Appunti biologia

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Appunti biologia

 

Gerarchia dell’organizzazione

  • Una delle caratteristiche fondamentali della vita è l’ordine.
  • L’organizzazione biologica è basata su una gerarchia di livelli strutturali all’interno della quale ogni livello si sviluppa da quello ad esso inferiore.
  • Gli atomi, le particelle che formano la struttura di ogni tipo  di materia, possono dar luogo a complesse molecole biologiche come le proteine.
  • Le molecole presenti negli esseri viventi formano minuscole strutture dette organuli che costituiscono i componenti delle cellule.
  • Alcuni organismi sono formati da una singola cellula, altri, invece, tra cui piante ed animali, sono aggregati di molti tipi specializzati di cellule.
  • Negli  organismi  pluricellulari  le  cellule  simili  tra  loro si aggregano formando i tessuti.
  • Particolari associazioni di tessuti diversi formano gli organi.

 

Rapporto tra individuo e ciò che lo circonda:tipi di relazioni

  • Una   popolazione   è   un   gruppo   localizzato   di      organismi appartenenti alla stessa specie.
  • Più popolazioni costituite da specie diverse in una stessa area formano una comunità biologica.
  • L’insieme delle interazioni che hanno luogo all’interno di una comunità e che interessano anche le forme abiotiche, come il terreno e l’acqua, formano un ecosistema.

 

Classificazione degli organismi

I tassonomisti classificano gli organismi dividendoli in gruppi seguendo caratteri che rivelano affinità filogenetiche (legate  alla storia evolutiva di una specie o di un gruppo di specie filogenesi= storia di una specie o di un gruppo di specie)

  • Il livello più “basso” di organizzazione è la specie
  • Il livello successivo è formato da gruppi più ampi: il genere
  • Quando si raggruppano generi simili si hanno le famiglie
  • Le famiglie affini formano un ordine
  • Gli ordini affini formano una classe
  • Classi affini formano una divisione o phylum (animali)
  • Le divisioni affini formano un regno(6)
  • I regni affini formano i domini (3)

I viventi sono raggruppati in 3 domini e 6 regni. Archea e Batteri sono Procarioti, Protisti, Funghi, Animali,Piante sono Eucarioti.

 

I regni del mondo vivente

Tutti i viventi possono essere raggruppati in uno dei seguenti 6 Regni:

  • Bacteria: Eubatteri
  • Archea: Archebatteri

Vi appartengono gli organismi più semplici; comprendono le forme  di vita apparse inizialmente sulla terra. Si tratta di   organismi


 

costituiti da una sola cellula. I procarioti comprendono Batteri e Archei I primi procarioti comparvero circa 3,5 miliardi di anni fa e furono gli unici abitanti per circa due miliardi di anni; vi appartengono i Batteri e Archea.

  • Protisti: eucarioti; vi appartengono organismi per lo più unicellulari, alcuni sono simili a funghi, altri a piante, altri ancora ad animali. Sono Protisti le amebe, i parameci e molte alghe.
  • Funghi: eucarioti; vi appartengono muffe, lieviti e funghi propriamente detti.
  • Piante
  • Animali.

 

Origine e storia della vita

Secondo la teoria moderna, il nostro universo ebbe origine da un’enorme esplosione (big bang). Il momento dell’esplosione risale fra i 10 e i 20 miliardi di anni fa. La temperatura al momento dell’esplosione è stimata attorno a 100.000.000.000°C; a tale temperatura neppure gli atomi potevano restare uniti e la materia si trovava in forma di particelle elementari subatomiche che:

  • Si muovevano ad enormi velocità e avevano vita breve;
  • Si scontravano violentemente e si annullavano l’una con l’altra;
  • Creavano nuove particelle e liberavano altra energia.

Man mano che l’universo si raffreddava (oltre 100.000 anni dopo il “big bang” e la temperatura era scesa a soli 2500°C) si  formarono

2 tipi di particelle stabili: protoni e neutroni andando a costituire la parte centrale o nucleo che con i protoni carichi positivamente attraevano piccole particelle cariche negativamente elettroni che erano in rapido movimento intorno ad essi. In questo modo si formarono gli atomi. Da questi atomi, poi formati e riformati nel corso di parecchi miliardi di anni, che si sono originate tutte le stelle e i pianeti dell’universo. Dagli atomi presenti sulla terra si sono formati e si sono evoluti i sistemi viventi

 

Evoluzione chimica

Uno dei primi scettici riguardo alla generazione spontanea fu il medico e naturalista Francesco Redi (1668). Louis Pasteur nel 1860 dimostrò che gli organismi viventi non si generano spontaneamente. È necessario un organismo per produrre un nuovo organismo. Se la vita si poteva originare soltanto dalla vita, come comparvero inizialmente gli esseri viventi sulla Terra? Negli anni ’20 il russo Oparin e l’inglese Haldane ipotizzarono indipendentemente  che la vita potrebbe essersi originata non in una singola tappa,  ma attraverso un lungo e graduale processo di evoluzione chimica: sintesi spontanea di composti chimici sempre più complessi a partire da molecole più semplici

 

Il mondo primitivo e l’origine della vita

Sintesi abiotica di monomeri organici:


 

  • 1° tappa: formazione di molecole semplici, come l’ammoniaca (NH3), il metano (CH4), il cianuro d’idrogeno o acido cianidrico (HCN), il monossido di carbonio (CO), il biossido di carbonio o anidride carbonica (CO2), l’idrogeno gassoso (H2), l’azoto  gassoso (N2), e l’acqua durante la formazione della crosta e dell’atmosfera terrestre.
  • 2° tappa: interazione spontanea di queste semplici molecole per formare molecole organiche più complesse, come aminoacidi, zuccheri, acidi grassi, e basi azotate = i “mattoni” delle macromolecole.

Energia necessaria per la formazione di queste molecole organiche:

  • radiazione solare,
  • scariche elettriche sotto forma di fulmini,
  • calore che emanava dall’interno della crosta terrestre.

Brodo   organico   (primordiale):   accumulo   e   concentrazione  di composti organici, in cui si potevano svolgere altre reazioni Sintesi abiotica di polimeri:

  • La sintesi abiotica di polimeri dovrebbe essersi verificata  senza l’aiuto di specifici enzimi;
  • In laboratorio si ottengono proteinoidi, polimeri prodotti con mezzi abiotici facendo gocciolare soluzioni diluite di monomeri su sabbia rovente. È possibile immaginare che, nella terra primitiva, onde o pioggia abbiano spruzzato soluzioni diluite di monomeri organici su lava fresca o su altre rocce molto calde. L’argilla, anche fredda, può aver avuto particolare rilievo come substrato per reazioni di polimerizzazioni.

Formazione di protobionti: aggregati di molecole prodotte per via abiotica, non ancora in grado di una effettiva replicazione, ma capaci di mantenere un’ambiente chimico interno diverso da quello dell’ambiente circostante e che mostrano alcune delle proprietà associate alla vita, tra cui metabolismo ed eccitabilità

 

L’origine dell’informazione genetica

La competizione tra i vari protobionti non avrebbe potuto portare  a significativi miglioramenti dato che non esisteva alcun modo per perpetuare il successo. Anche prima della comparsa del DNA, deve essere esistito un qualche meccanismo primitivo per allineare aminoacidi lungo filamenti di RNA capaci di autoreplicazione. Secondo questa ipotesi, nel mondo prebiotico i primi geni non furono costituiti da molecole di DNA ma di brevi filamenti di RNA capaci di autoreplicazione. Negli anni ’80 Cech ed altri studiosi trovarono che le cellule attualmente viventi utilizzano catalizzatori a RNA=ribozimi per accelerare reazioni quali allontamento di introni dall’RNA, sintesi di rRNA, tRNA e mRNA. Le molecole di RNA nel mondo prebiotico, molto prima che comparissero enzimi proteici o DNA, possono essere state pienamente capaci di autoreplicazione. A differenza del DNA, a doppio filamento che assume una struttura uniforme ad elica, le molecole di RNA a singolo filamento possono assumere una varietà di forme tridimensionali specifiche; l’RNA quindi possiede un genotipo (la sua sequenza nucleotidica) e un  fenotipo (la sua   conformazione,


 

che interagisce con modalità specifiche con le molecole circostanti). La selezione naturale può aver agito sull’RNA ancestrale favorendo forme più stabili o più adatte alla autoreplicazione.

 

L’origine della vita e i suoi stadi formativi

Le unità costitutive (“i mattoni”) delle macromolecole si formano facilmente in condizioni abiotiche, sia in laboratorio sia sui corpi extraterrestri, ma nessuno è riuscito a dimostrare che  queste molecole più semplici sono in grado di assemblarsi spontaneamente per formare proteine catalizzanti reazioni o acidi nucleici, contenenti informazioni. Essendo impossibile ricreare in laboratorio l’origine della vita, sono state formulate molte ipotesi differenti. La prima testimonianza fossile di cellule viventi si trova in rocce dell’Australia e del Sudafrica che risalgono a 3,5 miliardi di anni fa. Queste rocce rivelano la presenza di cellule procariotiche che non sono molto diverse, per aspetto, dai procarioti attuali. Uno di questi fossili è  costituito da catene di cellule che somigliano a moderni cianobatteri sintetizzanti. Altri sono costituiti da rocce formate da stromatoliti, dense masse di batteri e di depositi minerali che si accrescono oggi in mari caldi e poco profondi. Il processo di evoluzione chimica che condusse alle prime forme di vita si svolse in modo relativamente rapido, probabilmente entro i primi 600 milioni di anni della Terra. Durante i primi 2 miliardi di anni circa, soltanto i procarioti popolarono la Terra primitiva. Il salto evolutivo dalle cellule procariotiche a quelle eucariotiche, a quanto pare, impiegò un intervallo di tempo molto più lungo di quello impiegato dalla formazione delle prime cellule procariotiche. L’evoluzione di eucarioti unicellulari circa 2 miliardi di anni fa aprì la strada all’evoluzione dei primi eucarioti pluricellulari 1 miliardo di anni dopo. Il                                                         piano cellulare fu un’enorme successo in quanto condusse a una proliferazione di forme di vita complesse, alcune delle quali si trasferirono sulle terre emerse e, a un certo momento, nell’aria. Oggi la Terra è popolata da più di 2 milioni di specie di organismi, che rappresentano soltanto una frazione del numero totale di specie che sono apparse nel corso del tempo.

 

Principali teorie sull’origine della vita

  • Brodo primordiale: È la teoria più famosa anche se ormai è  caduta in discredito.
  • Sorgenti idrotermali: sorgenti idrotermali sottomarine avrebbero fornito l’acido solfidrico e il calore necessari per la sintesi di molecole organiche sempre più complesse.
  • Depositi di pirite: colonie di molecole attaccate alla pirite si sarebbero evolute utilizzando l’idrogeno liberato con la formazione del minerale. Poi queste colonie avrebbero creato l’acido ribonucleico (RNA), considerato il precursore del DNA.
  • Pansperima: arrivo della vita dallo spazio. La moderna teoria della panspermia (=semi dappertutto) sostiene che batteri  siano

 

veicolati all’interno di “uova cosmiche” (comete e meteoriti) diffondendosi tra i pianeti. Alcuni ricercatori non concordano sulla necessità della sintesi abiotica di monomeri organici. È possibile che almeno qualche composto abbia raggiunto la Terra primitiva proveniente dallo spazio. Questa idea, nota come panspermia, ipotizza che le centinai di migliaia di meteoriti e comete che collisero con la terra primitiva portassero con se molecole organiche prodotte da reazioni abiotiche realizzatesi nello spazio. NB: composti organici extraterrestri, comprendenti aminoacidi, pirimidine e molecole simili ad acidi grassi, sono stati ritrovati nei meteoriti arrivati sulla Terra in epoche recenti.

Sia la panspermia, sia l’evoluzione chimica potrebbero aver contribuito alla formazione dell’insieme di molecole organiche da cui si produssero le prime forme di vita. Alcuni biologi mettono  in discussione anche l’idea di “un mondo a RNA”.

 

I batteri venuti da Marte

Nel 1996 sono stati trovati all’interno di un meteorite marziano tracce fossili di antichi microbi. I presunti “marziani” erano dieci volte più piccoli di qualsiasi batterio terrestre e una cellula più piccola di 0,2 millesimi di mm non sembrava potesse contenere tutti gli elementi necessari al suo funzionamento (dal dna ai ribosomi, dall’acqua ai lipidi). Nel 1998, in Australia, sono stati scoperti nanobatteri simili a quelli “marziani” in campioni di rocce sedimentarie prelevati a 4 km di profondità  sotto i fondali marini. Gli scienziati australiani sono sicuri di trovarsi di fronte a creature vive dotate di membrana, DNA e tutto quanto è indispensabile non solo per vivere ma anche (diversamente dai virus) per riprodursi auotonomamente.

 

Biologia

I temi fondamentali della biologia sono:

  • Correlazione tra struttura e funzione
  • Interazione tra organismi e ambiente
  • Unità nella diversità

 

Tutti i viventi, con la sola esclusione dei Virus, sono costituiti da cellule.

 

I viventi possono essere:

  • unicellulari, tutte le funzioni sono svolte da una sola cellula.
  • pluricellulari, costituiti da poche fino a miliardi di cellule; gruppi di cellule    svolgono differenti funzioni.

 

La composizione chimica dei viventi è simile per la parentela evolutiva. Tutti i viventi sono costituiti per il 50-95% del loro peso da H2O, la restante parte è data da ioni, molecole, macromolecole.

  • Ioni: atomi o raggruppamenti atomici con carica + o –;

 

  • molecole:  due  o  più  atomi  uguali o  diversi  uniti  da          legami chimici (covalenti o ionici);
  • macromolecole:    molecole   organiche   di   grandi                dimensioni, polimeri;
  • atomo: nucleo + elettroni.

Gli atomi più comuni della materia vivente sono:

  • carbonio,
  • idrogeno,
  • ossigeno
  • azoto,
  • altri elementi si trovano in piccole quantità, altri in tracce. I legami che si possono avere nei composti chimici sono:
  • covalente: unione di due atomi che condividono un paio di elettroni, uno di ciascun atomo, in modo che ogni atomo abbia un guscio esterno stabile e completo;
  • ionico:  forte  attrazione  elettrostatica   tra  uno  ione         carico positivamente ed uno carico negativamente;
  • idrogeno: si forma quando un atomo di idrogeno (ha una debole carica positiva) si lega ad un atomo di ossigeno (o di azoto, hanno una debole carica negativa) e sono atomi che appartengono  a molecole diverse;
  • idrofobico: tendenza ad avvicinarsi di atomi o gruppi atomici  che non hanno affinità per l’acqua e quindi non possono formare con essa legami idrogeno;
  • forze  di  Van  Der  Waals:  due  atomi  che  si  trovano  vicini si attraggono momentaneamente.

 

Acqua

La vita ha avuto origine nell’acqua circa 4,5 miliardi di anni fa  e si è evoluta per circa un miliardo di anni, sempre nell’acqua. L’H₂O costituisce dal 50-70% al 95% del peso corporeo dei viventi, nessun organismo può vivere in assenza di H₂O. In ogni molecola di acqua due atomi di idrogeno sono legati ad un atomo di ossigeno

tramite legami covalenti, si genera così una molecola angolata. I due legami covalenti sono fortemente polari perché l’ossigeno attrae fortemente gli elettroni, mentre l’idrogeno li attrae poco, quindi nella molecola gli elettroni si distribuiscono in modo disomogeneo, con una preponderanza di carica + sui due H e  carica

– sull’O. Quando una molecola di H₂O si trova nelle vicinanze    di

un’altra molecola, la reciproca attrazione dà luogo a legami idrogeno. L’acqua può essere in tre distinti stati fisici: solido, liquido, gassoso. È grazie ai legami idrogeno che l’acqua è iquida a temperatura ambiente e che ha un punto di ebollizione ed una tensione superficiale così alti. Il passaggio dallo stato liquido  a gassoso richiede energia termica, perché si debbono rompere i legami idrogeno. Il passaggio dell’acqua dallo stato liquido allo stato solido avviene quando la temperatura raggiunge 0°C; il moto termico delle molecole è molto scarso e si formano   numerosissimi

legami idrogeno  che immobilizzano le tante molecole. L’H₂O è    un

buon solvente, moltissime reazioni chimiche cellulari avvengono in


 

acqua.

 

Molecole della vita

Ad eccezione dell’acqua, quasi tutte le molecole cellulari sono basate sul carbonio. Il carbonio ha una eccezionale capacità di formare molecole grandi e complesse. I composti del carbonio, grandi o piccoli, sintetizzati dalle cellule, si chiamano molecole organiche. Le proprietà chimiche specifiche di una molecola organica derivano soprattutto dai gruppi di atomi detti gruppi funzionali. Le cellule hanno quattro famiglie principali di molecole organiche:

  • zuccheri,
  • acidi grassi,
  • aminoacidi,
  • nucleotidi.

Queste molecole piccole, dette monomeri, possono associarsi e formare composti anche di notevoli dimensioni: polimeri, macromolecole.

 

Carboidrati o glucidi o zuccheri

Sono composti di Carbonio, Idrogeno, Ossigeno. Sono la principale fonte di energia chimica, subito utilizzabile, per i viventi. Svolgono soprattutto due tipi di funzioni biologiche: nutritizia e strutturale. Funzione nutritizia: tutti i viventi dipendono direttamente o indirettamente dalla disponibilità di riserve alimentari costituite da glucidi: amido nelle piante, glicogeno negli animali. Funzione strutturale: nelle piante si ha la cellulosa, negli insetti e in alcuni invertebrati la chitina, in alcuni tessuti animali la cartilagine, in molti procarioti si  hanno involucri protettivi (pareti cellulari). I carboidrati si possono così suddividere:

  • Monosaccaridi: sono zuccheri semplici, il numero degli atomi di carbonio può variare da 3 a 7. Fra i pentosi sono molto importanti il ribosio e il deossiribosio, fra gli esosi il glucosio, il fruttosio e il galattosio. Contengono un gruppo aldeidico (aldosi) o chetonico (chetosi) oltre a gruppi ossidrilici.
  • Disaccaridi: si ottengono dalla condensazione di monosaccaridi con  perdita di una molecola di acqua. Il legame che avviene   fra il gruppo aldeidico o chetonico di un monosaccaride e il gruppo ossidrilico di un altro si chiama legame glicosidico. I disaccaridi più comuni sono: lattosio (galattosio+glucosio), saccarosio (glucosio+fruttosio), maltosio (glucosio+glucosio).
  • Polisaccaridi: derivano dalla condensazione di moltissime molecole  di monosaccaridi con perdita di molecole di H2O. Amido: è presente nelle piante, è formato da: amilosio e amilopectina. L’amilosio è formato dall’unione di molecole di glucosio α ed i legami sono 1-4. L’amilopectina è data da glucosio α e i legami sono 1-4 e 1-6. Glicogeno: è dato dall’unione di glucosio α e i legami sono 1-4 e 1-6, è un polimero molto più ramificato dell’amilopectina. Cellulosa: è data dall’unione di molecole  di

 

glucosio β con legami 1-4, che formano lunghe catene lineari;  fra una catena e l’altra si stabiliscono legami idrogeno che stabilizzano le fibre di cellulosa. Chitina: è costituita da una sequenza di aminozuccheri. È presente nell’esoscheletro di molti insetti e artropodi e nella parete di molti funghi.

Le molecole dei carboidrati possono subire modificazioni chimiche come l’aggiunta di gruppi fosfato (es. fruttosio 1-6 difosfato) o amminici (es. galattosamina, glucosamina).

 

Lipidi

Acidi grassi: nelle cellule gli acidi grassi fungono da scorte di materiale, vengono accumulati nel citoplasma di molte cellule  sotto forma di goccioline di triacilgliceroli (trigliceridi), svolgono vari tipi di funzioni biologiche, ad esempio:

  • riserva energetica
  • formano composti con funzione impermeabilizzante: cere
  • possono   formare   molecole    complesse   che   entrano          nella costituzione delle membrane biologiche (es. fosfolipidi).

Gli acidi grassi sono insolubili in H2O, ma solubili in solventi organici.    Un  acido  grasso  è   costituito    da           una lunga      catena idrocarburica (14-22 atomi di carbonio) che termina con un gruppo carbossilico (-COOH) idrofilico, la lunga catena di acidi grassi è idrofobica.   I           circa      70  acidi  grassi  che si  conoscono           possono differire per:

  • lunghezza della catena
  • presenza o assenza di doppi legami
  • posizione del doppio legame nella catena

I lipidi possono essere semplici (gliceridi, colesterolo) o complessi (fosfolipidi, glicolipidi). I gliceridi sono composti  del glicerolo (alcool con 3 gruppi OH) con acidi grassi (saturi o insaturi). I gliceridi si suddividono, in base al numero di funzioni alcoliche esterificate, in: mono- di- tri- gliceridi. I trigliceridi sono la principale forma di deposito energetico in molti animali. I lipidi semplici hanno esclusivamente caratteristiche idrofobiche. Il colesterolo è uno steroide, ma viene classificato insieme ai lipidi per l’insolubilità in acqua.  È sintetizzato nel fegato a partire da acidi grassi saturi. È presente nelle membrane delle cellule animali. I fosfolipidi appartengono ai lipidi complessi ed essendo caratterizzati anche dalla presenza di residui idrofilici, sono molecole anfipatiche.  Un fosfogliceride è costituito da: glicerolo, 2 acidi grassi (legati a due OH del glicerolo), acido fosforico (legato al terzo OH del glicerolo), base organica (legata all’acido fosforico). Il gruppo fosfato (carico negativamente) + la base organica costituiscono la testa altamente idrofilica (polare) della molecola; le catene di acidi grassi, saturi o insaturi, costituiscono le code altamente idrofobiche (apolari) della molecola. I fosfolipidi in acqua formano doppi strati e sono la base di tutte le membrane biologiche. I glicolipidi sono  costituiti da una regione apolare, contenente due lunghe catene idrocarburiche e da una regione polare che contiene, al posto  del


 

fosfato, uno o più residui di zuccheri. Le cere sono il prodotto  di acidi grassi saturi o insaturi con alcoli a catena molto lunga.

 

Proteine

Le proteine costituiscono una famiglia di macromolecole caratterizzata da una incredibile varietà di strutture e quindi di grande versatilità funzionale. Le caratteristiche proprie di molti tipi differenti di cellule sono determinate dai diversi tipi di proteine. In base alla loro composizione chimica si possono così classificare:

  • Proteine semplici: costituite solo da aminoacidi.
  • Proteine coniugate: costituite oltre che da aminoacidi anche da altre sostanze di natura chimica diversa (es. lipoproteine, glicoproteine, fosfoproteine, ecc.).

In base alla loro conformazione si possono distinguere in:

  • Proteine fibrose: molecole di forma allungata, composte da una o più catene polipeptidiche in conformazione estesa, generalmente insolubili in H2O.
  • Proteine globulari: costituite da una o più  catene polipeptidiche avvolte su se stesse in gomitoli compatti, generalmente idrosolubili.

In base alla funzione si possono distinguere:

  • Proteine strutturali: prendono parte alla costruzione di impalcature tridimensionali di sostegno e protezione della cellula, la funzione statica generalmente coesiste con la conformazione fibrosa (es. cheratine, collagene, etc.), generalmente insolubili.
  • Proteine dinamiche: per lo più sono di tipo globulare, generalmente idrosolubili, rappresentano le più importanti molecole effettrici delle attività biologiche.

Tutte le proteine sono eteropolimeri di aminoacidi. Tutti gli aminoacidi hanno un gruppo aminico, un gruppo carbossilico, un idrogeno e un gruppo laterale R  legati ad un carbonio detto α.  Gli aminoacidi che compongono le proteine sono 20. Tutti i viventi sono costituiti dagli stessi 20 aminoacidi. Il legame tra i vari aminoacidi è detto legame peptidico e la lunga catena che si forma è detta polipeptide. Ogni catena ha sempre un gruppo amino- e uno carbossi- terminale libero. In base alle caratteristiche del  gruppo R gli aminoacidi possono essere: apolari, polari, acidi, basici. Le proteine sono caratterizzate da:

  • Struttura primaria: è data dalla sequenza degli aminoacidi nella catena polipeptidica. È determinata geneticamente, è caratteristica per ogni proteina. Questa struttura condiziona la configurazione spaziale e la forma globale della molecola dalle quali dipendono poi le sue proprietà biologiche. Un modesto cambiamento della struttura primaria può influenzare la configurazione e la funzionalità di una proteina.
  • Struttura secondaria: definisce l’organizzazione spaziale di porzioni della catena polipeptidica. Man mano che il polipeptide cresce si incurva e attorciglia, due tipi di gruppi polari, che si susseguono lungo lo scheletro peptidico, tendono ad    unirsi

 

mediante legami idrogeno, sono i gruppi C=O e N-H coinvolti nei legami peptidici. La struttura della proteina, stabilizzata dai legami-idrogeno, è la struttura secondaria Esistono vari tipi di struttura secondaria, i principali sono:

    • α elica
    • foglietto ripiegato β

L’α elica può essere presente in alcune proteine per quasi tutta la lunghezza(es. α cheratine), in altre solo per piccoli tratti (es. lisozima). I foglietti β sono abbondanti in alcune  proteine; molti enzimi contengono regioni ad α elica e a foglietto β. N.B: Esiste anche, oltre all’α-elica o al foglietto β una forma a spira casuale o radom coil.

  • Struttura terziaria: la catena polipeptidica si ripiega sempre  di più e assume una configurazione globulare per le interazioni tra i  vari aminoacidi. Si possono formare:
    • legami a idrogeno,
    • interazioni idrofobiche,
    • legami ionici,
    • interazioni di Van Der Waals,
    • ponti disolfuro.
  • Struttura quaternaria: è una struttura presente solo in proteine costituite da più subunità polipeptidiche. Tale struttura è data dalle relazioni tra le varie subunità.

 

Emoglobina: proteina globulare data da 2 subunità α e 2 β, ogni catena ha una particolare struttura terziaria che permette di accogliere un gruppo eme.

 

Actina:  un  filamento di  actina  è  costituito  da  molte        proteine globulari che si succedono con un andamento ritorto.

 

Collagene: tre catene polipeptidiche attorcigliate formano una elica di collagene. Ogni fibra di collagene è data da migliaia di triple eliche.

 

Le proteine possono essere denaturate in modo reversibile (ad es. per mezzo di agenti chimici o alzando la temperatura o modificando il pH), perdono la struttura secondaria e terziaria, cessate tali condizioni tendono a riacquistare la loro configurazione.

 

Acidi nucleici

I nucleotidi sono composti da:

  • un gruppo fosfato,
  • un pentoso,
  • una base azotata.

Lo zucchero fa da ponte tra la base azotata e il gruppo                                                fosfato. DNA:Le basi azotate del DNA sono:

  • adenina,
  • timina,
  • citosina,

 

  • guanina.

Lo zucchero del DNA è il deossiribosio. RNA:Le basi azotate dell’RNA sono:

  • adenina,
  • uracile,
  • citosina,
  • guanina.

Lo zucchero del DNA è il ribosio.

Nei nucleotidi la base azotata è sempre legata allo zucchero in carbonio 1 e il gruppo fosfato sempre in carbonio 5, l’attacco di un altro nucleotide si ha sempre nel carbonio 3 dello stesso zucchero ( 5’"'73’).

 

Il DNA

Il DNA è composto da due filamenti complementari uniti tra loro da legami idrogeno fra le coppie di basi complementari. precisamente: Adenina–Timida "'7 2 legami idrogeno, Citosina – Guanina "'7 3 legami idrogeno. Quindi, conoscendo la sequenza delle basi di un filamento, si conosce anche la sequenza delle basi dell’altro filamento). Nella doppia elica i due filamenti, che si avvolgono in giri destrorsi, sono orientati in direzioni opposte antiparallele (solo così si può avere l’accoppiamento tra le basi complementari). Il diametro del DNA è di 2nm, le basi distano tra loro di 0.34nm, vi sono 10 basi         per ciascun giro della doppia elica. Il DNA è l’unica molecola in grado di replicarsi, con l’aiuto di particolari enzimi ed energia.

Nei Procarioti il DNA è, generalmente, una singola molecola di aspetto circolare, negli Eucarioti il DNA è presente in un numero variabile di molecole giganti, ognuna contenuta in un cromosoma (ogni specie ha un numero caratteristico di cromosomi).

 

Replicazione del DNA

Dato che ogni filamento di DNA contiene una sequenza di nucleotidi complementare a quella del filamento opposto, ogni filamento può fungere da stampo per la sintesi di un nuovo filamento complementare. Con la replicazione di una molecola di DNA si ottengono due molecole di DNA ognuna composta dal vecchio e dal nuovo filamento; questo processo è detto semiconservativo. Nei Procarioti, dove il DNA è ad anello chiuso, la replicazione inizia in un solo punto detto origine della replicazione e procede nelle due direzioni formando una bolla di replicazione che termina con due forcelle. Le forcelle rappresentano il luogo di divergenza dei due filamenti complementari sui quali è in corso la sintesi dei nuovi filamenti (grazie ad un enzima: DNA-polimerasi). Le forcelle di replicazione avanzano fino ad incontrarsi in un punto diametralmente opposto all’origine, ove la replicazione è completata. Nei cromosomi eucariotici si hanno origini                di replicazione multiple. Nei vari punti di origine la doppia elica si apre formando una bolla di replicazione che procede lungo la


 

molecola parentale nelle due direzioni finchè le forcelle di replicazione di ciascuna bolla confluiscono con quelle adiacenti, allorquando la replicazione è terminata.

 

Come si separano i due filamenti del DNA

La doppia elica è stabile per i numerosi legami idrogeno fra le basi complementari, perché possa separarsi nei due filamenti è necessaria la rottura dei legami idrogeno ad opera di enzimi specifici: elicasi ( lavorano all’incrocio della forcella di replicazione svolgendo  i due filamenti parentali ). È necessario, a questo punto, tenere separati i due filamenti, a questo scopo provvedono alcune proteine dette proteine leganti il DNA.

 

Come avviene la replicazione

Perché possa avvenire la replicazione sono necessari:

  • nucleotidi,
  • enzimi,
  • energia.

I vari nucleotidi, che formeranno il nuovo filamento, sono presenti sotto forma di nucleosidi trifosfato. Questi nucleosidi trifosfato si legano in presenza di DNA-polimerasi liberando energia e pirofosfato che si idrolizza ulteriormente dando origine a due molecole di fosfato. I nucleotidi debbono essere aggiunti all’estremità di un filamento preesistente; questo filamento viene chiamato primer o iniziatore. Il primer è una corta molecola di RNA (complementare al filamento stampo di DNA) e viene sintetizzato dall’enzima RNA-primasi. I due filamenti della molecola di DNA sono antiparalleli e decorrono in direzione 5’"'73’, ma sono capovolti uno rispetto all’altro; la DNA–polimerasi catalizza l’allungamento di una catena solo in direzione 3’"'75’, i nucleotidi vengono aggiunti uno alla volta partendo dall’estremità 3’. I due filamenti figli non crescono in modo simmetrico, un filamento si forma in modo continuo e veloce (filamento veloce o anticipato), l’altro (filamento lento) è dato dall’unione di tanti piccoli frammenti (frammenti di Okazaki) che vengono poi uniti dall’enzima DNA-ligasi. Ogni frammento ha il suo primer a RNA e viene sintetizzato in modo discontinuo dalla DNA–polimerasi che si muove andando a ritroso rispetto alla forcella di replicazione. Il tratto a RNA (iniziatore o primer) verrà poi sostituito da DNA, grazie ad uno specifico enzima. Nei batteri la sintesi di DNA procede ad una velocità pari circa all’aggiunta di 500-1000 nucleotidi al secondo, negli eucarioti pari circa all’aggiunta di

50 nucleotidi al secondo. La DNA-polimerasi è molto accurata nella sintesi dei filamenti figli, fa un errore circa ogni 107 coppie di nucleotidi; è un enzima capace di autocorreggere gli errori che fa. Raramente sfugge un errore alla DNA-polimerasi, in questi casi si determina una variazione permanente, cioè una mutazione. Una mutazione può distruggere un organismo, se avviene in un punto strategico (es. anemia falciforme). La replicazione del DNA è un processo che si verifica una sola volta ad ogni generazione


 

cellulare, avviene durante la fase S del ciclo cellulare, è l’evento portante della duplicazione dei cromosomi.

 

L’RNA

L’RNA differisce dal DNA perché lo zucchero è il ribosio e la base azotata timina è sostituita da uracile (le altre basi sono uguali) e, generalmente, l’RNA è a singolo filamento. I tipi di RNA sono:

  • RNA messaggero mRNA: è una molecola che agisce da intermediario (messaggero) dei geni dirigendo la sintesi proteica per mezzo di triplette di basi dette codoni.
  • RNA transfer tRNA: è una molecola che trasporta uno specifico aminoacido in base ad una tripletta di basi complementari a quella del codone detta anticodone.
  • RNA ribosomale rRNA: molecole che formano, insieme a specifiche proteine, i ribosomi, sui quali viene sintetizzato il polipeptide.

 

Trascrizione

I 3 tipi di RNA vengono trascritti su tratti di DNA, cioè su particolari geni per gli RNA. Ogni vivente ha una propria costituzione proteica; le proteine variano da una specie ad un’altra e vengono riprodotte fedelmente nelle cellule di una stessa specie. Responsabile di queste caratteristiche ereditarie è il DNA che per esprimerle utilizza molecole che sono una sua copia complementare, gli RNA. Ogni molecola di RNA viene trascritta con lo stesso principio della replicazione del DNA; perché ciò possa attuarsi  occorrono:

  • energia,
  • enzimi,
  • ribonucleotidi.

I ribonucleotidi (presenti nelle cellule come trifosfati: ATP,UTP,GTP,CTP) si aggiungono uno alla volta alla catena di RNA in formazione. Il processo di trascrizione è catalizzato dall’enzima RNA-polimerasi (si comporta come la DNA-polimerasi) che opera andando in direzione 3’"'75’ lungo il filamento veloce (stampo) del DNA e sintetizza un nuovo filamento complementare di ribonucleotidi in direzione 5’"'73’. L’RNA-polimerasi fa sì che una base Adenina si ponga in corrispondenza di una Timina del DNA, una Uracile in corrispondenza di una Adenina, una Guanosina in corrispondenza di una Citosina, una Citosina in corrispondenza di una Guanosina. Il processo avviene durante l’interfase di un ciclo cellulare, quando la cromatina del nucleo è in forma dispersa (eucromatina). L’RNA messaggero è la copia di lavoro delle istruzioni genetiche, cioè l’mRNA detta la sequenza degli aminoacidi nelle proteine; 1 gene "'7 1 polipeptide. Nei Procarioti si ha un solo tipo di RNA polimerasi DNA dipendente che sintetizza i tre tipi di RNA, negli Eucarioti si hanno tre tipi di RNA- polimerasi che sintetizzano tipi diversi di RNA. Tutta la trascrizione è a carico della RNA-polimerasi e può essere suddivisa in tre fasi:


 

  • inizio,
  • allungamento,
  • terminazione.

I promotori servono all’RNA polimerasi per orientarla e indirizzarla al filamento del DNA che servirà da stampo. Una parte di ogni promotore (fattore di trascrizione) è il sito d’inizio della trascrizione.

Inizio: l’RNA polimerasi ha una scarsa affinità per le sequenze del DNA, si lega saldamente solo a livello di particolari sequenze dette promotori. Esiste un promotore per ogni gene che deve essere trascritto nell’mRNA complementare (nei Procarioti per ogni gruppo di geni).

Allungamento: l’RNA-polimerasi si muove in direzione 3’"'75’ lungo il filamento stampo, man mano apre i due filamenti del DNA, aggiunge in direzione 5’"'73’ i nuovi nucleotidi e richiude la doppia elica, si forma così il trascritto, complementare al filamento stampo di DNA. La RNA-polimerasi, a differenza della DNA-polimerasi, non controlla e non corregge il trascritto. Gli errori che commette si verificano con una frequenza di uno ogni 104-105 basi.

Terminazione: La fine della trascrizione è determinata da particolari sequenze di basi nel DNA. La sintesi proteica può avvenire lontana dai geni perché l’mRNA fa da intermediario tra DNA e proteine; quindi l’RNA è il mezzo usato dai geni per presiedere alla sintesi proteica senza esservi direttamente coinvolti.

Nei Procarioti la traduzione spesso inizia prima che sia completata la trascrizione dell’mRNA, tutto il processo avviene a livello di citoplasma. Negli Eucarioti si ha una separazione spaziale e temporale fra i due processi; infatti la trascrizione dell’mRNA avviene all’interno del nucleo, si ha prima la formazione di un pre-mRNA più lungo della molecola finale che verrà poi modificato e trasformato in mRNA maturo e quindi funzionante, e questo uscirà dai pori nucleari e andrà nel citoplasma. La traduzione si attua nel citoplasma.

 

Codice genetico

Si  può immaginare l’informazione genica, trascritta in mRNA, come una serie di “parole” di tre lettere; ogni sequenza di tre lettere (parola) viene chiamata codone (è complementare a un corrispondente codone presente nel DNA). Gli aminoacidi che costituiscono le proteine da sintetizzare sono 20; le combinazioni possibili delle 4 lettere A, U, C, G, danno 64 (43) codoni di tre lettere. Di questi 64 codoni, il codone AUG (codifica l’aminoacido metionina negli eucarioti, nei procarioti la formil metionina) è il codone di inizio della sintesi proteica; altri tre codoni (UAA,UGA,UAG) sono, invece, i codoni di stop (o codoni nonsenso) della sintesi proteica, quindi non legano aminoacidi ma decretano la fine del processo. Il codice genetico è detto universale perché è uguale per tutte le cellule viventi, cioè una data sequenza di basi codifica lo stesso polipeptide. Il codice genetico è detto


 

anche degenerato o ridondante perché lo stesso aminoacido può essere codificato da più triplette. Ad ogni codone dell’mRNA corrisponde un anticodone nel tRNA. In un ribosoma completo esistono tre siti di legame (servono per rendere possibile l’interazione tra mRNA e tRNA). Il sito per l’mRNA è localizzato sulla subunità minore, i siti per i tRNA sono localizzati soprattutto a livello della subunità maggiore e sono il sito P (sito peptidilico) occupato da un tRNA legato al polipeptide in crescita e il sito A occupato da un tRNA al quale si lega il successivo aminoacido.

 

Sintesi proteica

La sintesi proteica avviene in tre momenti:

  • inizio: viene riconosciuta la parte iniziale del messaggio,
  • allungamento: vengono legati gli aminoacidi,
  • terminazione: viene rilasciata la catena polipeptidica. Affinché possa avvenire la sintesi proteica occorrono:
  • energia,
  • enzimi,
  • aminoacidi.

Il momento più critico del processo è l’inizio.

Inizio: nella fase d’inizio si ha prima il legame della subunità minore del ribosoma con l’mRNA e con uno speciale tRNA detto iniziatore (ha un anticodone UAC che si appaia con il codone d’inizio AUG-metionina). L’unione dell’mRNA, del tRNA iniziatore e della subunità minore del ribosoma è seguita dall’unione della subunità maggiore, adesso il ribosoma è funzionante. Il codone d’inizio è sempre preceduto da una breve sequenza guida (sequenza di riconoscimento) che si localizza nel sito P.

Allungamento: affinché il processo di sintesi proteica avvenga occorrono almeno 8 enzimi diversi ed energia. Un tRNA che porta un aminoacido si lega al ribosomi nel sito A, si forma un legame peptidico tra il nuovo aminoacido e il polipeptide che è localizzato nel sito P, ciò trasferisce il polipeptide in formazione al tRNA legato al sito A. Il tRNA scarico viene rilasciato dal sito P. Il complesso peptide-tRNA viene traslocato nel sito P e, simultaneamente, l’mRNA si sposta in modo da esporre nel sito A un nuovo codone. Il processo continua fino alla esposizione del codone di stop.

Terminazione: è segnalata da un codone di stop (UAA, UAG, UGA). Nel sito A invece di un tRNA viene accettata una particolare proteina detta fattore di rilascio che fa liberare il polipeptide ed il tRNA del sito P; a questo punto                                 anche il ribosoma si scinde nelle due subunità e viene rilasciato l’mRNA.

 

Poliribosomi o polisomi

Più ribosomi possono iniziare la sintesi proteica su uno stesso filamento di mRNA, si ha così la formazione di polisomi o poliribosomi.

 

Fonte: http://www.fabiozonin.it/public/Appunti%20Biologia.pdf

Sito web da visitare: http://www.fabiozonin.it/

Autore del testo: F.Zonin

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