Diapositiva 1 - Facoltà di Medicina e Chirurgia

Testi consigliati CdL Medicina e Chirurgia
AA 15-16
• G. DE LEO , E. GINELLI , S. FASANO - Biologia e genetica. (III ed
EdiSES)
• G. KARP – Biologia Cellulare e molecolare. ( IV o V ed. EdiSES)
• W.M. BECKER, L.J. KLEINSMITH, J. HARDIN – Il mondo della
cellula. (VIIII ed. Pearson)
• A. FANTONI, S. BOZZARO, G. DEL SAL, S. FERRARI, M. TRIPODI
– Biologia Cellulare e Genetica. (Piccin Ed.)
• R. ALBERTS, A. JOHNSON, J. LEWIS, M. RAFF, K. ROBERTS, P.
WALTER- L’essenziale di Biologia molecolare della cellula. (III ed.
Zanichelli)
La biologia è lo studio scientifico della vita e
delle diverse forme viventi
Negli ultimi decenni enorme sviluppo di questa
disciplina
Forte impatto sulla cultura e su vita quotidiana
Ricadute su medicina, alimentazione, religione,
agricoltura e processi economici, rapporti sociali,
psicologia, scienze forensi, etc
Metodo scientifico
Ipotesi basata su osservazioni e conoscenze precedenti
Esperimenti controllati e riproducibili (in vitro-in vivo- in silico)
Analisi e interpretazione dati risultati
Verifica o smentita dell’ipotesi
Con verifiche successive HP può divenire/essere
accettata come TEORIA
Proprietà fondamentali dei viventi. Organismi ed ambiente. Principi di
ecologia, organizzazione della materia vivente.
CHIMICA: Chimica base della vita (legami chimici e molecole)
CITOLOGIA: Organizzazione cellulare. procariotI e eucarioti. Compartimenti
cellulari eucariotici. Sistemi di trasporto attraverso le membrane.
BIOCHIMICA: molecole biologiche ed enzimi.
metabolismi energetici. respirazione cellulare e fotosintesi.
BIOLOGIA CELLULARE E FISIOLOGIA CELLULARE
comunicazione intercellulare. meccanismi di trasduzione del segnale
intercellulare.
forma e motilità cellulare; smistamento delle molecole; riproduzione e ciclo
cellulare. Differenziamento e morte cellulare. Cancro.
GENETICA-BIOLOGIA MOLECOLARE
Flusso di informazione genetica nelle cellule
Trasmissione dei caratteri.
Malgrado l’enorme biodiversità, esistono proprietà comuni a
tutti gli esseri viventi
•
•
•
•
•
•
•
•
Ordine (esistenza di strutture ordinate)
Regolazione/omeostasi (dell’ambiente interno)
Capacità di riprodursi
Crescita e sviluppo (ogni organismo segue
un modello caratteristico della propria specie);
Uso/assunzione di energia e materia
Risposta all’ambiente (o “irritabilità”)
“Progetto” interno/archivio informazioni
Evoluzione
Gli esseri viventi si riproducono
Gli esseri viventi reagiscono agli stimoli
Progetto interno: I sistemi viventi contengono le istruzioni chimiche
che controllano la loro struttura e funzione
Il DNA contiene l’informazione
genetica per costruire le molecole che
costituiscono cellule ed organismi.
L’informazione è replicata e trasmessa
da una generazione alla successiva.
Il DNA si trova in tutte le cellule e
l’informazione genetica è codificata
nello stesso modo in tutti gli
organismi.
I viventi sono impegnati in attività metaboliche
grazie al metabolismo ottengono energia dall’ambiente e la usano per
crescere, riprodursi, sintetizzare molecole, mantenere ordine interno, ecc.
Le cellule sono il livello base dell’organizzazione della vita e possono
organizzarsi in sistemi uni- o pluri-cellulari.
Le cellule sono le unità strutturali e funzionali di cui sono costituiti i viventi.
La cellula è l’unità fondamentale della vita. È infatti la struttura più semplice
in grado di compiere tutte le attività richieste per la vita/dotata di tutte le
proprietà caratterizanti gli esseri viventi.
I sistemi viventi hanno
un’organizzazione
gerarchica in cui ogni
livello strutturale ha come
base quello sottostante
–La gerarchia parte dalle
molecole per arrivare agli
ecosistemi e alla biosfera.
Gli organismi e i loro ambienti formano
reti interconnesse
CO2
O2
CO2
Ogni organismo interagisce con
l’ambiente in cui vive formando una rete
complessa di relazioni che collegano tra
loro gli esseri viventi ed il loro ambiente.
ECOSISTEMA= insieme di fattori biotici e
abiotici.
H2O
fattori biotici : organismi che costituiscono la
comunità di specie che occupano una
determinata zona.
fattori abiotici : temperatura, clima,
precipitazioni, forme di energia, gas, sostanze
nutritive e altri composti chimici.
Nell’ambito di un ecosistema ogni specie ha una propria nicchia ecologica:
cioè un suo ruolo nell’uso complessivo delle risorse abiotiche e biotiche.
Specie diverse hanno “conquistato” nicchie diverse
la nicchia ecologica è definita spesso come il”lavoro” di una specie!
A. insolitus
si apposta sui rami ombrosi.
A. ricordii
A. insolitus
A. aliniger
A. distichus
A. distichus
si apposta su superfici assolate.
A. christophei
A. cybotes
A. etheridgei
Da “L’Essenziale di Biologia. Campbell et al., Pearson Ed.”
Gli ecosistemi cono caratterizzati da:
-Riciclo di materia: trasferimento delle sostanze nutritive chimiche
dall’atmosfera e dal suolo, ai produttori, ai consumatori, ai
decompositori e indietro all’ambiente.
-Flusso di energia: gli ecosistemi ricevono energia dal sole (*) e la
trasformano in energia chimica; fluisce attraverso il sistema
trasformandosi in attività cellulari; parte di essa è dispersa nell’ambiente
come calore (flusso a senso unico e aumento di entropia globale).
In un ecosistema le sostanze chimiche vengono continuamente
riciclate passando dalla materia organica alle riserve abiotiche e
viceversa
I cicli biogeochimici
descrivono i flussi e le
trasformazioni delle sostanze
nutritive che sono riciclate e
continuamente trasferite dagli
organismi ai serbatoi abiotici.
•Cicli gassosi (riserva abiotica
principale nell’atmosfera) cicli
globali;
•cicli sedimentari (riserva
abiotica nel suolo) cicli locali
3
Consumatori
2
Produttori
1
Detritivori
Sostanze
nutritive
disponibili
per i produttori
4
Serbatoio
abiotico
Livello trofico
La catena alimentare illustra il flusso di
energia e nutrienti attraverso i vari
organismi di un ecosistema suddivisi in
livelli trofici
Consumatori
quaternari
Poiana
•
•
La materia fluisce dai produttori ai
consumatori primari, ai consumatori
secondari e di livello superiore.
I decompositori (animali saprofagi,
funghi e procarioti) chiudono il ciclo:
decompongono i materiali di scarto e
riciclano le sostanze nutritive negli
ecosistemi (atto finale che lega tutti gli
organismi in un ciclo) .
Orca
Consumatori
terziari
Serpente
Tonno
Consumatori
secondari
Topo
Aringhe
Consumatori
primari
Cavalletta
Zooplancton
Produttori
Pianta
Catena alimentare terrestre
Da “L’Essenziale di Biologia. Campbell et al., Pearson Ed.”
Fitoplancton
Catena alimentare marina
In un ecosistema le catene alimentari si intersecano
 complesse reti alimentari
Consumatori quaternari,
terziari,
e secondari
Consumatori
terziari
e secondari
Consumatori
secondari
e primari
Consumatori
primari
Produttori
(piante)
La disponibilità di energia limita la lunghezza delle catene alimentari, poiché ad
ogni livello si ha perdita di energia e quindi minore produzione di biomassa,
le catene alimentari possono essere rappresentate come strutture
piramidali, con i produttori alla base e i livelli trofici superiori al vertice
piramide di produttività
mostra il flusso di energia dai
produttori ai consumatori dei vari
livelli trofici.
Consumatori
terziari
Consumatori
secondari
Consumatori
primari
10 kcal
100 kcal
1000 kcal
Produttori
10 000 kcal
1 000 000 kcal di energia luminosa
Da “L’Essenziale di Biologia. Campbell et al., Pearson Ed.”
piramide numerica
mostra i rapporti numerici di tra le
popolazioni dei vari livelli trofici.
La piramide della produttività spiega perché il consumo di carne può
essere considerato un lusso in un mondo con 7 miliardi abitanti
I produttori potrebbero «sostenere» molte più persone se uomo si comportasse
come consumatore primario (dieta prevalentemen. veg) e non come consumatore
secondario (dieta prev. carnivora).
Livello trofico
Consumatori
secondari
Consumatori
primari
Individui a dieta
carnivora
Bestiame
Individui a dieta
vegetariana
Mais
Produttori
Da “L’Essenziale di Biologia. Campbell et al., Pearson Ed.”
Mais
CLASSIFICAZIONE DEI VIVENTI
Tutti i viventi sono classificati in categorie (o taxa) secondo un preciso
ordine gerarchico (Tassonomia= studio della diversità e della classificazione
dei viventi in categorie dette taxa.)
Felis catus
Specie (gatto domestico)
Genere
Seguendo il sistema ideato
da Linneo (nomenclatura
binomia) ogni specie vivente
è identificata da un nome
latino composto da due parti
:primo nome= genere (che,
di solito, comprende più
specie)
secondo nome = specie.
Carnivora (carnivori)
Ordine
Phylum
Regno
Dominio
Da “L’Essenziale di Biologia. Campbell et al., Pearson Ed.”
Felidae (felidi)
Famiglia
Classe
Felis
Mammalia (mammiferi)
Chordata (cordati)
Animalia (animali)
Eukarya
Concetto di “specie”
Specie = unità di base per la classificazione degli
organismi viventi.
Definizione: insieme di esseri viventi con caratteristiche
simili in grado di accoppiarsi e generare prole feconda
("interfecondità").
NB: questa definizione di “specie” si basa sulla capacità di procreazione
(interfecondità) ma non è sempre applicabile (ad es. i batteri, che si
riproducono con modalità diverse)  definizione basata su analisi di
similitudini nell'anatomia, ecologia e/o nel DNA.
Le forme di vita si possono classificare in 3 domini
tre grandi categorie tassonomiche :
SEM 3250
•Eubacteria (eubatteri)
procarioti
•Archeabacteria (archebatteri o archei);
•Eukarya, il dominio degli eucarioti, suddiviso nei 4 regni dei
protisti,funghi, piante animali.
Protista
Fungi
SEM 25 000
Eubacteria
Archebacteria
Plantae
Animalia
Cellule procariotiche e cellule eucariotiche
Tratti comuni: DNA come materiale genetico, citoplasma racchiuso da
membrana, metabolismi simili
Differenze: dimensioni, grado complessità strutturale, presenza nucleo,
organelli e compartimentazione interna, modalità divisione cellulare,…
L’ambiente intracellulare è acquoso (citosol)
I compartimenti membranosi consentono separazione funzionale delle varie
attività metaboliche/cellulari
TH endosimbiosi,
2 miliardi anni fa comparsa eucarioti
1) Cell procariotica più antica: tracce fossili anteriori
(2,7 miliardi anni)
2) Identità genetiche e metaboliche tra pro ed eu
 Eucarioti derivano da procarioti, evoluzione non
indipendente
Gli eucarioti sono evoluti in 2 direzioni diverse
Unicellulari complessi (protisti)
Pluricellulari cellule differenziate (metazoi, piante)
Analisi comparativa della struttura di molecole informazionali (es rRNA,
fingerprint prima, analisi seq poi) come orologio evolutivo:
Maggiore differenza incidenza accumulo mutazioni maggiore lasso tempo
maggiore distanza evolutiva
permette ricostruire alberi filogenetici (relazioni parentela tra varie specie)
Procarioti, eucarioti, pur mostrando
notevole differenza di complessità
strutturale, condividono le stesse
basi molecolari: entrambi usano il
DNA come materiale chimico per
costituire i geni, le unità discrete
dell’informazione ereditaria.
A
C
T
A
T
A
C
Solo in alcuni virus il materiale
genetico è l’RNA
C
G
T
A
G
T
A
I virus sono parassiti cellulari
•Organizzazione semplice: acido nucleico (DNA o RNA)+ rivestimento proteico
•Sopravvivenza e riproduzione dipendono dalle cellule infettate  non sono
“veri” organismi viventi
Testa
Coda
Virus batterico a DNA
DNA
Fibre della coda
Proteine RNA
Involucro esterno
RNA
Rivestimento proteico
Estroflessione glicoproteica
Virus vegetale a RNA
Virus animale ad RNA
Unità e diversità in biologia
le forme viventi sono molto diverse, ma esiste una sorprendente unità
soprattutto nei livelli gerarchici più bassi dell’organizzazione biologica (es
DNA e codice genetico, sistemi biochimici, etc).
In tutte cellule viventi l’informazione genetica fluisce da DNA all’RNA,
dall’RNA alle proteine
L’identità nella chimica di base consente lo
studio di fenomeni complessi in «organismi
modello»
Proteine di organismi diversissimi, ma con funzione
corrispondente, sono molto simili
Es proteina di controllo del ciclo cellulare di lievito e umana
Geni quasi identici controllano le stesse caratteristiche
Es mutazione su gene kit macchia bianca sulla fronte
L’unitarietà dei fenomeni biologici-corrispondenze a livello molecolarecellulare- alla base del concetto di organismo modello
rappresentativi e vantaggiosi sistemi di studio
L’evoluzione è il concetto che unisce tutti campi della biologia
Unità e diversità si spiegano con
l’evoluzione:
la vita evolve di continuo e tutti gli
organismi sono imparentati tra
loro
LUCA: last universal common
ancestor
osservazioni fatte da C. Darwin durante un viaggio a bordo del Beagle
 fondamentali per lo sviluppo della sua teoria evolutiva
Premesse/osservazioni:
1) Risorse limitate rispetto alle potenzialità riproduttive dei viventi
2) Variabilità all’interno di una popolazione
lotta per la sopravvivenza: successo riproduttivo diseguale:
individui con caratteristiche più favorevoli riescono a riprodursi
di più
Il naturalista inglese Charles Darwin pubblicò uno dei libri
più importanti e controversi mai scritti (L’origine delle specie
per selezione naturale) in cui propose la teoria della
selezione naturale.
La selezione naturale è un meccanismo di
«rielaborazione» che si verifica quando le popolazioni
o gli organismi, con variazioni ereditabili, vengono
esposti a fattori ambientali che favoriscono il processo
riproduttivo di alcuni individui rispetto ad altri.
(1) Popolazione con varie
caratteristiche ereditarie
1
(2) Eliminazione degli individui
con certe caratteristiche
2
(3) Riproduzione degli organismi
sopravvissuti
3
Evoluzione biologica (Darwin e Wallace)
1) Gli organismi viventi danno origine a molti discendenti
2) Le variazioni ereditabili fanno sì che alcuni individui competano con
più successo per cibo, spazio e accoppiamento
3) Gli individui di successo (fitness) trasmettono i loro tratti alla
generazione successiva
4) I tratti “di successo” diventano più comuni, quelli sfavorevoli meno
comuni
 popolazione in continuo cambiamento  BIODIVERSITA’
L’evoluzione dipende dalla variabilità del DNA (mutazioni,
rimescolamento genetico)
il melanismo industriale : esempio di selezione naturale:
Nella popolazione esistono varianti sia bianche che scure: l’ambiente
seleziona le une o le altre
•In ambiente inquinato le farfalle nere meno predate  maggiore fitness
•In ambiente non inquinato le farfalle chiare  maggiore fitness
NB: la variazione è già presente nella
popolazione: l’ambiente non induce la
variazione bensì seleziona!
Prove a favore dell’evoluzione
•Reperti fossili: si trovano fossili di
forme di vita estinte che sono molto
simili a specie viventi o anelli di
congiunzione tra specie estinte e
specie viventi
•Biogeografia: lo studio della distribuzione
geografica delle specie conferma ipotesi di
isolamento e/o di diffusione e diversificazione a
partire da una certa area
•Anatomia comparata: omologia nelle strutture anatomiche tra
specie imparentate
Strutture simili con origine simile
•Embriologia comparata: stadi di sviluppo embrionale e strutture
embrionali simili tra specie diverse
•Biologia molecolare: confronto a livello di sequenza nucleotidica
(DNA) o aminoacidica (proteine)
il numero di aminoacidi diversi nella sequenza dell’emoglobina è
proporzionale alla distanza filogenetica
Tutti gli organismi mostrano adattamenti, cioè caratteristiche che si
sono evolute mediate la selezione naturale.
Orca
Pangolino
Forma e struttura del becco degli uccelli riflettono l’adattamento ad
uno specifico tipo di alimentazione
Esiste anche la “selezione artificiale”!
Selezione artificiale: l’azione dell’uomo ha creato nuove specie a
partire da ancestrali forme selvatiche
La base chimica della vita
La vita richiede circa 25 elementi chimici (su un totale di 92 in natura) che
possono combinarsi tra loro per formare composti
Ossigeno, carbonio, idrogeno, e azoto sono i 4 elementi fondamentali per
costruire la maggior parte della materia vivente
.
Gli elementi in tracce
(oligoelementi) sono
essenziali almeno per alcuni
organismi, ma in minime
quantità.
Certi oligoelementi, come il Fe,
sono indispensabili per tutte le
forme di vita, mentre altri lo
sono solo per alcune specie.
Abbondanza relativa degli elementi nei tessuti animali e nella crosta terrestre
% rispetto al N tot di atomi
Carenze alimentari in alcuni oligoelementi possono causare diverse
condizioni patologiche.
Il fluoro sottoforma di fluoruro, aiuta a prevenire la carie interagendo con i
batteri che la causano.
Una carenza di iodio altera la fisiologia della tiroide, provocandone
l’ingrossamento (gozzo).
Gli elementi chimici possono combinarsi insieme per formare i
composti.
Un composto è una sostanza costituita da più elementi
combinati secondo un rapporto fisso.
Sodio
Na
Cloro
Cl
Cloruro di sodio
NaCl
L’atomo (dal greco àtomos: «indivisibile») è la più piccola unità di materia che
conserva le proprietà di un elemento
Un atomo è costituito da protoni e neutroni situati in un nucleo centrale.
Il nucleo è circondato da elettroni organizzati in gusci elettronici.
– –
+
+
2e–
+
+
Nuvola
elettronica
Nucleo
2 + Protoni
2
Nuvola
elettronica
6e–
++
Numero di massa = 4
Neutroni
2 – Elettroni
Gli atomi di ciascun elemento sono
caratterizzati da uno specifico numero di
protoni, che rappresenta il numero atomico.
Nucleo
6 + Protoni
6
Neutroni
6 – Elettroni
Numero di massa = 12
Isotopi
– Il numero di neutroni in un atomo può variare.
– Alcuni elementi presentano forme diverse di atomi dette isotopi.
– Alcuni isotopi sono radioattivi (nucleo instabile emette energia)
In biologia spesso si usano traccianti radioattivi per seguire le trasformazioni
chimiche subite dalle molecole negli organismi.
Spesso usati nella diagnostica medica in
combinazione con sofisticate strumentazioni
per la realizzare immagini.
• La configurazione elettronica di un atomo ne determina le proprietà chimiche
•Gli elettroni in un atomo si dispongono in gusci elettronici che possono contenere
numeri diversi di elettroni.
Guscio elettronico più esterno (può contenere fino a 8 elettroni)
Guscio elettronico più interno (può contenere fino a 2 elettroni)
Elettrone
Idrogeno (H)
Numero atomico = 1
Carbonio (C)
Numero atomico = 6
Azoto (N)
Numero atomico = 7
Ossigeno (O)
Numero atomico = 8
– Quando 2 atomi con un guscio elettronico incompleto reagiscono, ciascuno di
essi mette in comune (cede oppure riceve) elettroni, in modo da occuparlo
completamente.
– Queste interazioni solitamente fanno sì che gli atomi vengano tenuti insieme
da forze di attrazione chiamate legami chimici.
2 tipi fondamentali di legame chimico
Il legame ionico è l’interazione che si stabilisce tra ioni di carica opposta
Quando gli atomi cedono o ricevono elettroni si creano atomi carichi cioè ioni.
–
Trasferimento di
elettroni
–
+
Na
Cl
Na
Atomo di sodio
Cl
Atomo di cloro
–
Na
Cl
Cl–
Ione cloro
Na+
Ione sodio
Cloruro di sodio (NaCl)
Si forma un solido con
struttura cristallina
Na+
Cl–
Nel legame covalente due atomi mettono in comune una o più coppie di elettroni
poste sui livelli energetici più esterni, formando molecole.
Le molecole possono essere
rappresentate in molti modi.
2 H2
O2
2 H2O
Nella cellula sono molto importanti le interazioni intermolecolari-non covalenti
Es. molecole grandi, come le proteine, possono interagire /legarsi grazie a
complementarità di carica superficiale.
Serie di legami non
covalenti che, sommati,
rendono forte l’attrazione
• Attrazioni
elettrostatiche/ioniche,
• idrogeno,
• van der Waals
(fluttuazioni di carica)
L’acqua è fondamentale per la vita.
le caratteristiche chimiche dell’H2O alla base di
fenomeni biologicamente importanti
(–)
(–)
•La molecola dell’acqua è polare
O
(una molecola è non polare quando i suoi atomi
legati da legame covalente condividono gli elettroni equamente).
legame covalente polare →condivisione degli elettroni
tra gli atomi è asimmetrica → si crea una molecola polare
•La polarità della
molecola dell’acqua
consente la formazione
del legame idrogeno
H
(+)
Legame (–)
idrogeno (+)
H
(+)
O
(–)
(–)
(+)
H (+
)
(–)
H
(+)
L’H2O è meno densa allo stato solido
Struttura reticolare via
via più ordinata, rigida
e stabile
Il ghiaccio galleggia,
proteggendo laghi e oceani dal
congelamento
Polarità e presenza di legami idrogeno determinano:
•Coesione→trasporto radici-foglie
•Tensione superficiale elevata
•Elevata capacità termica (H2O immagazzina e rilascia
elevate quantità di calore, con minime variazioni di T)
perché è necessaria grossa quantità di calore-energia
per rompere legami H
•Funzione stabilizzante temperatura
→ mitigatrice di oceani e acque superficiali e
resistenza a cambiamenti termici
→sudorazione come mecc. di raffreddamento
L’acqua è un ottimo solvente di ioni e/o molecole polari o cariche.
Poiché le molecole di acqua sono piccole e polari, esse rivestono e
penetrano ioni e molecole polari  solvatazione o idratazione
soluti polari o carichi si sciolgono
quando le molecole d’acqua li
circondano, formando soluzioni
acquose.
Tutte le cellule contengono soluzioni
acquose
Molecole “idrofile”: solubili in acqua
Molecole idrofobiche/idrofobe: insolubili in acqua
perchè apolari e prive di carica - sono escluse dal legame con l’acqua e
quindi “costrette” ad associazioni apolari tra loro
L’acqua si dissocia
H2O
H+ + OH-
•Un composto che cede ioni H+ a una soluzione
è un acido.
•Un composto che accetta ioni H+ rimuovendoli
da una soluzione è una base.
•L’acqua è anfotera
L’acidità è misurata sulla scala del pH che va
da 0 (massima acidità) a 14 (massima
basicità).
pH= -log10 [H+]
scala LOG: ogni unità di pH corrisponde ad un
cambiamento di dieci volte nella concentrazione
di ioni H+
Il pH della maggior parte delle cellule è
tenuto vicino a 7 (neutro) da sistemi
tampone che contrastano i cambiamenti di
pH (es sistema tampone carbonato-ac
carbonico del plasma)
L’acqua è essenziale per la vita
alcune forme di vita bloccano attività metaboliche e sopravvivono anche disidratate
Le cellule sono formate da acqua e da molecole organiche cioè
contenenti CARBONIO
Formula
di struttura
Modello a sferette
e bastoncini
H
H
H
C
Modello
a spazio pieno
H
H
Metano
C
H
H
H
I quattro legami semplici del carbonio
determinano i vertici di un tetraedro
Un atomo di C può formare 4 legami covalenti.
Questi legami gli permettono di formare
composti organici con scheletri carboniosi
vari per lunghezza e ramificazione (grandi
molecole, molto diverse tra loro).
In questi composti C lega C, H, O , N , P, S.
Il C puo’ essere asimmetrico: centro chirale
Ogni molecola può avere 2n stereoisomeri per n atomi di C asimettrici
PROPRIETA’ CHE RENDONO UNICO IL CARBONIO
-valenza 4 4 legami covalenti stabili con C e altri atomi
- varietà molecole generabili (saturazione, lineari, circolari,..)
- potenziale stereisomeria ulteriore varietà
I gruppi funzionali determinano le caratteristiche chimiche dei composti
organici
In una molecola organica, i gruppi funzionali sono gruppi di atomi che partecipano
alle reazioni chimiche e che conferiscono proprietà particolari
Molte molecole organiche sono polimeri = unione di monomeri
Nella cellula esistono 4 famiglie di molecole organiche «piccole» che
polimerizzano per dare componenti base
Sintesi di polimeri per
condensazione di monomeri
Degradazione di polimeri per idrolisi
molecole di acqua rompono legami tra
monomeri
Criteri chimico-strutturali delle biomolecole/strutture cellulari
1. semplicità chimica: maggior parte di molecole cellulari formate a partire da
circa 30 subunità (20 aa, 3 monosaccaridi, 5 basi azotate, 2 lipidi)
1. gerarchia assemblaggio
4 classi principali di molecole biologiche
1. carboidrati
2. lipidi
3. proteine
4. acidi nucleici
Carboidrati
molecole polari con funzione energetica (combustibile e riserva) e/o strutturale
(parete, membrane).
I monomeri costituenti i carboidrati sono i monosaccaridi o carboidrati semplici
H
O
H
C
H
O
H
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
O
H
H C
OH
H
C
OH
H
C
O
H
Miele= miscela di 2 zuccheri semplic:i Glu e Fru
Glucosio
H
O
Fruttosio
H
formule grezze = multipli di CH2O
C
C
H
OH
C
O
C
H
H
•gruppi funzionali ossidrilici (-OH) che conferiscono allo zucchero caratteristiche
alcoliche;
•un gruppo carbonilico (-C=O) che, a seconda di dove è posizionato, conferisce
caratteristiche aldeidiche o chetoniche poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni
Tutti gli zuccheri semplici possono fornire energia ma devono prima
esere convertiti in Glu
I monosaccaridi possono anche presentarsi sotto forma di strutture
ad anello (più stabili)
Glu = aldoesososo punto di partenza comune per metabolismo energetico
Disaccaridi
•Maltosio (Glu-Glu) (semi in germinazione)
•Saccarosio (Glu-Fru) (floema piante, zucchero da cucina)
•Lattosio (Glu-Gal) (nel latte)
•Unione di poche unità monosaccaridiche  OLIGOSACCARIDI
(associati a proteine o lipidi)
•Unione in catene + o – ramificate di molti monosaccaridi  POLISACCARIDI
Funzione di riserva energia: glicogeno, amido (amilosio e amilopectine)
Funzione strutturale: cellulosa, chitina
Sono tutti polimeri del Glu!
Polisaccaridi formati da monosaccaridi identici
ma con proprietà chimico-strutturali molto diverse
Glicogeno
Amido
Cellulosa
Lipidi
ampia categoria di molecole con struttura e funzione
varie, accomunati dal carattere idrofobico
-Lipidi neutri: trigliceridi (grassi ed oli - deposito energia)
-Fosfolipidi (componenti membrana)
-Steroidi (4 anelli fusi, componenti membrana e ormoni)
-Isoprenoidi (carotenoidi e clorofille)
-Cere (rivestimenti resistenti all’acqua,
in vegetali e animali)
Trigliceride o triacilglicerolo
Saturi o insaturi in base a presenza di doppi legami
•Oli (grassi veg) liquidi a T ambiente (prevalgono ac. insaturi)
•Grassi animali solidi a T ambiente (prevalgono ac. saturi)
I doppi legami inseriscono “piegature”
che aumentano la fluidità molecolare
Trigliceridi immagazzinati in tessuto adiposo come riserva energetica
trasportati nel sangue in complessi lipoproetici (HDL, LDL, …)
Lipidi complessi polari: Glicerofosfolipidi o fosfolipidi
Glicerolo+ 2 ac grassi+ gruppo P e residuo polare
Molecole anfipatiche che in acqua tendono ad organizzarsi in doppi strati
base strutturale delle membrane biologiche
bilayer
micella
liposoma
I detergenti sono acidi grassi particolari
Da un lato interagiscono con lo sporco
(grasso) dall’altro con l’acqua.
Negli sfingolipidi c’è sfingosina al posto del glicerolo:
stesse proprietà anfipatiche
Steroidi
Ossatura ciclica a 4 anelli - debole polarità
Colesterolo: regolatore della fluidità di membrane e precursore di ormoni
steroidei (molecole segnale)
Lipidi sintetizzati a partire da
unità di isoprene
•Pigmenti vegetali
•Componenti oli essenziali
•Vitamina A
•Dolicol fosfato: trasporto di zuccheri
attivati nella sintesi su membrna di
glicoproteine
Proteine: polimeri lineari di amminoacidi
elevata complessità strutturale
Funzioni molto varie:
•Ruolo catalitico: enzimi
•p. strutturali (es cheratina, fibroina, collagene, tubulina…)
•p. motrici (miosine, dineine, chinesine)
•p. deposito-riserva (es albumina)
•p. trasporto (es Hb, trasferrina, lipoproteine, trasporto di membrana)
•di difesa (anticorpi) –
•Messaggi chimici e regolatori (ormoni - fattori di crescita)
•Recettori (recettori ormonali e di LDL)
•Regolatori: fattori trascrizionali
•Tossine (es bungarotossina)
Le proteine sono coinvolte in quasi tutte le attività di una cellula!
Le proteine sono costituite solo da 20 tipi diversi di amminoacidi
•Ogni amminoacido contiene:
– un gruppo amminico;
– un gruppo carbossilico;
– un gruppo R, regione variabile che determina le proprietà specifiche
di ciascuno dei 20 diversi amminoacidi.
H
O
H
N
C
H
C
OH
R
Gruppo
amminico
Gruppo (acido)
carbossilico
Il Cα è centro chirale (in quanto lega 4 gruppi diversi)
L-aa usati in natura per sintesi ribosomale di proteine (D –aa solo in
alcuni peeptidi batterici (sintesi non ribosomale) e in alcuni tessuti animali)
•Ogni amminoacido ha proprietà specifiche basate sulla propria
struttura: caratteri chimici del gruppo R
•aa idrofobici
•e aa idrofilici (carichi e non carichi)
H
H
H
O
N
H
C
CH2
CH
CH3
H
C
O
N
OH
H
C
H
C
N
OH
H
Idrofobico
C
C
OH
H
CH2
CH2
OH
C
CH3
Leucina (Leu)
O
OH
Serina (Ser)
O
Acido aspartico
(Asp)
Idrofilico
gli amminoacidi si legano tra loro mediante condensazione e formazione di
legami peptidici, organizzandosi in catene polipeptidiche
I 4 atomi del legame peptidico giacciono sullo stesso piano
Le proteine hanno 4 livelli di complessità strutturale
Struttura primaria
sequenza di amminoacidi
Polarità strutturale (N e C terminale)
Sono possibili infinite combinazioni lineari di AA, quindi infinite sequenze
polipeptidiche.
La sequenza di AA definisce la struttura di una proteina e quindi la sua funzione.
Struttura secondaria: ripiegamento regolare, stabile e localizzato
Proteine fibrose (es cheratine, fibroine, collagene) hanno estese strutture secondarie
α- elica
filamento β
Legami H inter- o intra-catena stabilizzano le strutture
Nei foglietti β i filamenti scorrono paralleli o antiparalleli
con i gruppi R proiettati sopra e sotto il piano del foglio
Struttura terziaria
ripiegamento 3D complessivo
Struttura flessibile
basata su interazioni tra
catene laterali (R)
Le parti di catena non αelica e β-sheet, possono
dare anse, giri o estensioni
flessibili spesso associate
a specifiche attività
biologiche.
Oltre ai legami covalenti disolfuro, le interazioni non covalenti sono alla base
della struttura proteica
nelle proteine globulari gli elementi di strutt. secondaria si ripiegano a
gomitolo in modo specifico
p. fibrose ruolo strutturale spesso
extracellulare
p. globulari vari ruoli, intracellulari
Struttura quaternaria
Associazione di più catene polipetidiche
La catena si ripiega spontaneamente per dare struttura 3D finale
Se proteina solubile espone sulla superficie gruppi idrofilici e
richiude all’interno gruppi apolari-idrofobici
In alcuni casi ripiegamento agevolato dalle chaperonine
Ripiegamento non corretto delle proteine associato a patologie neurodegenerative
La proteina prionica PrPsc
produce aggregati
insolubili intracellulari
CJD
Il peptide Aβ forma aggregati fibrillari
extracellulari (placche amiloidi) AD
Nelle proteine stretto legame tra
STRUTTURA
FUNZIONE
Una proteina è costituita da una o più catene
polipeptidiche ripiegate secondo una particolare
configurazione che determina la funzione della proteina.
Scanalatura
Scanalatura
Se la proteina perde FORMA mediante DENATURAZIONE
perde la sua FUNZIONE.
Denaturazione delle proteine
Fisici: calore, radiazioni
Agenti denaturanti
Chimici: pH estremi, detergenti, sali, urea,
guanidina ecc.
•Lasciano intatta solo la struttura primaria
•modificano proprietà chimico-fisiche
•perdita attività biologica
•in molte proteine si può avere rinaturazione
Confronto tra strutture di proteine diverse
possiedono regioni strutturalmente
simili cui corrisponde funzione simile:
DOMINI= unità organizzative, tratti di
catena polipeptidica capaci di ripiegarsi in
struttura 3D compatta e stabile
porzioni distinguibili nella struttura 3D,
spesso unite da zone “cerniera”
Es dominio di legame al DNA (elica giroelica); dominio di legame nucleotidico
Le proteine hanno organizazzione
modulare: sembra che si siano evolute
mediante assemblaggio di domini esistenti
in nuove combinazioni
Proteina CAP (regolatore trascrizionale) composta da 2 domini distinti:
Legame al cAMP
Legame al DNA
Le proteine possono associarsi in strutture complesse
Le associazioni di proteine generano filamenti, tubi cavi, involucri sferici
Proteine coniugate
associate a molecole non proteiche o gruppi prostetici
Le proteine possono legarsi a:
Lipidi  lipoproteine
Glucidi glicoproteine
Acidi nucleici  nucleoproteine
Metalli  metalloproteine
…….
La mioglobina lega il gruppo prostetico eme
Acidi nucleici
polimeri con ruolo “informazionale”
•Gli acidi nucleici sono POLINUCLEOTIDI
•2 tipi di acidi nucleici: l’acido ribonucleico (RNA) e l’acido
deossiribonucleico (DNA)
•Il DNA ha funzione di deposito dell’informazione genetica
•l’RNA permette l’espressione dell’informazione
Insieme controllano vita e funzioni cellulari
Struttura di un nucleotide
i nucleotidi svolgono anche altre funzioni
cellulari: trasportatori di energia, coenzimi,
messaggeri intracellulari
I nucleotidi si organizzano in catene lineari:
polinucleotidi
Il gruppo fosfato di un nucleotide si lega allo zucchero
del nucleotide successivo andando a costituire uno
scheletro zucchero-fosfato (ponti fosfodiesterici)
con le basi azotate collocate all’esterno di questa
impalcatura.
A
T
Polarità nel filamento
5’ (P) 3’ (OH)
C
G
T
Scheletro zucchero-fosfato
Il DNA ha la forma di un’elica a doppio filamento
•Nel 1953 James Watson e Francis Crick determinarono la struttura tridimensionale del DNA,
basandosi anche sul lavoro di Rosalind Franklin.
•modello strutturale coerente con funzione di deposito informazione
Torsione
Il DNA è formato da 2 polinucleotidi
avvolti uno sull’altro in senso
destrorso, dando una doppia elica.
Le basi rivolte vs interno si
appaiano in modo specifico
mediante legami H (deboli
singolarmente ma con effetto
cumulativo)
A-T (2 legami H)
C-G (3 legami H)
C
A
C
C
T
G
G
A
T
C
G
A
T
T
A
Coppia di basi
G
T
A
A
T
A
C
T
I 2 filamenti del DNA sono antiparalleli e “complementari”
• Informazione determinata dalla sequenza di basi azotate
•Complementarità fa si che possa funzionare da stampo ( nei passaggi
di informazione)
Nel DNA si trovano i geni: specifici tratti contenenti
istruzioni per la sintesi di un polipeptide
Il materiale genetico, cioè l’insieme delle
informazioni che definiscono un organismo vivente,
è contenuto in gigantesche molecole di DNA sotto
forma di un codice molecolare (codice genetico).
I genomi hanno organizzazione e dimensione diverse
Differenze dell’ RNA rispetto al DNA
- filamento polinucleotidico singolo
- ribosio invece di deossiribosio
- Uracile invece di Timina
RNA: maggiore instabilità,
ruolo di vettore di informazione (transitorio) non deposito stabile
Molteplici funzioni
Localizzato nel nucleo e nel citoplasma
Strutture 3D complesse
Tanti tipi
rRNA, tRNA, mRNA, piccoli RNA (scRNA, snRNA, sno RNA) e
micro RNA, siRNA con funzioni regolative e catalitiche
(spliceosomi, telomerasi)
L’RNA si può ripiegare per dare strutture secondarie