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
– Funzionamento
L’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 preesistente
• 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 preesistente
• 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
•
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•
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
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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
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•
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 movimento
Questo movimento è detto diffusione laterale
La 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
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•
•
•
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
•
•
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•
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: GC, 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 delle
proteine è specificata dal codice genetico,
che correla triplette di nucleotidi, dette
codoni, 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
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•
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Glicolisi
Ossidazione del piruvato
Ciclo dell’acido citrico
Catena respiratoria
Calorimetria indiretta
(1) REE
correla direttamente con VO2
(2) RQ = VCO2 ÷ VO2
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
