenti i peptoglicani, delle catene di
polisaccaridi uniti da catene di polipeptidi; fungono da protezione della
membrana.
Alcune cellule procariote sono rivestite dalla capsula, che a differenza della
parete cellulare non c’è sempre.
Cellula eucariotica
È caratterizzata dalla presenza di un nucleo ben definito, che presenta
il nucleolo (zona densa di materiale genetico e proteico), e a livello della
membrana nucleare i pori permettono la scambio di sostanze con il
citoplasma. Se il DNA nei procarioti è circolare, negli eucarioti si trova
impacchettato con delle proteine. Il DNA è aggregato sotto forma di
cromatina. Le cellule eucariotiche si dividono per mitosi.
Sono specializzate in compartimenti, ciascuno con una funzione diversa. Le
endomembrane servono a dividere la cellula in compartimenti funzionali e
strutturali e sono in comunicazione fra di loro.
Per quanto riguarda le dimensioni, le cellule eucariote sono molto più grosse
di quelle procariote; siamo in grado di vederne, al microscopio elettronico, il
nucleo e le strutture subcellulari (membrana plasmatica, lisosomi, reticolo
endoplasmatico…). I diversi compartimenti della cellula organizzano il
metabolismo e lo concentrano in determinati spazi.
MEMBRANA PLASMATICA:
È costituita da un doppio strato lipidico, questo doppio strato di
molecole anfipatiche rivolge la testa, polare, verso lo strato acquoso, e le
code, apolari, una verso l’altra. Lo strato di lipidi ha due grandi funzioni:
1. Barriera di separazione: è costituita dalla testa e dalla coda, e impedisce
il passaggio ad alcune molecole, dividendo quindi citoplasma e zona extra
cellulare.
2. Trasporto: permette il trasporto di molecole che passano attraverso la
membrana grazie alle proteine.
Nel doppio strato molecolare ci sono delle proteine delle proteine di
membrana che sono associate ai lipidi e hanno funzioni diverse. Queste
proteine sporgono dalla membrana, affacciandosi o con una parte verso la
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zona extra cellulare, o con una parte verso la zona intracellulare, o da
entrambe le parti. La membrana cellulare non è statica ma è in continuo
movimento.
Mitocondri:
È il luogo in cui viene prodotto l’ATP e sono quindi responsabili della
respirazione cellulare. Presentano un dimensione relativamente piccola tra
0,5 e 3 μm. Il loro numero, la loro distribuzione, non è costante; sono situati
nelle zone in cui c’è più ricerca energetica come ad esempio nei muscoli, e in
tutte le zone di movimento. I mitocondri hanno due membrane, una interna, e
una esterna, separate da uno spazio, che permettono lo svolgersi di diverse
reazioni. All’interno dei mitocondri ne troviamo la matrice.
RETICOLO ENDOPLASMATICO (RE)
È un compartimento più grande che si divide in reticolo endoplasmatico liscio
(REL) e reticolo endoplasmatico rugoso (detto rugoso per la presenza di
ribosomi, liberi nel citoplasma o associati alla membrana) (RER).
Nel REL avviene la sintesi dei lipidi ed è anche un deposito dello ione calcio.
Il Ca, oltre a permettere la contrazione dei muscoli, a rilasciare
neurotrasmettitori è anche tossico e nel citosol lo si trova in bassa
concentrazione. Il calcio che si trova nel citosol viene recuperato dal REL, nel
quale è assai concentrato, oppure dall’ambiente extracellulare (le due
concentrazioni sono molto simili:1,2 X 10−3 M; nel citoplasma invece, dove è
più diluito, la concentrazione è di 10−8). Il reticolo endoplasmatico rugoso
invece è adibito alla sintesi proteica e al trasferimento del prodotto.
APPARATO DEL GOLGI
Il sistema delle endomembrane è sempre in comunicazione e grazie
alle vescicole avviene il trasporto intracellulare. Le vescicole sono guidate dal
microtubulo fino all’altro compartimento e viceversa. L’apparato del Golgi è
costituito da una serie di vescicole impilate e riceve una serie di composti dal
reticolo endoplasmatico. Funziona come un vero e proprio centro di
smistamento che riceve le molecole contenute in vescicole dal lato cis, e le
indirizza in altre vescicole dal lato trans.
LISOSOMI E PEROSSISOMI
I lisosomi hanno dimensione di circa un micrometro e presentano una
sola membrana e sono in grado di degradare proteine, grassi e carboidrati
grazie alla presenza di enzimi appositamente confinati al fine di non
degradare anche altre strutture.
Nei perossisomi avviene la degradazione dell’H2O2 in H2O+O; viene
degradato anche l’etanolo e gli acidi grassi.
RIBOSOMI
Sono presenti in tutte le cellule, costituiti da più subunità, presentano
dimensioni di circa qualche decina di nanometri e sono visibili solo al
microscopio elettrico.
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CITOSCHELETRO:
È costituito da proteine in grado di modificare la propria struttura (si
aggregano e disgregano in continuazione). È adibito alla mobilità, alla mitosi,
alla contrazione e alla secrezione della cellula. È costituito da tre tipi di
filamenti diversi per funzione e dimensione:
1. Microfilamenti: sono fatti di actina, una proteina globulare che si aggrega
in lunghe catene ed è fondamentale per il processo di contrazione
muscolare che avviene grazie allo scorrimento dei filamenti di actina sopra
quelli di miosina.
2. Microtubuli: permettono la costruzione del fuso mitotico
3. Filamenti intermedi: hanno dimensione intermedia fra i primi due, e
servono a dare resistenza alla cellulare.
Questa struttura è dinamica e permette alla cellula di muoversi.
Composti chimici cellulari
In una cellula il 70% è costituito da acqua, il resto è composto da diverse
sostanze come ioni, piccole molecole e macromolecole:
1. Acidi nucleici
2. Proteine
3. Polisaccaridi
4. Fosfolipidi
Le sostanze prevalenti sono CHON, altre sostanze importanti sono il Ca,
mg,Na,K; anche se sono poche sono fondamentali per la cellula. Il carbonio,
grazie alla capacità di formare 4 legami, crea delle lunghe catene che danno
vita a grandi molecole.
O e H formano l’acqua; l’ossigeno serve anche alla respirazione cellulare ed
è presente nei composti organici.
N serve per la formazione delle proteine.
Il Ca per la trasmissione sinaptica e per le ossa. Il P è importante per gli acidi
nucleici e per i fosfolipidi.
Il K, in bassa percentuale, è uno ione che regola l’eccitabilità delle cellule, e
la capacità di comunicare con i segnali elettici.
Lo zolfo si trova nelle proteine. Il sodio è abbondante al di fuori della cellula.
L’acqua è molto importante, è neutra ma polare per un accumulo di elettroni
concentrati sull’ossigeno, che è più elettronegativo dell’idrogeno. Fra due
atomi di idrogeno si forma un angolo di 104,5 gradi. ?[Una molecola così in
acqua stabilisce legami fra gli idrogeni, l’ossigeno attrae l’idrogeno e
viceversa e si formano legami (citosol e ambiente extracellulare)]?. L’acqua
è anche un solvente e le molecole cariche possono formare legami
idrogeno o ionici. Tutte le molecole affini all’acqua sono cariche, se sono
prive di carica, non possono essere sciolte in acqua. L’acqua ha anche
un buon calore specifico, il che la rende anche un ottimo isolante.
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FOSFOLIPIDI
I fosfolipidi sono molecole anfipatiche, cioè contengono sia un gruppo
idrofobo, sia uno idrofilo (hanno una parte polare e una idrofobica). Quando
queste molecole sono immerse in acqua, cercano una configurazione di
energia favorevole: si dispongono con la parte polare, la testa, dalla parte
dell’acqua, e le code, idrofobiche, dalla parte opposta. Cosa succede se una
struttura del genere viene perforata o danneggiata ad esempio da un cambio
di pressione? I lipidi cercano di riorganizzarsi, spendendo energia, per
ricostituire la membrana.
Questa membrana regola anche il passaggio delle molecole al suo
interno. Gli ioni, quindi le grandi molecole cariche, non riescono a penetrare
all’interno della membrana. Gli ioni, e le grandi molecole, si servono di
proteine per penetrare all’interno della membrana.
GRUPPI FUNZIONALI
Sono delle porzioni di molecole che vengono ripetute ciclicamente che
conferiscono al composto una reattività tipica e simile a quella di altri
composti contenenti lo stesso gruppo.
STEROISOMERI
I composti organici possono presentarsi sotto forma di steroisomeri quando
quattro gruppi differenti sono legati a un atomo di carbonio tetraedrico. Gli
steroisomeri sono molecole chirali. Sono molto importanti e alcuni
stereoisomeri sono sintetizzati artificialmente per permettere il legame con
altre molecole.
MACROMOLECOLE
Sono molecole costruite da molecole più piccole:
• Zuccheri da polisaccaridi
• Lipidi di membrana e grassi da acidi grassi
• Proteine da amminoacidi
• Acidi nucleici da nucleotidi
Le macromolecole sono molecole altamente organizzate con enormi
dimensioni (10:106C), sono alla base della struttura delle cellule e dell’attività
cellulare e sono distribuite in diverse parti della cellula.
Possono esserci macromolecole informazionali e strutturali/di deposito.
1. Le macromolecole informazionali sono proteine e acidi nucleici, composti
in cui è importante non solo in numero, ma anche l’ordine dei monomeri.
2. Le macromolecole strutturali, come i carboidrati, non tengono conto
dell’ordine dei monomeri e si assemblano per condensazione liberando
una molecola di H2O. Nel caso in cui si abbia un disaccaride, questo si
degrada per idrolisi consumando una molecola di H2O.
ACIDI NUCLEICI
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Le basi azotate sono situate perpendicolarmente all’ossatura dello zucchero,
all’interno della doppia catena del DNA. Nella catena ci sono due solchi, uno
maggiore e uno minore, e sono i siti dove avviene l’interazione con le
proteine. L’ossatura è costituita dal fosfato (che è negativo) alteRNAto allo
zucchero. Le basi seguono un preciso accoppiamento di basi complementari
tra adenina-guanina, citosina-timina. I legami sono gli stessi, si legano per
generare il minor ingombro sterico (lo spazio fra le due catene è quello in cui
sono contenuti una base doppia e una base singola). Dall’accoppiamento
delle basi deriva la stabilità della doppia elica.
La struttura del DNA è definita negli anni 50 da Watson e Crick e vale
loro il Nobel nel 1962. Per determinare la struttura della molecola è stata
usata la cristallografia a raggi x.
Gli acidi nucleici sono delle macromolecole informazionali. Sono
informazionali perché è importante l’ordine dei monomeri. Il DNA,
caratterizzato dallo zucchero desossiribosio contenuto nel nucleo, è
importante perché serve a trasferire le informazioni genetiche alla
discendenza, ne ripartisce copie identiche alle cellule figlie. Il secondo luogo
serve come stampo per l’RNA e la sintesi proteica.
C’è un importante differenza fra traduzione e trascrizione: la prima serve a
formare la copia della molecola, e avviene nel nucleo; la seconda costituisce
le proteine a partire dall’RNA.
In generale gli acidi nucleici sono costituiti da nucleotidi, molecole
composte da uno zucchero (deossiribosio o ribosio), uno o più gruppi fosfato,
le purine (adenina, guanina), basi a doppio anello, oppure le pirimidine con
un singolo anello (timina, citosina, uracile che è specifico per la sintesi di
RNA). Timina e uracile si comportano nello stesso modo anche se la timina è
nel DNA, e l’altro nell’RNA. Quando le basi si appaiano la catena si dispone a
formare la doppia elica la cui struttura e stabilità, sono assicurate
dall’interazione tra basi complementari. L’interazione con le proteine invece
avviene a livello dell’ossatura.
Ciascuno dei due filamenti ha una polarità opposta, quello di destra ha
direzione 5’-3’, l’altro è antiparallelo e va in direzione 3’-5’. Sono filamenti
complementari e antiparalleli. La distanza fra due basi è di un nanometro
esatto.
Le basi complementari si appaiano tramite legame idrogeno: non avviene
l’appaiamento citosina-adenina perché non può formarsi il legame H; non
avviene nemmeno quello tra timina e guanina perché avrebbe un solo
legame. Alcuni legami sono scindibili, ad esempio quando l’apparato protetto
deve interagire con la molecola di DNA per espletare le sue funzioni.
Slide 8: Proprio perché c’è un appaiamento di complementarietà tra i due
filamenti, ciascuno di questi può funzionare da stampo. Data la doppia elica,
per non ingombrare, i gruppi fosfato che sono carichi, sono rivolti all’esterno.
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Slide 9:La maggior parte delle volte l’elica del DNA ha andamento destrorso,
in altri casi è sinistrorsa, anche detta a zig zag, è meno comune ma
riscontrabile.
Possiamo avere diversi tipi e gradi di avvolgimento fino al
superavvolgimento del DNA: al centro c’è una molecola di DNA circolare,
detta DNA rilassato perché non è super avvolto (DNA batterico solitamente) e
due tipi di superavvolgimento, negativo o positivo a seconda che la torsione
avvenga rispettivamente in direzione opposta all’avvolgimento della doppia
elica, oppure nello stessa direzione. Questa disposizione serve a compattare
di più il DNA. Il superavvolgimento è possibile grazie a enzimi detti
topoisomerasi, anche se in alcuni casi può avvenire spontaneamente.
La topoisomerasi 1 e 2 sono due isoforme dello stesso enzima. Questi enzimi
sono responsabili di operare dei tagli all’interno del singolo o del doppio
filamento, quando deve essere accessibile e interagire con altre
macromolecole. Il processo di denaturazione e rinaturazione è un processo
in cui il filamento è separato, e si ricompatta nella doppia elica.
La topoisomerasi 1 rompe un singolo filamento, lo ruotano attorno a quello
intatto e gli enzimi risaldano. La topoisomerasi 2 rompe il doppio filamento e
poi viene ricucito.
Slide 12: un punto molto importante che vale sia per i procarioti, ma
soprattutto per gli eucarioti, è compattare molecole molto grandi in uno spazio
molto piccolo. Per i procarioti è più facili perché hanno una quantità di DNA
più piccolo: per esempio l’Escherichia Coli misura 1-2 micromeri e ha una
lunghezza del DNA di 1000 micrometri. Il DNA è confinato nel nucleotide e
deve essere compattato e superavvolto per farlo stare dentro. Il
superavvolgimento è una delle modalità con cui i procarioti compattano la
molecola del nucleoide ed è ulteriormente ripiegata nelle anse.
Negli eucarioti le dimensioni del DNA sono molto più grandi (1m deve stare in
5 micrometri) e i livelli di compattamento della molecola sono molto più
elaborati. Per vedere i vari gradi di impacchettamento occorre sapere che il
DNA è associato a 4 tipi di proteine, dette proteine istoniche le cui isoforme
sono contenute in due copie (la dimensione si esprime in kdalton)???
Si formano delle particelle con dei nucleosomi dove il DNA si avvolge attorno
al nucleo proteico. Si possono distinguere dal nucleosoma 8 proteine più una
detta H1 che serve a far interagire il complesso istonico con il filamento di
DNA. Ci sono svantaggi nell’interazione con altre proteine e questi
nucleosomi possono essere modificati e riarrangiati.
I complessi Swi e Snf servono a srotolare il DNA.
Il nucleosoma serve a disporre il DNA in una struttura “a filo di perle”, in cui
le perle sono i vari nucleosomi che sono uniti da una piccola porzione di DNA
di poche basi che è il DNA di collegamento/glitter. Da questo livello di
organizzazione la struttura a filo di perle si compatta in una fibra di cromatina
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