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Biologia generale e cellulare, Lezione 01 Prof.ssa Fernanda Martini
PRESENTAZIONE CORSO
Il corso di Biologia Applicata sarà composto da tre docenti diversi: la prof.ssa Martini sarà la professoressa di Biologia Generale e Genetica,la prof.ssa Rizzo si occuperà di Biologia Molecolare, mentre la parte di Genetica di popolazione sarà trattata dal prof. Tugnon. La convalida degli esami bisogna necessariamente passare attraverso la segreteria e fare domanda qualora qualcuno avesse già un esame di biologia fatto in un altro corso di laurea e poi attendere l’esito dato dalla segreteria per la domanda definitiva. I docenti non hanno la possibilità di convalidare “a tu per tu” esami già svolti dallo studente. La modalità d’esame (riportato nel sito): per quanto riguarda la parte di biologia (Rizzo e Martini) l’esame è orale; mentre la parte di genetica è scritta. Libri di testo (sul sito sono già indicati per ordine di preferenza): 1. De Leo, Fasano- Biologia e Genetica, editore: EdiSeS ; pensato e scritto da molti docenti italiani che insegnano a medicina e odontoiatria per creare un libro di testo adatto per gli studenti del corso di Medicina e Chirurgia. Inoltre contiene sia il programma di biologia che di genetica. 2. B. Alberts, et al., Biologia molecolare della cellula, Ed. Zanichelli, Bologna. N.B.: Tutto il programma, i libri di testo consigliati e le slide si trovano sul sito dei docenti.
COS’E’ LA BIOLOGIA?
Il termine “biologia” deriva dal greco e letteralmente vuol dire “discorso intorno la vita”, essa è quindi la scienza che studia la vita, dove per “vita” indichiamo la capacità di riprodursi, ovvero la capacità di dare origine a esseri simili a se stessi. Queste tre sono le definizioni caratterizzanti la biologia. Gli organismi viventi Se pensiamo agli esseri viventi, ne troviamo di ogni sorta, cioè organismi unicellulari e organismi pluricellulari , come siamo noi. E’ possibile analizzare due tipi di cellule: una cellula più semplice, che è la cellula procariotica e l’altra più complessa che è la cellula eucariotica. Quest’ultima ci riguarda da più vicino perché noi siamo formati da cellule eucariotiche. La differenza sta prettamente nel fatto che, come ricorda l’etimologia stessa dei termini, le cellule procariotiche mancano di un nucleo (un esempio è dato dai batteri) mentre le cellule eucariotiche possiedono un nucleo ben definito.
LA CELLULA PROCARIOTICA
La cellula procariotica è un tipo di cellula molto semplice con una morfologia a cilindro. Le caratteristiche di queste cellule sono quelle di avere una membrana citoplasmatica interna , all’esterno una parete cellulare e a volte, non sempre, una membrana citoplasmatica esterna. All’interno del compartimento cellulare si può notare una matrice citoplasmatica amorfa , una soluzione acquosa all’interno della quale si diffonde la molecola di DNA che non è avvolta da nessuna membrana nucleare, formando una struttura compatta che prende il nome di nucleoide. La molecola di DNA è adesa alla membrana citoplasmatica attraverso un peduncolo di natura glicoproteica che si chiama mesosoma. Inoltre, si possono osservare ioni indispensabili per le reazioni chimiche e i ribosomi , che sono fondamentali per la sintesi proteica. LA CELLULA EUCARIOTICA È una cellula particolarmente complessa, caratterizzata prima di tutto da un nucleo avvolto dalla membrana nucleare, ricca di pori per permettere la comunicazione con il compartimento citoplasmatico e il passaggio di molecole, e da un sistema membranoso , costituito da organelli avvolti appunto da una membrana.
Proteine 15 18 Volume cellulare totale 210-12^ cm^3 410-9^ cm^3 Volume cellulare relativo 1 2000 L’acqua e gli ioni sono presenti nella stessa percentuale in entrambe le cellule, mentre per i fosfolipidi abbiamo una percentuale più alta nella cellula eucariotica per la presenza del sistema membranoso. Altri tipi di lipidi sono assenti nella cellula procariotica, mentre il contenuto di macromolecole è circa lo stesso. MACROMOLECOLE Sono molecole molto grandi costituite da unità monomeriche che si ripetono più di 100 volte. Tra le macromolecole, vengono annoverati i polisaccaridi, gli acidi nucleici e le proteine, i cui monomeri sono rispettivamente monosaccaridi, nucleotidi e amminoacidi. I lipidi non sono macromolecole perché non esistono unità monomeriche individuabili a livello molecolare. Dato che la maggior parte di queste molecole sono immerse nell’acqua, possiamo distinguerle in molecole idrofiliche che hanno cioè una buona affinità per l’acqua, come NaCl, e idrofobiche che rifuggono l’acqua non avendo gruppi polari capaci di interagire con l’acqua stessa. Un esempio è dato dai fosfolipidi i quali interagiscono con l’acqua in un duplice modo avendo una parte polare, idrofilica e una parte apolare, idrofobica. Oppure le catene policarboniose che, immerse in una soluzione acquosa, si dispongono in modo tale che la parte idrofobica non reagisca con l’acqua formando una struttura micellare (a) oppure una struttura che ricorda la membrana citoplasmatica (c). Se portiamo queste molecole a livello superficiale dell’acqua, si forma la seguente struttura: con la testa polare rivolta verso l’acqua e la coda idrofobica verso la fase apolare. Polisaccaridi Sono costituiti da monosaccaridi. Esempi di polisaccaridi sono l’amilosio e la cellulosa, entrambi costituiti da glucosio; l’unica differenza è data dal diverso legame tra le molecole di glucosio: nell’ amilosio ritroviamo legami alfa, nella cellulosa legami beta. L’amilosio è molto abbondante nelle piante costituendo una riserva di zucchero indispensabile, mentre la cellulosa ha funzione strutturale essendo una componente fondamentale della corteccia.
Il glicogeno è il polisaccaride più rappresentativo nella cellula animale e presenta una struttura molto più ramificata. Proteine Dal greco proteios che vuol dire “di primaria importanza”, il nome fu dato in quanto, una volta scoperte, ne vennero individuate così tante e con funzioni così varie da ritenersi di primaria importanza. Ancora non era stato scoperto il DNA che rappresenta davvero la molecola fondamentale. Le proteine svolgono molte funzioni: sono enzimi; proteine strutturali come nel citoscheletro; proteine canale che si innestano attraverso i fosfolipidi, importanti per mettere in comunicazione esterno ed interno della cellula; sono anche le molecole che permettono la contrazione delle cellule (cellule muscolari e macrofagi, i quali si muovono verso le aggressioni interne); ormoni proteici e fattori di crescita; proteine di trasporto come l’emoglobina; anticorpi; proteine di deposito di materia e di energia; tossine. Le unità monomeriche delle proteine sono i 22 amminoacidi, 2 dei quali scoperti molto più tardi rispetto ai primi 20. Infatti, oltre ai classici che conosciamo divisi in apolari, polari privi di carica, basici e acidi, ci sono anche la selenocisteina e la pirrolisina. Ciascun amminoacido è costituito da un carbonio centrale, il carbonio alfa, a cui sono legati una parte carbossi-terminale, una ammino-terminale, un atomo di idrogeno e il gruppo R, che varia in base al tipo di amminoacido. Ogni amminoacido si lega con l’amminoacido adiacente formando un particolare tipo di legame che è caratteristico solo degli amminoacidi e si chiama legame peptidico. L’estremità carbossi-terminale di un amminoacido si lega con l’estremità ammino-terminale dell’amminoacido successivo. Le proteine possono presentare diverse strutture: la struttura primaria, la secondaria, la terziaria e la quaternaria. La struttura primaria di una proteina, in questo caso l’insulina, è stata osservata per la prima volta da Sanger nel 1953. Ottenere la struttura primaria di una proteina vuol dire avere la struttura della proteina linearizzata in modo tale che uno riesca a leggere tutti gli amminoacidi componenti. Questi ultimi influenzeranno la conformazione tridimensionale che la proteina tenderà ad assumere quando sarà immersa nella soluzione acquosa rivolgendo gli amminoacidi idrofobici verso l’interno e quelli idrofilici verso l’esterno. Quello che si apprezza nel caso dell’insulina è che essa è costituita da due peptidi diversi, il primo formato da 21 amminoacidi; il secondo da 30, associati tra di loro mediante i cosiddetti ponti disolfuro , formati dalla condivisione di atomi di zolfo appartenenti a diversi amminoacidi, quali la cisteina e la metionina.
La struttura quaternaria riguarda quelle proteine costituite da più peptidi diversi, come l’ emoglobina formata da due catene alfa e due catene beta e funziona se e solo se possiede questa struttura quaternaria, e come gli anticorpi costituiti da due peptidi detti catene pesanti e due peptidi detti catene leggere. DENATURAZIONE E RINATURAZIONE Una caratteristica fisica particolare delle proteine è quella della denaturazione e rinaturazione. Denaturare significa ridurre una proteina alla sua struttura primaria (lineare) partendo dalla sua struttura tridimensionale. Gli esperimenti di denaturazione e rinaturazione sono stati fondamentali perché hanno dimostrato per la prima volta che la struttura tridimensionale delle proteine dipende dalla loro struttura primaria. L’esperimento è stato condotto partendo da una proteina nella sua struttura terziaria che viene denaturata rompendo tutti quei legami deboli che esistono tra gli amminoacidi e che vanno a costituire la struttura terziaria stessa. Si possono avere due approcci per ottenere la denaturazione:
● Approccio fisico , che impiega la temperatura. Infatti, un aumento di temperatura va ad interrompere i legami tra i diversi amminoacidi, portando la proteina ad assumere la sua struttura primaria. ● Approccio chimico , utilizzando delle soluzioni, per esempio l’urea e il mercaptoetanolo, composte da reagenti che si intercalano tra i legami deboli riducendo la proteina alla sola conformazione primaria. Per definizione la denaturazione è un processo reversibile, qualsiasi proteina che viene denaturata può avere il processo inverso, cioè quello della rinaturazione , dove la proteina riacquista la sua conformazione originale. Questo è possibile o eliminando le soluzioni chimiche che l’hanno denaturata (nel caso di un approccio chimico) attraverso dei lavaggi, o abbassando la temperatura (nel caso di un approccio fisico). Questo deve essere un processo molto lento per far in modo che la proteina rinaturi in modo corretto.
ACIDI NUCLEICI
L’unità monomerica degli acidi nucleici è il nucleotide, le cui componenti sono: ● un gruppo fosfato, legato al carbonio in 5’. ● uno zucchero pentoso; gli zuccheri possibili sono due, in quanto sono due gli acidi nucleici, il DNA e l’RNA, che possiedono rispettivamente il desossiribosio e il ribosio. La differenza tra i due zuccheri è che il desossiribosio non presenta l’ossigeno nel carbonio in posizione 2’ (come suggerisce anche il nome), al contrario il ribosio in quel punto presenta il gruppo ossidrile. ● una base azotata, legata al carbonio 1’; le basi azotate possibili sono divise in due gruppi: le purine , più complesse in quanto costituite da due anelli ciclici azotati, a cui
DNA
La struttura del DNA è costituita da due catene polinucleotidiche complementari e antiparallele. Complementarietà data dalle basi azotate che si associano tra loro con un modulo fisso: ● la timina con l’adenina mediante due legami a idrogeno ● la guanina con la citosina mediante tre legami a idrogeno I filamenti sono antiparalleli perché hanno orientamenti inversi: uno termina da una parte con l’estremità 5’ esponendo un gruppo fosfato, e dall’altra rivolgendo il gruppo ossidrile (-OH) in posizione 3’; viceversa per l’altro filamento. La sequenza di nucleotidi possiamo definirla come la struttura primaria del DNA, rifacendoci alla struttura delle proteine, mentre i due filamenti che vanno ad avvolgersi in una doppia elica, generalmente destrorsa, è la struttura definitiva del DNA. Si possono riconoscere alcuni motivi e numeri fissi: il diametro è di 2 nm ; il passo dell’elica , ovvero un giro completo, è di 3,4 nm e racchiude 10 nucleotidi e la distanza tra due nucleotidi è di 0,34nm. La scoperta della struttura del DNA è avvenuta nel 1953 da parte di Watson e Crick per cui vinsero il premio Nobel nel 1962. Infatti in quel periodo si sapeva che il DNA era presente all’interno delle cellule, ma non era chiara la sua organizzazione. Watson e Crick non fecero alcun tipo di esperimento, ma intuirono la struttura grazie all’immagine presentata sopra, detta Lastrina n°51, prodotta dalla ricercatrice Rosalind Franklin , che in quel periodo si dedicava ad esperimenti per comprendere quale fosse la reale struttura del DNA, mediante il metodo della diffrazione a raggi X. Creava una struttura cristallina del DNA che faceva attraversare da raggi X, i quali venivano deviati ( rifratti secondo uno schema caratteristico del peso atomico e della disposizione spaziale degli atomi nella molecola ) e raccolti su una lastra fotografica. Lei non aveva compreso il significato di questa immagine, ma il capo, Wilkins, trovò questa lastrina e la mostrò a Watson e Crick che intuirono la struttura del DNA. Nell’immagine, infatti, si possono osservare i due filamenti che si intersecano tra di loro formando una “x” la cui dimensione corrisponde a 3,4 nm; inoltre si osservano degli spazi fissi di 0,34 nm. Conclusero quindi che non poteva essere altro che una struttura ad elica a due filamenti complementari fra loro. Franklin non ricevette il premio Nobel in quanto, avendo lavorato a lungo con i raggi X, che sono trastogeni ovvero in grado di tagliare le molecole di DNA causando mutazioni nelle cellule, morì nel 1958 di tumore associato alle radiazioni. Inoltre, dato che ricorreva una misura fissa di 2 nm (il diametro) sulla lastrina si chiedevano quali potessero essere le combinazioni di basi che potevano dare un diametro simile. Si concluse che l’unica combinazione possibile fosse quella di complementarietà tra una purina e una pirimidina.
Questa scoperta ha avuto ed ha tutt’ora delle implicazioni importantissime nell’ambito della biologia e della medicina e ha permesso un grande ampliamento delle conoscenze. Esistono diverse strutture possibili di DNA: ● forma B è la struttura fisiologica precedentemente descritta (doppia elica destrorsa) e preponderante ● forma A, forma sperimentale ● forma Z ricorre in alcune zone del DNA ed è esattamente contraria alla struttura B in quanto assume una conformazione sinistrorsa. Non si sa esattamente perché esistono queste strutture, ma un’ipotesi potrebbe essere che quelle zone di DNA sono quelle che contengono delle sequenze geniche. Dato che un gene, per essere espresso, necessita di un corredo enzimatico importante, è necessario che i due filamenti di DNA si aprano, quindi girando il DNA nella parte sinistrorsa si creano delle zone di
apertura tra i due filamenti che rendono accessibili i corredi di trascrizione del DNA.
