Il campo dell'indagine biologica, virus, batteriofagi (fagi), i batteri, metabolismo

Il campo dell'indagine biologica

Livelli della conoscenza                                      Discipline biologiche

biologica

Molecolare: Biochimica, Biologia molecolare, Biofisica,

Virologia;

Cellulare: Citologia, istologia, Batteriologia, Protozologia, Biologia cellulare;

Organismico: Anatomia, Fisiologia, Embriologia, Etologia (comportamento);

Di popolazioni: Genetica, Sistematica e Classificazione, Evoluzione, Ecologia (autoecologia);

Di comunità Biologiche: Parassitismo, Ecologia (sinecologia);

La biologia si occupa dello studio degli oggetti viventi: il loro numero a livello mondiale è molto alto, si aggira intorno ai 3 milioni.

300 - 350.000 vegetali

1.000.000animali

i rimanenti, virus e batteri.

Formalmente l'essere vivente è definito come qualcosa di non vicino all'essere non vivente. Non si può definire sinteticamente, per meglio capire facciamo ricorso ad una serie di caratteristiche presenti nell'oggetto vivente ma non in quello non vivente:

I viventi sono altamente organizzati = hanno un'organizzazione molto complessa, non casuale ma definita in maniera specifica e specializzata.                                                                                 'Scala delle grandezze': atomo, molecola, macromolecola (che caratterizza il vivente ed assicura il mantenimento della vita nell'organismo stesso), organulo (es. mitocondrio), cellula, tessuto, oggetto biologico.

La Composizione chimica dei viventi è estremamente complessa, variabile (può variare secondo l'organismo e lo stato funzionale in cui si trova, ma vi è una certa regolarità e costanza di composizione chimica, questo fa intuire una comune origine dei viventi). Negli oggetti viventi, generalmente, non mancano mai due categorie di composti: Acidi nucleici e Proteine.

Queste due biomolecole sono la base della vita degli organismi

viventi, a queste se ne aggiungono altre: idrati di carbonio, lipidi,

acqua e sali minerali

Il termine protoplasma è oggi sostituito con materia vivente.

VIRUS

Sono oggetti biologici il cui tema strutturale fondamentale è costituito da acidi nucleici e proteine. Sono oggetti di studi approfonditi per una serie di motivi tra cui quello della loro classificazione come oggetti viventi o non viventi. Sono entità biologiche abbastanza moderne scoperte nel 1900 circa, infatti, non erano note nell'800 quando già esistevano malattie provocate dai virus.

La volontà di scoprire i virus si può far risalire al momento in cui studiosi che avevano compreso malattie causate da parassiti intuivano che in altre malattie, la causa non poteva essere la presenza di batteri o parassiti.

I batteri venivano facilmente isolati dalle lesioni (per esempio prelevando campioni di pus), il materiale era ultrafiltrato attraverso filtri in porcellana. Il risultato dell'ultrafiltrazione veniva iniettato nell'animale senza che questi si riammalasse. Con alcune particolari malattie questo tipo di procedura non dava esiti positivi, il che fece pensare ad un organismo più piccolo del batterio capace di procurare infezione. Quelli che poi furono identificati come virus, nuocevano anche all'economia, come per esempio nel caso del virus del tabacco (tmv), quel virus del mosaico del tabacco che permise agli studiosi di ipotizzare un'alta specificità d'ospite di questi organismi.

Specificità d'ospite: la vittima è un organismo vivente particolare che presenta caratteristiche riconosciute dal parassita che lo infetta solo dopo averlo identificato.

Il virus è detto parassita obbligato perché non ha gli strumenti per la sintesi del DNA e per la riproduzione in generale. Il virus prende il nome di virione quando è staccato dalla cellula ospite.

CAPSIDE: involucro composto CORE: parte centrale

di proteine e del virus

da composto

subunità da

assemblate acido nucleico

a formarlo. (DNA o RNA)

Questo è il

CAPSOMERO

Esempi di virus a DNA:

nome malattia causata caratteristiche

Poxvirus Vaiolo è grande, ha il DNA

a doppio filamento, si

replica nel citoplasma

della cellula ospite.

Herpesvirus Herpes simplex, è medio grande ha il

Varicella zoster DNA a doppio

filamento, si replica nel

nucleo della cellula

ospite.

Adenovirus Ne esistono circa è medio grande e si

40 tipi e infettano riproduce nel nucleo

le vie respiratorie della cellula ospite.

Papovavirus Verruca volgare chiamato anche virus

Malattie delle scimmie sv40 è

degenerative usato come vettore

del cervello nell'ingegneria

genetica.

Esempi di virus a RNA:

nome malattia causata caratteristiche

Togavirus rosalia è medio grande

con involucro

Retrovirus HIV e tumori virus a RNA dotati

particolari trascrittasi inversa

che li rende eccezionali.

Il core dei retrovirus ha

due catenelle di acido

ribonucleico separate.

I virus sono generalmente forniti sulla superficie del capside di appositi recettori che servono per riconoscere e 'ingannare' la cellula che sta per essere infettata. Questi ricettori sono indispensabili per dare al virus la specificità d'ospite. Sono gruppi chimici particolari che riconoscono serie chimiche complementari sulla membrana cellulare: questi ricettori sono le glicoproteine 120 (GP120).

In più oltre al capside alcuni virus sono forniti di involucri accessori composti da lipidi.

Approfondimenti

Agente eziologico: agente decisivo per quella determinata situazione.

Vittima: cellula ospite.

BATTERIOFAGI (FAGI)

Hanno un' alta specificità per le cellule batteriche

MORFOLOGIA: questi virus hanno una forma che non si avvicina né a quella poliedrica né a quella a bastoncello (MVT), la loro testa è formata da proteine esterne (l'insieme viene detto capside, il particolare capsomero) e all'interno di questa vi risiede il DNA o RNA. Sotto la testa troviamo il collare, la cui forma assomiglia a quella di un disco forato, attraverso il quale vi passa il prolungamento della testa chiamato tubo interno rivestito di un involucro esterno. Al disotto di tutto, vale a dire nella II parte, troviamo la piastra fornita di punte, che oltre a fornire lo strumento d'attacco fungono anche da recettori. Nell'ultimissima parte del fago ci sono delle fibre la cui forma ricorda quella di gambe.

CICLO LITICO: L'aggressione del fago al batterio viene detta allunaggio (ricorda la figura de L.E.M.). L'involucro esterno si contrae e consente al fago di iniettare (iniezione fagale) la sua componente nucleica all'interno del batterio.

Questo passaggio è particolarmente cruciale in quanto fra le componenti proteiche vi è anche un enzima litico che agisce demolendo la membrana della cellula ospite. Lisozima è detto quell'enzima in grado di demolire la struttura di rivestimento della cellula batterica, scindendo le strutture macromolecolari che compongono la membrana [Flemming (antibiotici, penicillina)].

Questo enzima è presente in alcune secrezioni fisiologiche dell'uomo (saliva, lacrime). E' a questo punto che il capside, privo al suo interno dei suoi acidi nucleici, rimane al di fuori della cellula come una sorta di 'fantasma'. Ora il DNA del batterio viene idrolizzato (demolito). Adesso inizia la fase più importante dell'infezione del fago, la cellula parassitata mette a totale disposizione del proprio aggressore il suo sistema metabolico. Inizia la produzione delle proteine fagiche (fase di fotocopiatura) ad opera della cellula parassitata utilizzando le proprie componenti chimiche e le informazioni acquisite dal DNA/RNA fagico. Le prime proteine ad essere sintetizzate sono quelle capsomeriche (hanno la capacità di autoassociarsi) per arrivare in conclusione alla produzione di altri virioni identici. Tutto si conclude con la fuoriuscita dei batteriofagi previa lisi (ad opera del lisozima) della membrana del batterio (lisi batterica). Ogni batterio ha la capacità di sintetizzare da 100 a 200 batteriofagi circa (V. PAG 26 GENETICA).

CICLO LISOGENO: i passaggi del ciclo lisogeno sono gli stessi del ciclo litico fino al momento dell'iniezione fagale compresa. A questo punto il DNA del fago invece di iniziare la sintesi, si 'inserisce' nel DNA della cellula batterica. Rappresentandone una parte di esso, si integra nel cromosoma batterico e prende il nome di profago. E' da adesso che il fago è parte integrante del batterio, le successive divisioni cellulari ( clonazioni ) trasmetteranno il patrimonio genetico così modificato alle generazioni successive.

Occasionalmente il profago si 'svincola' da DNA batterico e riinizia il ciclo litico.

Esisto profagi che sembrano essere i responsabili di alcuni tipi di tumori e sono detti virus proto oncogeni: i segmenti di DNA inseriti, in un tempo non determinato, nelle cellule di un oggetto vivente, possono rimanere in uno stato silente e, per motivi (agenti scatenanti: fattori che provocano lo svincolo) non ancora del tutto chiari, occasionalmente svincolarsi dal genoma e provocare una formazione di tipo maligno. (cellula maligna: che si riproduce in maniera anomala.).

Esempi di 'fattori scatenanti' possono essere:

Radiazioni ioniche o elettromagnetiche;

Sostanze chimiche occasionali o abitudinarie;

Additivi chimici assunti col cibo;

Varie ed eventuali.

Durante i primi 10' di ciclo litico non notiamo niente di diverso (eclissi), dal decimo in poi si ha la replicazione e dal trentesimo si ha la liberazione e lisi batterica.

RIASSUMENDO:

Responsabili d'importanti malattie di piante, animali e dell'uomo. Rappresentano un materiale insostituibile per lo studio di molti problemi biologici. Se considerati isolatamente, i virus non presentano le proprietà tipiche dello stato vivente, salvo la costituzione chimica: un'unità di materiale genetico (DNA o RNA), detta cromosoma o genoma virale e contenuta in un involucro proteico (capside) costituito dall'aggregazione ordinata di uno o più tipi di proteine (capsomeri).

I virus non sono capaci di riproduzione autonoma perché privi di capacità metaboliche, e, di conseguenza non possono sintetizzare autonomamente le macromolecole che li compongono; come parassiti ultra cellulari obbligati, sfruttando l'attività metabolica della cellula ospite.

Le funzioni del capside consistono nel proteggere il genoma virale, nell'identificare mediante appositi ricettori la cellula ospite.

Il materiale genetico virale contiene le informazioni necessarie alla sintesi dei componenti virali, e una volta introdotto nell'ospite, dirige la sintesi di macromolecole a favore del virus con la produzione di molte copie delle componenti virali. Le componenti del virus una volta sintetizzate si assemblano in particelle virali complete, liberate dalla cellula ospite per lisi o per esocitosi.

Il materiale genetico virale può permanere a lungo o definitivamente nella cellula ospite, trasformandola in modo da conferire nuove caratteristiche strutturali e funzionali che possono renderla estranea ed aggressiva nei confronti degli organismi al quale appartiene.

Approfondimento metodologico:

Metodologicamente, in un laboratorio di biologia per effettuare esperimenti viene utilizzato il modello sperimentale: i biologi fanno riferimento ad informazioni ed esperienze fatte da studiosi in tempi relativamente recenti (prove sperimentali).

Sperimentalmente sono utilizzati organismi viventi di varie specie:

Batteriofago;

Escherichia Coli (E.Coli);

Cellula di lievito (organismi eucarioti monocellulari del Regno dei                                                                   Protisti);

Insetto (Drosofila: moscerino della frutta)

Topolino;

Cavia;

Coniglio;

Scimmia.

In questi ultimi anni si è preferito usare per la sperimentazione non più grandi animali (topi, cavie, etc.) ma cellule di donatori uomini. Colture di cellule stanno quasi del tutto sostituendo altri tipi di sperimentazione. Per la coltura sono utilizzati dei vassoietti chiamate capsule di Petri: viene presa una piccola parte del prelievo e depositata sul fondo del vassoietto, a questo punto nel recipiente viene aggiunto un additivo altamente nutrivo capace di far proliferare le poche cellule adagiate sul fondo, fino a quando non raggiungono la totale copertura del pavimento della capsula (inibizione da contatto). Il tutto è ottenuto in un ambiente altamente controllato e sterile.

In laboratorio vengono anche utilizzati dei Virus capaci d'infettare le cellule e modificare il loro comportamento in modo da non arrestare la loro crescita una volta raggiunta la totale copertura del monostrato cellulare. In conseguenza all'avvenimento sopra descritto, le cellule si accumulano in più strati (cellule Amorfiche) non seguendo più l'inibizione da contatto e formando "mucchietti" e "cumuli" di cellule (formazioni Tumorali) tendenti all'immortalità.

Difatti in questi ultimi anni si è sviluppata una sorta di "industria delle cellule in coltura", si acquistano campioni appartenenti a svariati tipi di tessuti, i più buoni ad utilizzarsi sono quelli presi da feti, poiché le loro cellule si riproducono ad un ritmo più accelerato.

Sono ancora in vendita campioni di cellule tumorali di una paziente morta da molti anni, sono entrate in tutti i laboratori del pianeta (HeLa).

Approfondimento:

L'origine dei Virus è ancora ignota, vengono anche detti elementi genetici mobili (pezzi di informazione genetica formati o ex-novo o da altre entità biologiche).

Recenti scoperte hanno scosso biologi di tutto il mondo i quali sostenevano che la vita fosse presente solo in caso di DNA e/o RNA + Proteine. Virioni: da organismi di tipo vegetale sono stati isolati frammenti di RNA responsabili della malattia della quale essi soffrivano. Prioni: è l'agente eziologico responsabile dell'Encefalopatia Spugniforme (sindrome della "mucca pazza"). Il prione è una macromolecola di natura proteica responsabile della malattia. Nel 1996 lo scienziato Brosiner ricevette il premio Nobel per aver isolato la proteina capace di produrre una degenerazione nel tessuto nervoso.

Legenda:

Procarioti: (batterio) organinismi dotati di struttura cellulare e di nucleo primitivo. Non vi è un involucro nucleare, infatti l'acido nucleico non è contenuto in un distretto separato ma è direttamente immerso nel citoplasma.

Organismi Primitivi: (ameba) sono estremamente sofisticati, dotati di capacità metaboliche del tutto sconosciute, sono all'apice dell'albero filogenetico. Sono usati come modello sperimentale poiché si allevano facilmente, i costi di mantenimento sono molto bassi, sono innocui e non sono responsabili di malattie. La loro diffusione è a livello mondiale perciò sono detti ubiquitari.

I BATTERI

Specie di batteri legati all'uomo

q        Archeobatteri: vivono in ambienti 'estremi' (estremofili). Alcuni esempi di questa specie sono i Metanogeni, Alobatteri termofili.

q        Spitochete: forma a cavatappi (es. Treponema pallidum, causa della sifilide)

q        Cocchi e batteri: forma rotonda o a bastoncino. Es: genere Rhizobium (hanno la capacità di fissare l'azoto atmosferico), Neisseria (responsabili della logorrea), Legionella (responsabili della malattia dei legionari).

q        Enterobatteri: Escherichia Coli (vedi descrizione sotto), Salmonella  (responsabile del tifo e della dissenteria).

q        Streptococchi: Cocchi legati fra loro a formare catenelle.

q        Stafilococchi: Sono detti patogeni opportunisti per la loro caratteristica di rimanere innocui fino al momento in cui avvertono un abbassamento delle difese immunitarie nell'organismo in cui vivono. Si trovano sulla pelle e nella mucosa del naso.

q        Clostidri: Sono anaerobi, cioè vivono senza ossigeno che anzi per loro è nocivo. Sono responsabili del tetano, della gangarea gassosa e del botulismo (il closidro botulinum è un procariota che nel momento in cui le condizioni ambientali diventano sfavorevoli alla vita di quest'organismo, produce endospore che sono molto più resistenti della cellula batterica vera e propria al calore). L'ingestine di alimenti conservati male e quindi che presentano endospore, sono letali poiché queste ultime producono delle tossine potentissime

q        Spirillacee: ne fa parte il vibrione del colera

q        Lattobacilli: nel latte e in altri prodotti caseari. Questi batteri fermentano lo zucchero producendo acido lattico. Es. Mycobacterium tubercolosis.

q        Micobatteri

q        Actinomiceti: sembrano funghi filamentosi (le cellule unendosi formano nastri ramificati). Molti soprofiti (sono così chiamati i batteri che prolificano sul 'marcio') producono antibiotici (streptomicina, eritromicina, cloramfenicolo, tetraciclina).

q        Corynebatteri: piegati ad angolo o curvi (c. diphteriae) sono responsabili della difterite, producono potente esotossina.

L'Escherichia Coli è il batterio più conosciuto e usato in laboratorio. Esso è di un'importanza fondamentale per l'organismo umano, in quanto vive nel nostro intestino e con le sue funzioni metaboliche produce composti chimici che sono fondamentali per molti dei processi biologici che si svolgono nell'organismo umano: le vitamine (per questo motivo l'assunzione di antibiotici deve essere sempre accompagnata da assunzione di vitamine).

I batteri in generale, e specialmente i Cocchi, hanno la tendenza di associarsi. Come tutti gli organismi viventi i batteri si riproducono e hanno più modalità per farlo:

Riproduzione asessuata: è la più semplice e prevede la creazione di una strozzatura nella cellula madre a formare due cellule figlie identiche fra loro e identiche alla cellula madre.

Riproduzione parasessuale: è un fenomeno che prevede il passaggio di materiale genetico (o informazionale) da un individuo all'altro.

Processo di Trasformazione: una cellula subisce una demolizione o muore e lascia frammenti di materiale genetico in grado di attraversare la membrana della cellula partner, che quindi aggiunge al suo genoma quello della cellula morta.

Processo di Trasduzione: avviene attraverso un vettore (per esempio un fago) che dopo aver concluso il suo ciclo litico in una cellula staccandosi si trascina dietro un pezzo di DNA del vecchio ospite portandolo in uno nuovo.

Processo di coniugazione: questa modalità di riproduzione dei batteri è l'unica che avviene attraverso contatto diretto fra le due cellule. Il trasferimento del materiale genetico avviene in toto oppure parzialmente attraverso un pilo, vale a dire un'apertura nella membrana batterica creatasi apposta per far passare il materiale.

Il batterio: mesosoma DNA

parete

Capsula

Ialoplasma

1 - 1,5 micron

Membrana plasmatica ribosomi

3 - 4 micron

Capsula: è una capsula polisaccaridica che può esistere oppure no nei

procarioti (manca nell'E. Coli). La presenza della capsula prevalentemente nelle specie patogene spiega il suo compito di difesa contro eventi di fagocitosi.

Parete: detta anche 'wall' o 'mureina' è il rivestimento più esterno caratteristico di tutti i procarioti, chimicamente composta da peptidoglicani. E' molto robusta ed è fondamentale per quei batteri che vivono in ambienti in cui c'è un alto tasso di agenti demolitori (E. Coli vive nell'intestino umano). La parete conferisce alla cellula di non esplodere in presenza di soluzioni ipotoniche (il globulo rosso, per esempio, vive solo in virtù del fatto che nel suo ambiente è assicurata una soluzione isotonica), e la rende immune da shock osmotici. I batteriofagi hanno la possibilità di rompere questa barriera solo grazie al lisozima.

Membrana plasmatica: è una struttura membranosa di tipo lipoproteico, chiamata anche plasmalemma, presente in tutte le cellule. Nelle cellule procariotiche la membrana s'invagina nel citoplasma a formare il Mesosoma.

Mesosoma: è la sede della respirazione cellulare, qui si svolgono tutti i processi ossidativi caratteristici di tutti gli organismi aerobi.

Citoplasma: non è presente la compartimentalizzazione in quanto sono assenti quasi tutti gli organuli normalmente presenti nelle cellule eucariotiche, "sciolti" in esso vi si trovano DNA + RNA +Proteine e Ribosomi (associazioni macromolecolari di dimensioni cospicue costituite da acido ribonucleico + proteine, i r. sono presenti in tutti gli organismi dotati di struttura cellulare, in essi avviene la sintesi proteica. Essendo strutture fondamentali sono presenti in grandi quantità).

Composti chimici: hanno una struttura più piccola rispetto ai ribosomi, sono il materiale per la costruzione delle macromolecole. Fra di essi troviamo gli Enzimi: catalizzatori biologici adibiti alla facilitazione dei processi chimici, consentono che questi avvengano in condizioni "favorevoli alla Vita". All'interno del Citosol (parte gelatinosa del citoplasma) vi è anche l'acqua.

DNA: è immerso direttamente nel citoplasma, visibile come un groviglio informe chiamato anche nucleoide, è impropriamente detto cromosoma batterico. Impropriamente poiché se svolto, la sua forma ricorda quella di un anello circolare. Il DNA batterico è "nudo", in altre parole non ci sono altre componenti proteiche se non le appropriate basi azotate. Il DNA può essere presente anche sparso nel citoplasma a formare altri piccoli anelli (chiamati plasmidi o episomi) anch'essi "nudi".

I batteri in laboratorio vengono coltivati in terreni di coltura poveri: alcune volte sono liquidi e composti da H O + sali minerali + glucosio. Non sono presenti sostanze complesse come le vitamine, perché i batteri le sintetizzano da soli. In condizioni ottimali una colonia di batteri si raddoppia ogni 30' ed in 24 h arriva a contare 10 miliardi di esemplari. Per separare i batteri dal proprio terreno di coltura è utilizzata la centrifugazione, metodo che permette di far adagiare sul fondo della provetta gli stessi (Biomassa).

Altre volte sono solidi, composti dai medesimi ingredienti ma in più hanno un "materiale" che gli conferisce solidità.

Per recuperare il DNA batterico uso il Lisozima.

METABOLISMO

Deriva da un termine greco che significa "trasformazione". E' un processo caratteristico degli organismi viventi (entità in grado di trasformare in condizioni favorevoli alla vita) caratterizzato da un insieme di reazioni biochimiche che avvengono in una cellula e comprende trasformazioni molecolari molto diverse. Queste reazioni possono essere riunite in vie metaboliche, che sono una sequenza di reazioni ognuna catalizzata da un enzima specifico. Gli enzimi che formano una via metabolica sono di solito confinati in distretti specifici della cellula come i mitocondri o il citosol. Prove sempre più numerose suggeriscono che gli enzimi di una via metabolica sono spesso fisicamente legati gli uni agli altri, in modo che il prodotto di un enzima possa essere direttamente fornito come substrato al sito attivo dell'enzima successivo in una sequenza di reazione. I composti che si formano ad ogni tappa sono i metaboliti intermedi che portano alla formazione del prodotto finale.

Ci sono due aspetti fondamentali del Metabolismo:

M. anabolico (anabolismo): è quell'insieme di processi chimici i quali permettono la costruzione di biomolecole complesse partendo da elementi chimici più semplici.

M. catabolico (catabolismo): è quell'insieme di processi chimici i quali demoliscono biomolecole complesse in composti e/o elementi semplici successivamente o sfruttati in altri processi chimici, oppure "scartati" come prodotto di rifiuto (CO

Vie metaboliche: serie di eventi chimici che iniziano da un composto di partenza per arrivare ad un prodotto finale.

A + E = B + E = C + ... = Z

E' una caratteristica chimica dei viventi, non tanto per i vari passaggi chimici (riproducibili anche in laboratorio), ma in quanto questi passaggi non avvengono spontaneamente se non aiutati da catalizzatori biologici (enzimi, etimologicamente "enzumè"=lievito, altamente specifici, cioè che riconoscono esclusivamente quel determinato processo biosintetico).

Il metabolismo può essere considerato sia "distruttivo" che "costruttivo" di biomolecole (precursive di molecole complesse).

Durante un qualsiasi processo anabolico la cellula deve necessariamente "spendere" energia che verrà presa dalle vie cataboliche.

Vie anaboliche e cataboliche

anabolismo

(enzimi, proteine, lipidi,

ac. nucleici, glicogeno)

Molecole biochimiche

Catabolismo

(degradazione, ossidazione)

Si dicono reazioni Esoergoniche tutti quei processi chimici, e non, che liberano energia sotto forma di calore.

O

OH

L'ATP (adenosintrifosfato) è un nucleotide formato da adenosina legata a tre gruppi fosfato; è la principale riserva di energia immediatamente disponibile.

L'adenosina a sua volta è formata da adenina + ribosio.

L'ATP è una base azotata legata ad uno zucchero (ribosio = pentoso 5 C) ed a tre acidi fosforici (Pi = H PO ) legati fra loro da legami covalenti, più precisamente gli ultimi due legami sono ad alta energia.

AMP + Pi = ADP + Pi = ATP

Approfondimento:

Un utile esempio è fornito dal saccarosio, idrato di carbonio (disaccaride) formato da 1 glucosio + 1 fruttosio legati da un legame glicosidico. L'organismo scindendolo lo riporta al suo stato originale dei due zuccheri sopra elencati.

ATP

Sintesi di proteine, di lipidi, di

Ca carboidrati.

Energia meccanica

(contrattilità, divisione cellulare)

Trasporto attivo

Glicolisi anaerobica

Conduzione e

trasmissione nervosa.

Fosforilazione Luminescenza

ossidativa

Calore

Al primo posto si trova l'ATP che viene sfruttata dalla cellula per la creazione di macromolecole, per la produzione di energia meccanica utilizzata per esempio nella contrazione muscolare o nel processo di divisione cellulare ad opera di proteine contrattili.

Tornando alla membrana cellulare possiamo distinguere due tipi di trasporto:

Quello passivo consiste nel semplice passaggio secondo il gradiente di concentrazione, senza nessuna spesa energetica;

Quello attivo al contrario, richiede energia sotto forma di ATP per l'attivazione delle pompe Sodio Potassio

Altra funzione importante della membrana cellulare è quella della respirazione cellulare, questa prevede l'introduzione all'interno della cellula della molecola dell'ossigeno. Prima di entrare all'interno della cellula nei grandi organismi l' O passa attraverso la respirazione polmonare, al contrario i piccoli organismi non ne hanno bisogno.

Un tipico esempio di respirazione è la fotosintesi nelle piante verdi:

ENERGIA SOLARE

Fotosintesi clorofilliana

CO + H O glucosio + O

Respirazione negli animali

e nelle piante.

La fotosintesi ha come scopo finale la completa demolizione del glucosio, fino ad arrivare a prodotti non più utilizzabili in quanto inorganici.

Glucosio: nutrimento essenziale per tutte le cellule, nel sangue circolante è presente in quantità costanti in quanto deve 'bagnare' ogni cellula del corpo. Il glucosio vieni introdotto generalmente negli organismi con cibi contenenti zuccheri, per esempio saccarosio.

Questi glicidi complessi (polisaccaridi) vengono generalmente scissi in singole molecole di glucosio. Il destrosio è lo zucchero più facilmente assimilabile presente in natura.

Le cellule ricorrono a specifici procedimenti chimici per trattenere il glucosio all'interno di esse, trasformandolo in glicogeno, zucchero incapace di uscire dalla membrana plasmatica. In seguito il glicogeno (macromolecola di riserva con formula chimica generale CnH2nOn) viene o demolito o lasciato come riserva energetica.

Tornando al glucosio, questo viene 'parzialmente' demolito in sede citoplasmatica, passando da una molecola di C6H12O6 a due molecole di C H O , ognuna delle quali va incontro alla glicolisi (via metabolica). A questo punto la cellula ha guadagnato 2 molecole di ATP, se siamo in anaerobiosi la produzione di ATP si arresta, al contrario in aerobiosi (processo molto più redditizio) la glicolisi non arrestandosi continua a 'produrre' altre molecole di ATP.

Il processo di glicolisi in presenza di O , viene svolto nel mitocondrio in condizioni compatibili con la vita, all'interno di esso vi arriva l'ossigeno proveniente dalla parete cellulare.

Mitocondrio: è un organello presente all'interno delle cellule, ha forme e dimensione variabili, la sua struttura è caratterizzata da una doppia membrana, una interna e una esterna. La caratteristica di quella interna è di avere numerose introflessioni le quali ne fanno aumentare la superfici, formando le creste mitocondriali. Nel core del mitocondrio risiede la matrice mitocondriale, luogo deputato alla produzione di ATP. La forma e la struttura del mitocondrio è strettamente collegata alla cellula a cui appartiene in quanto maggiore è la quantità di energia necessaria al tessuto, più numerose saranno le creste mitocondriali e di conseguenza maggiore sarà la produzione di ATP.

VIE METABOLICHE

Il glucosio entrando all'interno della cellula attraverso la membrana plasmatica arriva al citosol, qui va incontro ad una parziale demolizione, passando da una molecola formata da sei atomi di carbonio a due molecole formate rispettivamente da tre atomi di carbonio (glicogeno). Questa prima parte della glicolisi avviene in assenza di ossigeno, le tappe successive prevederanno l'utilizzo di tutta una serie di specifici enzimi; ogni 'distretto' cellulare compierà un ulteriore passaggio fino ad arrivare alla completa demolizione del suddetto zucchero.

Per metabolismo terminale intendiamo l'ultima parte del metabolismo che avviene nel mitocondrio. All'interno di esso, con l'apporto di un importante ossidante quale è l'ossigeno, avviene il ciclo di Krebs (fosforilazione ossidativa). [ La struttura del mitocondrio è strettamente correlata alla sua funzione, numerose creste denotano mitocondri situati in tessuti adibiti a prestazioni di tipo energetico (tessuto muscolare). Anche in organismi notoriamente aerobi, si possono occasionalmente verificare delle situazioni che escludono l'ossigeno, per esempio durante uno sforzo prolungato, i muscoli di un uomo contraggono i propri vasi sanguigni impedendo al sangue il normale deflusso e l'apporto di 0 , tutto ciò porta alla formazione di acido lattico. Le cellule dei tessuti muscolari hanno al loro interno macromolecole capaci di intrappolare molecole di ossigeno utilizzabili in un secondo momento]. I tre glicogeni sono ancora ricchissimi di energia ed in seguito ad ulteriori demolizioni hanno la possibilità di entrare nel mitocondrio per portare avanti il metabolismo terminale.

Fino ad arrivare, dopo una serie di passaggi, alla sua completa demolizione avente come prodotti finali anidride carbonica e idrogeno.

Come abbiamo già detto all'interno del mitocondrio, nella matrice mitocondriale, avviene il ciclo di Krebs (TCA = Ciclo degli Acidi Tricarbossilici). Fra gli eventi chimici del TCA molti sono quelli di deiidrogenazione e di decarbossilazione (rimozione di CO a carico di un composto che contiene C e O). Nella matrice mitocondriale si 'affondano' le creste sulle quali si trovano gli elementi chimici in grado di consentire la respirazione e la cattura dell'energia che deriva dall'ossigeno atmosferico. Nella matrice, inoltre, si trovano in soluzione gli enzimi che permettono lo svolgimento del TCA.

Con il termine catena respiratoria indichiamo i trasportatori di H che si trovano sulle creste mitocondriali, sono disposti uno di seguito all'altro a formare una consecuzione figuratamente denominata 'catena'. In questo ciclo si trovano una serie di eventi di deiidrogenazione (=ossidazione) catalizzati dall'enzima deidrogenasi il quale rappresenta una proteina coniugata (oltre alla parte proteica vi è un composto chimico legato alla proteina, il coenzima, chiamata NAD+: ha un'affinità molto elevata con l'H e quindi ha la possibilità di strapparlo al substrato, grazie al suo elevato potenziale di ossidazione. Con l'H ora acquisito prende il nome di NADH ). In aiuto alla deidrogenasi si affianca il coenzima FAD che ha come compito quello di acquistare un H e divenire FADH (si verifica un processo di ossidazione). In tutte le reazioni redox (ossidoriduzione) si ha una liberazione di energia che verrà poi catturata dal sistema adenilico (ADP + Pi = ATP) che produrrà una sola molecola di ATP. E' definito un processo originale che attraverso i vari passaggi della molecola di H, riesce a recuperare l'energia spesa dall'inizio del percorso. Se l'evento ossidativo si verificasse in una sola tappa (52.000 piccole calorie), l'energia si libererebbe con troppa forza e questo non consentirebbe il mantenimento della vita (per tutta una serie di reazioni il calore della cellula aumenterebbe oltremodo). Infatti la liberazione di energia avviene a 'pacchetti', cioè in piccole quantità di energia che non possono danneggiare la cellula.

Citocromi: sono proteine coniugate al gruppo EME, hanno una struttura anulare al centro della quale si trova un atomo di Fe+++ (di colore rosso). Cit b + Fe+++ = gruppo prostetico (dal greco 'che sta sopra'), ha un potenziale redox maggiore a quello prevalente per cui è capace di strappare l' O . Con tutta una serie di passaggi e l'intervento di una serie d enzimi e coenzimi arriviamo alla fine del TCA dove come prodotto finale abbiamo H O. Il valore numerico quantitativo è di creare per ogni ATP 8.000 piccole calorie, quindi dopo essere stati utilizzati sia il Citocromo b, sia quello c, che quello a , abbiamo prodotto 3 ATP per un totale di 24.000 piccole calorie.

Lungo questa catena si sono prodotti 3 ATP il resto dell'energia è stato dissipato sotto forma di calore.

Fosforilazione ossidativa (ossidazione fosforilante): è detta così poiché siamo di fronte ad un'ossidazione alla quale si affiancano tre eventi di fosforilazione. Il metodo di cattura di energia si basa sulla differenza del gradiente di protoni in base al quale si crea la stessa. Un grammo-molecola di glucosio da per risultato 38 molecole di ATP. Per misurare le calorie, oggi vengono usate delle bombe calometriche nelle quali è inserito il composto per farlo materialmente bruciare mentre il calore disperso viene conteggiato. La resa della fosforilazione ossidativa è del 45%, difatti un grammo di glucosio potrebbe portare a 660.000 piccole calorie, invece abbiamo 38n ATO x 8.000 = 304.000 piccole calorie. Il glucosio potrebbe anche ossidarsi da solo, ma per la quantità pari a quella di un cucchino, impiegherebbe 300.000 anni, all'interno di un organismo vivente il tempo di ossidazione si accorcia drasticamente grazie ai catalizzatori biologici (enzimi).

Ci sono alcune patologie a carico del muscolo cardiaco (deficienza di ATP) che richiedono un'adeguata terapia farmacologica atta a migliorare la funzionalità, difatti a tali pazienti, vengono somministrati farmaci che favoriscono l'ossidazione fosforilante e di conseguenza aumentano la produzione di ATP che, apportando maggiore energia all'organo ne fanno aumentare l'efficienza.

Ipertiroidismo: disfunzione della ghiandola tiroidea, caratterizzata da un'iperproduzione di ormoni tirodei, i quali disaccoppiano alcuni passaggi del ciclo ossidativo, fanno sì che il soggetto abbisogni di maggiore ATP; è per questo che l'organismo, per sopperire ad un accellerato metabolismo, induce il paziente ad aumentare il ritmo respiratorio.

Nota storica:

Fino al 1700 circa si pensava che le teorie Abiogenetiche fossero la base del sistema vivente. Con Francesco Redi la teoria appena detta fu ritenuta mendace, infatti egli dedusse dall'osservazione del fenomeno dell'imputridimento della carne (comparsa dei vermi), che gli organismi che si sviluppano sulla carne lasciata all'aria non si auto-creavano, ma si sviluppavano in conseguenza della deposizione delle uova larvali appartenenti alle mosche che vi si posavano sopra. Da questo si cominciarono a dedurre le moderne teorie della biologia.

Costituzione chimica degli esseri viventi

Negli organismi viventi attualmente presenti, non vi sono composti chimici allo stato di singoli elementi, ma sottoforma di molecole, grandi o piccole che siano. Analizzando la composizione chimica dei viventi notiamo che:

Vi sono elementi abbondanti = C, H, O, N;

Elementi meno abbondanti = Ca, Na, K;

Elementi presenti in piccolissime quantità (oligoelementi);

Elementi chimici rari (elementi accidentali).

Ferro: è presente in dosi ragguardevoli sulla crosta terrestre, nell'organismo umano è in tracce, ma entra nella costituzione di importanti metallo-proteine (es. citocromi), suddette proteine fanno parte della catena respiratoria (emoglobina, mioglobina). Importante è la sua introduzione nelle diete di ogni individuo, difatti data la sua importanza l'organismo riesce a 'trattenerlo' inglobandolo nell'emoglobina e mioglobina; queste due proteine subiscono un turn over continuo, poiché per recuperare il ferro acquistato devono essere demolite.

Calcio: è uno ione importante nella popolazione del sangue.

Magnesio: (clorofilla) come ione è importante nella funzione ione di collegamento fra le due subunità dei ribosomi.

Fosforo: questo elemento metallico è organicato dalla tiroide. Organicare = sottoforma di ioduro viene organicato per farlo entrare nell'organismo.

Riciclaggio degli elementi chimici

Viene anche detto ciclo Biogeodinamico, avviene per tutti gli elementi citati nella tabella sopra riportata.

[Per il ciclo dell'azoto (N) vedi pagina 82, paragrafo 60, Alberts (terza edizione)]. L'azoto organico animale è contenuto nelle biomolecole che compongono gli animali, viene eliminato dagli stessi mediante escrezione di composti organici terminali sottoforma di urea (uomo, organismi ureoteici), acido urico (alcuni volatili, organismi uricoteici) oppure sottoforma di ammoniaca (pesci, organismi ammonioteuci). Anche nel mondo vegetale vi è l'eliminazione dell'azoto, difatti alla fine del ciclo vitale della pianta, questa, nel suo residuo secco, lo contiene. Nel mondo animale invece, oltre alle deiezioni, gli organismi, una volta morti, decomponendosi per opera di organismi presenti nel suolo, si trasformano in ammoniaca (NH ). L'ammoniaca a sua volta viene utilizzata dai nitrobatteri come elemento nutrizionale e trasformata in nitrati. Ad opera dei batteri denitrificanti dai nitrati viene estratto N (gassoso), che rientra nell'atmosfera.

Fissazione dell'azoto

Capacità biologica di costruire composti chimici organici a partire dall'azoto atmosferico (N = inorganico). E' compiuto anche chimicamente attraverso procedimenti industriali molto costosi (ammoniaca per la casa). L'azoto è presente anche in particolari organismi azotofissatori, utilizzati dagli agricoltori per fertilizzare il terreno. Prima dell'avvento dei fertilizzanti chimici,venivano utilizzate le piante delle leguminose (erba medica, arachidi, fagioli, piselli, etc.) per stabilire il giusto tenore di azoto nel terreno. Suddette piante hanno la capacità di stabilire un rapporto di simbiosi con i microrganismi azotofissatori, visibili nel loro apparato radicale con forma rotondeggiante di tubercoli (Rhizobium = Rhizo etimologicamente significa radici).

I batteri traggono glucosio dalla pianta, e la pianta a sua volta trae azoto da loro. I Rhizobium compiono il percorso della fissazione in pratica partono dall'azoto e arrivano all'ammoniaca, attraverso un insieme di enzimi che permettono loro di effettuare un'eccezionale via metabolica. La loro colorazione rossastra è data dalla presenza di una metalloproteina (leghemoglobina) che assomiglia all'emoglobina presente nell'uomo, giacché è in grado di catturare O ; questa è un operazione preventiva perché l'ossigeno atmosferico è per loro tossico, poiché gli impedisce di compiere la via metabolica dell'N . Fino ad alcuni anni fa i coltivatori utilizzavano come fertilizzante specificatamente l'erba medica: pianta in grado di cibare con la sua parte superiore i conigli, e, con quella inferiore, di fertilizzare i terreni. Attualmente sono utilizzati fertilizzanti biosintetici a base di sali di azoto, questi hanno come difetto quello di passare nelle falde acquifere, contaminandole.

La moderna ingegneria genetica ha usato come modello di studio i batteri Rhizobium: utilizzando la biotecnologia hanno introdotto le informazioni di questi batteri sotto forma di geni in piante diverse dalle leguminose, come i cereali. Questa ingegnerizzazione dei cereali ha come scopo primario quello di non utilizzare più fertilizzanti chimici.

Composti inorganici ed organici

Organici: prima del 1918 (data in cui è stato possibile sintetizzare l'urea in laboratorio) si pensava che solo gli organismi viventi potessero compiere questa operazione.

Bisogna a questo punto ricordare l'importanza di un composto inorganico presente in grandissime quantità in quasi tutti gli organismi viventi: l'acqua

Negli organismi viventi la sua presenza varia dal 99% nelle meduse al 75% nell'uomo (esistono anche organismi con percentuali molto più basse); nell'uomo questa percentuale può variare a seconda dell'età del soggetto, basti pensare che nel feto si aggira intorno all'80/85% e nell'uomo adulto solitamente è del 70% (è inversamente proporzionale all'aumento dell'età).

È il solvente più idoneo per i composti presenti egli organismi viventi, consente alle biomolecole di 'sciogliersi' con facilità. La sua caratteristica di ottimo solvente gli è data dalla sua polarità [vedi quadro 2.1, pagina 52-53, Alberts terza edizione].

Il decesso di un organismo vivente avviene molto più velocemente per disidratazione che per sottonutrizione.

Descrizione e funzione delle biomolecole che costituiscono la materia vivente

Idrati di carbonio: (carboidrati) grande categoria di composti comprendente, fra gli altri, zuccheri e glicidi (dal sapore dolce). Si dividono in quattro categorie principali:

I monosaccaridi, detti anche zuccheri semplici sono polialcool triosi, tetrosi, pentosi (ribosio e desossiribosio = grandi zuccheri presenti negli ac. nucleici), esosi ( glucosio e fruttosio = isomeri) ed eptosi.

Gli oligosaccaridi sono prodotti dalla condensazione di più monosaccaridi uniti a formare più catenelle oligosaccaridiche. Un esempio è dato dal lattosio (disaccaride = glucosio + galattosio), elemento fondamentale dei latticini. Quando si ingerisce lattosio si introduce nell'organismo un disaccaride che verrà in seguito, ad opera di specifici enzimi, nei suoi componenti. Le catenelle oligosaccaridiche legate a proteine o lipidi (= glicolipidi) si trovano in svariati siti della cellula, per esempio quelle che sono unite alle proteine presenti alla membrane. Un classico esempio è dato dalle catene associate alla membrana plasmatica (plasmalemma), questo consente il riconoscimento fra le varie cellule; sono il codice di superficie della cellula stessa, forniscono alla cellula la capacità di riconoscere il self dal not self (compatibilità o rigetto). Per quanto riguarda i rigetti dei trapianti di organi vi è una spiegazione a livello molecolare, le cellule dell'organismo ricevente non riconoscono le cellule dell'organo ricevuto (not self, rigetto). Le possibili combinazioni possono essere molto varie, e non solo come fra i gruppi sanguigni.

I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi, hanno una duplice funzione, quella di struttura (sostegno) e quella di riserva. Negli animali un importante polisaccaride è rappresentato dall' amido (svolge funzione di riserva, è formato da una catena di singoli monomeri di glucosio), omopolimero ramificato (alto polimero poiché grande), il legame chimico fra i singoli glucosio è detto legame glicosidico (è molto resistente, 1 alfa 4 glicosidico). Ha una particolare posizione del ponte a ossigeno al disotto del piano delle due molecole legate, viene anche detta molecola cespugliosa con ramificazioni. E' usata da organismi eterotrofi, come l'uomo.

Nel mondo vegetale c'è un altro importante polisaccaride è la cellulosa che ricopre il compito di parete delle cellule vegetali: è un omopolimero lineare . Il legame tra i monomeri di glucosio è 1beta 4 glicosidico e il compito di questo polimero è di struttura. Perché la cellulosa possa essere utilizzata dagli erbivori occorre che questi siano forniti di un particolare enzima, la cellulasi, che è situato nel canale intestinale cioè dove si trova anche una forte flora batterica in grado di demolire. L'enzima che è deputato alla demolizione della cellulosa deve avere una funzione idrolitica ( cioè che abbia la capacità di introdurre acqua per demolire il legame glicosidico.

Un altro esempio di polisaccaride è il glicogeno, che ha anch'esso funzione di riserva come amido all'interno delle cellule animali. E' un'importante riserva ed ha la struttura uguale a quella dell'amido (molecola ramificata omopolimera di glucosio). La caratteristica che distingue il glicogeno dagli altri polisaccaridi è la sua eccezionale ramificazione: i vari glucosi sono legati fra loro con legame 1 alfa 4 glicosidico, mentre le varie eliche sono legate da legame 1 alfa 6 glicosidico. Cellule particolarmente ricche di glicogeno sono quella muscolare e quella epatica. Il glicogeno sopperisce al bisogno continuo di ogni cellula di glucosio, molecola assolutamente indispensabile esattamente quanto l'ossigeno. Nelle cellule epatiche vengono sintetizzate macromolecole (e quindi si verifica una situazione di anabolismo), operazione che necessita di grandi quantità di glucosio. Al microscopio sono particolarmente chiare e riconoscibile le 'rosette' di glicogeno.

Gli eteroglicani (o glicosaminoglicani = GAGS) sono eteropolimeri costituiti da zuccheri o da componenti di zuccheri. L' eteroglicano è una catena di dimeri che si ripetono n volte. Un esempio di eteroglicano è l'acido ialuronico che ha come dimero di base un acido glicuronico unito con legame 1 beta 3 glicosidico a N-acetil-glucosamina; questa macromolecola si trova nella pelle, nella cartilagine e nel liquido sinoviale (lubrificante). Lungo il polimero si trovano numerose cariche negative. Altro esempio è rappresentato dal condroitinsolfato che è più forte dell'acido ialuronico e si trova nei tessuti connettivi come la cartilagine.

Esempio di struttura polisaccaridica: la parete batterica

Solo le cellule procariotiche possiedono questo guscio, in quanto è un involucro originale.

Pendente

ponte

Costituiscono la parete. L'enzima in grado di distruggere il legame tra NAM e NAG si chiama lisozima.

I pendenti e i ponti sono catenelle oligopeptidiche.