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CITOLOGIA Gli elemen% biogeni si dividono in: -

Elemen5 primari plas5ci: C, H, N, O, che cos5tuiscono circa il 98% della materia vivente;

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Sali inorganici: presen5 prevalentemente nel protoplasma, soFo forma dissociata di ioni idra5 e sono: ca#oni (K, Na, Ca, Mg) e anioni (Cl, HCO3, H2PO4) e occupano circa l’1,9%;

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Infine, gli oligoelemen5 o elemen5 oligodinamici, tra cui Cu, Zn, I, Fe, V, Al.

Inoltre, ques5 elemen5 si raggruppano in: -

Compos5 inorganici, come acqua e sali minerali;

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Composi organici, come le biomolecole (lipidi, proteine…etc.).

Il protoplasma delle cellule animali e vegetali, è in genere composto dal 75-85% di acqua, 10-20% di proteine, 2-3% di lipidi e la restante parte da acidi nucleici, glucidi e sali minerali. L’acqua può avere origini: -

Esogene, cioè proviene dall’esterno della cellula;

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Endogene, si libera dall’interno della cellula nel corso di reazioni metaboliche.

L’acqua è importante dal punto di vista biologico perché: -

Cos5tuisce la fase disperdente del sistema colloidale protoplasma5co;

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E’ il medium di numerose reazioni metaboliche;

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Funge da veicolo per assunzione o eliminazione delle sostanze;

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Grazie al suo elevato calore specifico, evita sbalzi di temperatura.

Può essere infine, di riempimento, con alto contenuto entropico e di idratazione, con un basso contenuto entropico. La molecola d’acqua, può essere rappresentata come un dipolo magne5co il cui centro di carica nega5va è cos5tuito dall’ossigeno, mentre i due H risultano parzialmente posi5vi. Tra H e O ci sono legami idrogeno che, con l’innalzamento della temperatura tendono a scomparire e permeFono i passaggi di stato fisico.

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I Sali minerali sono presen5 soFo forma di ioni liberi e compos5 solubili o poco solubili. I suoi ioni principali sono: -

Na+, K+ e Cl-, regolano la permeabilità della membrana. Mentre Na e Cl sono più concentra5 nei liquidi extracellulari, lo ione K si accumula all’interno delle cellule dove svolge funzioni di controllo su molte advità enzima5che;

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Ca++, regola la contrazione muscolare e l’eccitabilità delle fibre nervose, mentre HPO4 (fosfato di calcio) è localizzato nelle ossa e nei den5;

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Mg++ è presente nelle ossa;

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SO4--, (ioni fosfato) partecipano alla stabilizzazione struFurale di numerose molecole proteiche come la chera5na; HCO3- rappresenta la principale forma di trasporto per la CO2 e svolge un ruolo fondamentale nell’equilibrio acido-base;

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Fe, rappresenta il veicolo per il trasporto dell’ossigeno nell’emoglobina.

I Sali minerali contribuiscono inoltre: -

All’equilibrio acido-base, dipende dal pH di una soluzione. Il pH delle cellule durante l’advità metaboliche è di 7,2-7,4 (pH fisiologico), una sua variazione porta ad una variazione dell’advità metabolica;

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L’equilibrio ionico, cioè la concentrazione di ioni all’esterno e all’interno della cellula. Ad esempio, Na+, Cl- è più concentrato all’esterno, mentre K+ all’interno. Le pompe proteiche (proteine di membrana), regolano questo equilibrio e oltre a queste pompe, ci sono canali aper5 e chiusi che regolano il passaggio di queste sostanze;

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L’osmosi, è il flusso di acqua da una soluzione a minor concentrazione ad una a maggior concentrazione, separate da una membrana semi-permeabile, fino a quando le due concentrazioni non si equivalgono. Una cellula in ambiente ipotonico tende a rigonfiarsi, mentre in ambiente ipertonico, si raggrinzisce. Una cellula per poter funzionare deve trovarsi in ambiente ipotonico. La pressione osmo5ca dipende dal numero di par5celle presen5 nella soluzione.

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CARBOIDRATI (C, H, O) o glucidi, sono la principale fonte di energia per le cellule vegetali ed animali. Essi si dis5nguono in: monosaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi. -

I monosaccaridi, comprendono i glucidi che non possono essere idrolizza5 in compos5 più semplici. I più importan5 sono i pentosi (cioè a 5 atomi di C), come il ribosio e il desossiribosio, e gli esosi come glucosio, galaFosio e fruFosio. La loro formula è CnH2nOn e possono contenere anche gruppi aldeidici (-CHO) e chetonici (=CO). Per la loro struFura ad anello, ciascun monosaccaride presenta due forme isometriche (α e β) in cui cambia l’orientamento nello spazio dello zucchero e non le sue componen5.

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Gli oligosaccaridi (fino a 14 monosaccaridi), derivano dalla condensazione di Nmonomeri, con eliminazione di N-1 molecole di acqua. Tra i più importan5 ci sono: il maltosio che deriva dall’idrolisi parziali dell’amido (un polisaccaride); il la>osio, che è cos5tuito dall’unione di galaFosio+glucosio; il saccarosio, formato da glucosio+fruFosio;

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I polisaccaridi, si dis5nguono in: omopolisaccaridi, compos5 dallo stesso zucchero semplice (glicogeno= glucosio+glucosio+glucosio...) e eteropolisaccaridi compos5 da zuccheri diversi, come ad esempio i GAG (glicosaminoglicani). 3

Per le cellule degli organismi animali, il glicogeno cos5tuisce la principale forma di accumulo dei glucidi e il punto di partenza per molte vie metaboliche. Infad, poiché la pressione osmo5ca di una soluzione dipende dalla concentrazione delle par5celle, l’accumulare il materiale di riserva soFo forma di grandi molecole di glicogeno, piuFosto che soFo forma di piccole molecole di monosaccaridi e disaccaridi, presenta il vantaggio di non rendere iperosmo5co l’ambiente intracellulare. I GAG (mucopolisaccaridi), invece, sono chiama5 così perché uno dei due zuccheri che si ripete è sempre un aminozucchero, cioè un monosaccaride in cui, un gruppo –OH è stato sos5tuito da un gruppo aminico –NH3. Gli aminozuccheri, possono essere ace5la5 tramite sos5tuzione di un H con un gruppo ace5le. I glicoconiuga%, sono compos5 forma5 da zucchero+altro, si dividono in: -

Proteoglicani, compos5 proteico – eteropolisaccaridici, in cui la componente carboidra5ca prevale su quella proteica;

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Glicolipidi;

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Glicoproteine, macromolecole cos5tuite da un asse proteico sul quale si inseriscono catene oligosaccaridiche. Possono essere acide (carbossilate e/o solforate) o neutre.

LIPIDI, sono esteri di acidi grassi superiori (con tan5 atomi di C) lega5 con alcoli polivalen5 (con tan5 –OH). Essi si dividono in saturi, con legame singolo e insaturi, con doppio legame. Possono essere divisi ulteriormente in: -

Lipidi idrolizzabili, che sono semplici e forma5 da CHO. La maggior parte dei lipidi semplici derivano dalla esterificazione di acidi grassi con alcool di varia natura. Da esterificazione con alcoli superiori monovalen5 si oFengono le cere; da quella con gli steroli (colesterolo), gli esteri degli steroli; da quella con il glicerolo, i gliceridi, che si suddividono in monogliceridi, digliceridi e trigliceridi. I trigliceridi, sono la fonte di riserva energe5ca dell’organismo e possono essere liquidi (a temperatura ambiente) e sono olii oppure solidi e sono grassi. I lipidi semplici, avendo un caraFere generalmente idrofobico tendono a depositarsi nell’acqua soFo forma di gocce isolate (a causa della loro incapacità di interagire con l’acqua);

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Lipidi non idrolizzabili, compos5 e forma5 da CHO + N,S,P. Sono molecole anfipa5che, caraFerizzate dalla presenza di gruppi idrofobici e gruppi idrofili e si suddividono in fosfolipidi, sfingolipidi e glicolipidi. I fosfolipidi sono esteri del glicerolo e i più comuni sono leci#ne e cefaline; gli sfingolipidi, invece, al posto del glicerolo hanno la sfingosina (amminoalcol). Gli steroidi sono esteri di acidi grassi superiori con alcoli tetraciclici (colesterolo). I lipidi compos5, pos5 in acqua (sistema polare), tendono a formare par5colari aggrega5 ded micelle o possono cos5tuire un doppio strato lipidico (bilayer), in cui le code apolari dei lipidi stanno all’interno, mentre le teste polari sono verso l’interno.

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PROTEINE Sono compos5 quaternari (C, H, O, N), cos5tui5 da catene polipe5diche di aminoacidi (gli aminoacidi presen5 in tuFe le proteine naturali, sono 20). Se una catena ha fino a 20 aminoacidi si parla di oligopep#de, altrimen5 di polipep#de. Gli aminoacidi sono lega5 fra loro, nelle catene polipe5diche, con legami pep5dici che si formano in seguito alla reazione tra –COOH e NH3 di due aminoacidi, con l’eliminazione di acqua (condensazione).

Nelle proteine naturali gli aminoacidi sono sempre presen5 nella forma L.

Gli aminoacidi sono sostanze anfotere, in quanto contengono sia un gruppo acido (COOH) che un gruppo basico (NH3), entrambi ionizza5. Se il pH si abbassa, si ha la protonazione di –NH3, che diventa –NH3+ e l’aminoacido avrà carica posi5va; se il pH si alza, si ha la dissociazione di –COOH, in –COO- e l’aminoacido avrà carica nega5va. Quindi in ambiente acido si comportano come acidi e in ambiente basico si ha un comportamento basico. A un preciso valore di pH, deFo punto isoleleHrico, l’aminoacido si comporta come uno ione dipolare a carica 0. Ci sono vari 5pi di proteine, classificabili: -

In base alla funzione: proteine di secrezione, enzimi, an#corpi e rece>ori;

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In base alla composizione, si dis5nguono: proteine semplici, cos5tuite da aminoacidi, e proteine coniugate, proteine + gruppo proste5co (altro); 5

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In base alla conformazione: fibrose (cos5tuite da fasci) e globulari (cos5tuite da catene ripiegate a formare sfere).

Le proteine hanno 4 livelli di struFura: -

StruHura primaria: condiziona la configurazione spaziale e le proprietà delle proteine. La struFura del legame pep5dico limita il ripiegamento della proteina, in quanto la condivisione di eleFroni tra atomi N, C e O fa sì che il legame pep5dico non subisca torsioni.

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StruHura secondaria, che si divide a sua volta in: alfa elica, caraFerizzata da una forma a spirale con un inizio amminico e una fine carbossilica; foglie>o beta in cui le catene sono distese, conformazione caraFeris5ca di alcune molecole proteiche a struFura allungata (deFe fibrose);

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StruHura terziaria, rappresenta la struFura tridimensionale vera e propria della proteina ed è caraFerizzata da un ulteriore ripiegamento. Questa struFura non viene determinata solamente da legami ad idrogeno tra i gruppi pep5dici, ma anche da legami di solfuri, che sono più resisten5 e determinano la forma della proteina. Infad, dalla struFura terziaria, dipendono le proprietà fisicochimiche della proteina;

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StruHura quaternaria, è formata da 2 o più catene polipep5diche. Un esempio è l’emoglobina, cos5tuita da 4 catene polipep5diche, a due a due uguali, denominate alfa-globine e beta-globine. Ogni globina consente di accogliere il ferro, a sua volta capace di legare l’ossigeno.

ACIDI NUCLEICI, sono polimeri di nucleo5di specializza5 nell’archiviazione, la trasmissione e l’u5lizzo dell’informazione gene5ca. Un nucleo#de è formato da uno zucchero pentoso, un gruppo fosfato e una base azotata, uni5 da legami covalen5. Invece zucchero + base = nucleoside. I nucleo5di possono avere da 1 a 3 radicali fosforici, ad esempio: AMP, ADP, ATP. Il legame tra i nucleo5di avviene aFraverso il fosfato: il fosfato del C5 può legarsi al C3 di un altro nucleo5de, tramite un legame di esteri fosforici. Le basi azotate appartengono a due categorie: -

Pirimidiniche, cos5tuite da un solo anello e comprendono 5mina, citosina e uracile;

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Puriniche, formate da due anelli fusi insieme e sono adenina e guanina.

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Esistono due 5pi di acidi nucleici, acido desossiribonucleico (DNA) ed acido ribonucleico (RNA), che differiscono tra loro: -

Per quanto riguarda lo zucchero, infad nel DNA si trova il desossiribosio, mentre nell’RNA il ribosio;

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Per quanto riguarda le basi pirimidiniche, infad nell’RNA la 5mina è sos5tuita dall’uracile.

Secondo il modello di Watson e Crick, il DNA è formato da due catene polinucleo5diche complementari (A con T e C con G) e an5parallele, avvolte a spirale e a doppia elica, collegate da legami idrogeno tra le basi azotate (pon5 idrogeno). La roFura di ques5 legami, permeFe ai due filamen5 di DNA di separarsi e di funzionare ciascuno da stampo per la sintesi di nuovi polinucleo5di. L’informazione gene5ca, contenuta nel DNA, risiede nella sequenza dei nucleo5di. La quan5tà di DNA è una costante caraFeris5ca per ciascuna specie. Il DNA crea copie di sé stesso, tramite il modello semiconserva%vo: 1) L’enzima elicasi apre la catena e la topoisomerasi srotola la doppia elica; 2) Le proteine SSB stabilizzano i filamen5 srotola5; 3) La DNA polimerasi sinte5zza il filamento complementare dal filamento guida, in direzione 5’-3’; 4) Il filamento complementare del filamento lento è sinte5zzato in modo discon5nuo. La primasi sinte5zza piccoli RNA primer e la DNA polimerasi forma un frammento di Okazaki; 5) Gli RNA primer sono rimossi e la DNA ligasi unisce i frammen5 di Okazaki. Il DNA trascrive la sua informazione su molecole di RNA messaggero; queste informazioni vengono u5lizzate con il coinvolgimento di RNA transfer e ribosomiale per la sintesi proteica.

DNA-> trascrizione (nel nucleo) -> RNA-> traduzione (sui ribosomi, nel citoplasma) -> PROTEINA. Ogni organismo è caraFerizzato da una propria cos5tuzione proteica. AFraverso la sintesi proteica, il DNA riesce a oFenere le proteine per regolare la vita cellulare. A livello struFurale le proteine si dis5nguono fra loro per la sequenza deli aminoacidi che le cos5tuiscono. Inoltre, ciascuna proteina è codificata sul DNA soFo forma di sequenze nucleo5diche corrisponden5 a quelle degli aminoacidi di tale proteina. I 4 nucleo5di (A,T,C,G), presi 3 alla volta, formano 64 combinazioni differen5 fra loro. Mol5 aminoacidi quindi, sono codifica5 da più di una tripleFa, per un fenomeno deFo di “degenerazione del codice”, mentre certe tripleFe servono solo a determinare segnali di fine dei processi di codificazione del DNA. Queste tripleFe, prendono il nome di codoni. I principali 5pi di RNA sono: -

RNA messaggero, sul quale il DNA trascrive i codoni di una proteina. L’mRNA ha una struFura a filamento ripiegato ad elica in alcuni suoi pun5; al momento della sintesi proteica ogni filamento viene percorso da più ribosomi, di forma granulare, che gli conferisco un aspeFo simile ad un rosario;

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RNA transfer, trasferisce ai ribosomi i vari aminoacidi che, uni5 fra loro con legame pep5dico, formano le proteine. Ha una forma a trifoglio, con anse alternate a cos5tuire trad a doppia elica. Un’ansa presenta 3 basi azotate libere che cos5tuiscono l’an5codone; l’ansa D con5ene didrouracile e si lega all’aminoacil-tRNA sintetasi; mentre l’ansa T, con5ene ribo#mina, che si lega ai ribosomi;

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I bracci fissi sono: D, T e an5codone; è presente un ansa variabile, più piccola -

L’RNA ribosomiale si divide in sub unità minore, che con5ene una molecola di rRNA, e una sub unità maggiore che ne con5ene 2 o 3 diverse tra loro, e si lega con proteine, nel citoplasma, formando i ribosomi, sui quali avviene la sintesi proteica (i ribosomi possono essere o liberi nel citoplasma o aFacca5 al re5colo endoplasma5co, che può essere liscio o rugoso). Ciascuna sub unità adempie ad un compito specifico: la sub unità minore lega l’mRNA e su di essa avviene il processo di riconoscimento codone-an5codone tra mRNA e tRNA; la sub unità maggiore interagisce con le estremità del tRNA e catalizza, mediante l’enzima pep5ldil-transferasi, in essa presente, la formazione dei legami pep5dici tra i vari aminoacidi che cos5tuiscono le proteine.

Il processo di biosintesi proteica (traduzione) avviene sui ribosomi e si divide in 3 fasi deFe: inizio, allungamento e termine. La fase di inizio è fondamentale in quanto permeFe ai ribosomi di incominciare la leFura del mRNA dal codone AUG di inizio, che corrisponde all’aminoacido me5onina. Durante la fase di allungamento l’enzima aminoacil-pep5dil-sintetasi lega i due aminoacidi lega5 a loro volta (singolarmente) tramite tRNA al sito P ed A della sub unità maggiore. Così il tRNA che lega il primo aminoacido al sito P, scompare e i due aminoacidi si spostano entrambi sul sito P, lasciando vuoto il sito A. Il sito A, ora vuoto, viene occupato da un altro aminoacido (legato sempre tramite tRNA) e il processo di allungamento della catena, va avan5 fino al codone di terminazione UAA, con conseguente distacco della catena polipep5dica dal sito P. La sintesi termina quando ciascun ribosoma, arrivato all’estremità 3’ dell’mRNA polisomico, incontra codoni stop (UAA, UGA, UAG) ai quali non corrispondono dei tRNA ma delle proteine di rilascio, che hanno il compito di staccare dal sito P la catena polipep5dica ormai completa negli amminoacidi codifica5 dall’mRNA. Il ribosoma, torna libero nel citoplasma per intraprendere eventuali altri processi di sintesi.

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La CELLULA è l’unità morfologica e funzionale degli organismi viven5 (Schleiden e Schwann) ed ogni cellula deriva da un’altra cellula, preesistente (zigote). E’ materia vivente tuFo ciò che ha la capacità di riprodursi o di replicarsi dando origine a en5tà che sono simili al progenitore. La materia vivente è classificata in 3 livelli: 1. Virus e BaFeriofagi; 2. Procario5 (baFeri e alghe); 3. Organismi Eucario5.

Virus e baFeriofagi: In base al 5po di cellula parassitata si dividono in: -

BaFerici, baFeriofagi o fagi;

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Vegetali, come i viroidi, privi di capside;

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Animali;

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Prioni, molecole proteiche capaci di alterare la loro configurazione spaziale e acquisiscono la capacità di trasmeFere l’alterazione ad altre molecole sana.

Non hanno organizzazione cellulare e sono incapaci di vita autonoma. In par5colare, i virus, sono visibili solamente al microscopio eleFronico, in quanto la loro grandezza va tra i 30-300 nanometri (nm). I virus, non hanno né nucleo, né ribosomi, né citoplasma e né sono delimita5 da membrana. Sono anzi, cos5tui5 da un acido nucleico circondato da un involucro proteico deFo capside, formato da sub unità deFe capsomeri 9

oppure lipoproteico deFo pericapside. Esistono virus a DNA (desossiribovirus) o RNA (ribovirus). La maggior parte dei baFeriofagi e dei virus animali presenta il genoma virale (molecola di acido nucleico) DNA; i virus delle piante invece, presentano il genoma RNA. Il genoma virale, penetra all’interno della cellula ospite e u5lizza le struFure metaboliche di quest’ul5ma, cioè i ribosomi e gli enzimi, per la sintesi di molecole virali che andranno a cos5tuire copie del virus che ha infeFato la cellula stessa. I virus possono avere forma specifica: -

A simmetria cubica, come ad esempio adenovirus e herpesvirus;

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A simmetria elicoidale, come il virus del mosaico del tabacco;

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A simmetria complessa, come il baFeriofago T2 e il virus del vaiolo. Presentano organizzazioni del tuFo par5colari.

La replicazione è un processo caraFeris5co del ciclo vitale dei virus che richiede la partecipazione di sistemi sinte5ci ed enzima5ci presen5 solamente nelle cellule procariote ed eucariote. Per questa ragione, i virus, devono penetrare all’interno delle cellule e indurre gli appara5 delle cellula a sinte5zzare componen5 del virus stesso. Il fago T2 penetra nella cellula baFerica con le seguen5 modalità: aFraverso le fibre il fago prende contaFo con la parete cellulare del baFerio, alla quale si fissa grazie alla piastra.

L’adesione tra il virus e la parete, è resa possibile dall’emoagglu#nina, una proteina con forte affinità per le glicoproteine, che consente...