Corso di Biologia Applicata Scienze Infermieristiche I anno

Corso di Biologia Applicata Scienze Infermieristiche I anno Dott. ssa Maria De Luca

TESTI CONSIGLIATI Biologia cellulare e Genetica Fantoni, Bozzaro, Del Sal, Ferrari, Tripodi Parte Prima: Biologia Cellulare Casa editrice: PICCIN Biologia Purves, Orians, Heller, Sadava Casa Editrice: ZANICHELLI

Biomolecole nella cellula

Sostanze presenti nei tessuti viventi

Le cellule sono costruite sulla base delle stesse leggi chimiche e fisiche operanti nel resto dell’universo.

La chimica della cellula è, in larga misura, la chimica dei composti del carbonio C -valenza 4 -legami covalenti (E>40 kcal/mole) -Struttura portante di numerose macromolecole -Catene lineari, ramificate e strutture ad anello

Gruppi funzionali importanti per gli esseri viventi I gruppi funzionali conferiscono specifiche proprietà alle molecole Le catene laterali possono variare e vengono indicate come R

La chimica della vita è modellata sulle caratteristiche di questo solvente elettronegativo Legame a idrogeno Dipolo elettropositivo 1. L’acqua è una molecola polare e tende ad associarsi con altre molecole di acqua 2. I composti che sono solubili in acqua hanno una natura polare. Molecole idrofiliche (cariche) e idrofobiche (prive di carica) 3. L’acqua è importante per regolare reazioni chimiche della cellula: idrolisi e condensazione

Idrolisi e condensazione (sintesi di macromolecole biologiche) (demolizione di macromolecole biologiche)

Gli zuccheri Zuccheri o glucidi o carboidrati -Metabolismo cellulare (sono fonte di energia) -Forniscono scheletri carboniosi costruzione di strutture biologiche Gruppi funzionali per la -Gli zuccheri semplici, i monosaccaridi, possono unirsi fra loro formando polimeri ad alto peso molecolare, i polissacaridi. -Catena di atomi di carbonio legati a idrogeno e ossigeno (triosi, tetrosi, pentosi, esosi ed eptosi) Gruppo aldeidico (COH) gruppi ossidrilici steroisomeri Chiralità: caratteristica dei polimeri biologici di essere formati da monomeri dello stesso tipo ottico polisaccaridi: D-glucosio proteine: L-amminoacidi Gruppo chetonico (CO)

Gli zuccheri pentosi catena lineare conformazione ciclica conformazione più stabile, preferita da monosaccaridi con più di 4 atomi di carbonio

Gli zuccheri esosi Monosaccaridi coinvolti nel metabolismo energetico di tutte le cellule (C 6 H 12 O 6)

Disaccaridi

Polisaccaridi Polisaccaride con funzione di riserva energetica sintetizzato nelle piante Glicogeno polisaccaride sintetizzato dagli animali.

Polisaccaridi

I lipidi Acido grasso saturo: sono presenti legami semplici della catena idrocarburica - categoria eterogenea di composti - natura idrofobica: sono sostanze apolari incapaci di formare legami idrogeno con l’acqua. - forniscono energia - sono componenti base di strutture cellulari - sono messaggeri chimici Acido grasso mono-insaturo: sono presenti legami doppi della catena idrocarburica

I trigliceridi esteri del glicerolo forniscono energia per le attività cellulari Glicerolo Alcol a tre atomi di carbonio caratterizzata dal gruppo ossidrilico (OH) + Acido grasso Catena idrocarburica che reca all’estremità un gruppo carbossilico (COOH) I trigliceridi di origine animale contengono più acidi grassi saturi (solidi a RT) di quelli vegetali (in prevalenza liquidi). In quelli saturi le catene possono avvicinarsi molto e impacchettarsi I trigliceridi vengono immagazzinati nel tessuto adiposi e metabolizzati nei mitocondri dove vengono ossidati ad anidride carbonica ed acqua rilasciando energia.

I fosfolipidi costituiscono l’impalcatura della membrana cellulare A differenza dei trigliceridi il terzo gruppo alcolico è esterificato con una molecola di acido fosforico a cui si aggiunge spesso una molecola carica come serina, colina o etanolammina Natura duale (polare, non polare) che in ambiente acquoso risulta nella formazione di membrane.

I fosfolipidi e le membrane Fluidità della membrana è determinata dalla quantità di acidi grassi saturi e insaturi (più saturi = meno fluidità)

Gli sfingolipidi catena idrocarburica gruppo aminico Nelle membrane ci sono anche gli sfingolipidi che hanno come molecola base la sfingosina Glicolipidi: lipidi+glucidi coda idrofobica testa idrofilica gruppo fosfato La regione contente gli zuccheri è rivolta verso la faccia esterna della membrana

Gli steroidi idrocarburi ciclici derivati dal colesterolo A temperature basse aumenta la fluidità mentre a temperature alte impedisce che le membrane diventino troppo fluide. Dal colesterolo derivano anche gli ormoni steroidei Impalcature base

Acidi nucleici DNA, acido deossiribonucleico, è l’archivio dove è scritta e conservata l’informazione genetica per la costruzione e il funzionamento delle singole cellule dell’organismo vivente. Nelle cellule eucariotiche il DNA risiede nel nucleo e piccoli organelli come mitocondri e cloroplasti. Nei procarioti forma una struttura, nucleoide, libera nel citoplasma RNA, acido ribonucleico, controlla il meccanismo di espressione dei geni ed è un componente essenziale in diversi complessi macromolecolari che partecipano all’elaborazione dei prodotti dei geni quali ad esempio ribosomi e spliceosomi

Acidi nucleici -Gli acidi nucleici (DNA e RNA) sono costituiti da unità monomeriche di nucleotidi. -I singoli nucleotidi sono uniti fra loro attraverso legami fosfodiestere che si formano tra lo zucchero di un nucleotide e il fosfato del nucleotide successivo. -La maggior parte delle molecole di RNA consistono di una sola catena polinucleotidica; -L’RNA è composto da ribonucleotidi, il DNA da deossiribonucleotidi; -Le molecole di DNA sono a doppio filamento, con le due catene polinucleotidiche tenute assieme da legami idrogeno che si formano tra le basi azotate. I due filamenti di DNA hanno direzione opposta. -Il DNA è una molecola puramente informazionale -L’informazione è codificata nella sequenza delle basi presenti nei suoi filamenti

Gli acidi nucleici DNA e RNA Nucleotidi sono formati da: -una base azotata -uno zucchero pentoso -uno o più molecole di acido fosforico

Nucleotidi Legame estere Legame glicosidico

Un filamento polinucleotidico

Un filamento di acido nucleico è costituito da una successione di quattro diversi nucleotidi. Quindi c’è uno scheletro zucchero-fosfato costante e una sequenza di basi variabile che costituisce l’informazione Struttura a doppia elica con i filamenti orientati in modo antiparallelo Filamenti complementari

Struttura del DNA Un gene è un tratto di DNA in cui è contenuta l’informazione per la sintesi di una catena peptidica

RNA DNA = archivio del patrimonio genetico RNA = molteplici funzioni e molte molecole diverse r. RNA = RNA ribosomale (80% dell’RNA totale)

Struttura a forcina RNA ribosomale

RNA transfer Trasportano gli aminoacidi ai ribosomi Sono di piccole dimensioni Circa 40 diversi Struttura a trifoglio o ad L

RNA • t. RNA = RNA transfer = RNA di trasporto. Importante per il trasporto degli amminoacidi durante la traduzione • m. RNA = RNA messaggero • Piccoli RNA (citoplasmatici, nucleari, nucleolari): fanno parte di strutture che partecipano a vari processi. Per esempio: particelle ribonucleoproteiche deputate allo splicing (maturazione degli RNA messaggeri), telomerasi per allungare l’estremità dei cromosomi o piccoli RNA che controllano l’espressione genica (mi. RNA)

Le proteine • Tutte le funzioni delle cellule e degli organismi viventi hanno alla base le proteine • Molte proteine sono enzimi, cioè catalizzatori (acceleratori) di reazioni chimiche cellulari • Proteine strutturali formano il sostegno di cellule e tessuti • Proteine segnale (ormoni, fattori di crescita, etc. ) importanti per la segnalazione • Proteine di trasporto (emoglobina, transferrina, lipoproteine) • Proteine regolatrici

Gli amminoacidi sono le unità costitutive delle proteine. Contengono un gruppo amminico e un gruppo carbossilico Venti tipi di amminoacidi, tra i molti esistenti in natura, vengono utilizzati dalle cellule Radicale variabile: Idrofobico (9) Polare non ionizzato (6) Polare ionizzato (5)

Gli amminoacidi

Gli amminoacidi Gruppo solfidrilico

Gli amminoacidi

Legame peptidico

Ponti disolfuro

Struttura delle proteine • Struttura primaria: sequenza degli amminoacidi che compongono una proteina • Il legame peptidico è molto forte • Nella catena polipeptidica ci sono due estremità: una ammino (N) terminale e una carbossi (C) terminale

Struttura secondaria Legami chimici deboli: -Idrofobici -elettrostatici (legami idrogeno) Fasci paralleli Struttura a spirale La struttura secondaria di una proteina è influenzata dalla natura polare o idrofobica e dall’ingombro sterico degli aminoacidi

Struttura terziaria • La struttura terziaria è la configurazione nello spazio di una catena peptidica ripiegata • La struttura terziaria è unica per ogni sequenza amminoacidica (pur contenendo elementi comuni) e determina la funzione specifica di una determinata proteina

Struttura terziaria - Legami chimici deboli (versatilità) - Legami covalenti, ponti di solfuro (stabilizzano la struttura)

Struttura terziaria La maggior parte delle proteine includono nelle loro strutture terziarie sia elementi ad -elica che a -foglietti, ma esistono anche proteine con solo elementi -elica o solo -foglietti. Domini: molte proteine contengono regioni conformazione molto simile. Conform. simile=funzione simile

Struttura quaternaria • Alcune proteine cellulari funzionano come complessi costituiti da aggregazioni di più catene polipeptidiche, uguali o diverse. In questo caso si parla di struttura quaternaria • Minimo 2 catene polipetidiche ma possono essercene anche alcune decine • Ciascuna catena viene sintetizzata a partire da un gene specifico, assume la propria struttura secondaria e terziaria prima di aggregarsi con le altre nella struttura quaternaria. L’impiego di più catene polipeptidiche permette di cumulare più funzioni coordinate in una stessa proteina(es. RNA-polimerasi), o anche di ottenere prestazioni nuove difficilmente raggiungibili con proteine monomeriche (es. Emoglobina)

Struttura quaternaria la struttura quaternaria favorisce un graduale rifornimento e rilascio di ossigeno

Tre modi di rappresentare il lisozima

La denaturazione di una proteina consiste nella perdita della struttura e dell’attività biologica

Le chaperonine (o chaperon molecolari) proteggono le proteine da interazioni inappropriate e assistono il processo spontaneo di ripiegamento delle proteine.

Reazioni chimiche, energia, enzimi una cellula ha bisogno continuo di energia per lo svolgimento delle sue funzioni. Questa energia deve essere estratta dall’ambiente circostante e può essere conservata temporaneamente sotto forma di legami chimici

Reazioni esoergoniche ed endoergoniche

L’insieme delle reazione necessarie a produrre energia o per la costruzione di nuove molecole è definito

L’ATP come sorgente principale di energia libera per la cellula La cellula necessita di energia per regolare le reazioni necessarie al suo funzionamento, quali: - produzione di lavoro meccanico - trasporto attivo di ioni e molecole attraverso la membrana plasmatica -sintesi di molecole e macromolecole da precursori semplici legame fosfoanidridico ossidazione sostanze nutrienti intrappolano l’energia della luce

L’idrolisi dei legami fosfoanidridici rilascia una grande quantità di energia libera I due prodotti ADP e AMP possono essere riconvertiti in ATP per mezzo dei processi catabolici deputati all’estrazione di energia

ATP: trasportatore universale di energia libera, ha un contenuto di energia maggiore di quello dell’ADP e dell’AMP. L’idrolisi dell’ATP libera questo eccesso di energia. - L’ unità trifosfato dell’ATP ha 4 cariche negative che tendono a respingersi -l’ATP è meno stabile di ADP e fosfato inorganico

I processi cellulari esoergonici liberano l’energia necessaria per produrre ATP da ADP.

Accoppiamento dell’idrolisi dell’ATP a una reazione endoergonica.

Reazioni chimiche L’energia di attivazione dà inizio alle reazioni chimiche. In una reazione chimica lo stato iniziale stabile deve divenire meno stabile prima che sia possibile la trasformazione.

Enzima e substrato: proteina con attività catalitica contenente uno o più siti in grado di legare un substrato Gli enzimi abbassano la barriera energetica della reazione catalizzata