Appunti di Biologia

Biologia

Bio-logos: studio della vita

98% dei viventi sono composti da: H, C, O, S, P. Atomi → molecole. La cellula è formata per il 70% da H2O e per il 30% da macromolecole (proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi).

Origine della vita

Vita che deriva dalla non vita: abiogenesi - teoria di Aristotele. Scoperta di microrganismi grazie ai primi microscopi nel 1795. Nel 1860 Pasteur riprende e modifica esperimenti precedenti, riproducendo in un’ampolla una situazione primordiale. Shleiden e Shwann iniziano, nel 1830, a formulare la teoria cellulare, osservando le cellule che si trovano su un pezzo di sughero.

• Tutte le cellule derivano da altre preesistenti.
• Le cellule sono un’unità strutturale e funzionale.
• Tutte le forme di vita sono composte da cellule.

Evoluzione della vita

Nei primi miliardi di anni sulla Terra non era presente O₂, ma vi erano CO₂, N₂, CO, H₂S, e nelle condizioni di brodo prebiotico si sono verificate le prime reazioni volte a creare le prime molecole. Miller e Urey nel 1950 conducono un esperimento per dimostrare che, in condizioni favorevoli, molecole organiche si formano spontaneamente da soluzioni inorganiche più semplici. Ricreano quindi l’atmosfera primordiale e la sottopongono a stimolazione tramite scosse elettriche, osservando poi la formazione di composti come zuccheri ed amminoacidi.

Si crede che la prima cellula ad aver avuto origine sia l’RNA, capace di autoduplicarsi e protetto da un contorno di membrana di fosfolipidi. Si ipotizza che l’aumento di O₂ sulla Terra sia dovuto ai cianobatteri. Si susseguono evoluzione chimica, con piccole e grandi molecole organiche, prima nelle lagune e poi nei mari primitivi, fino alla formazione di protocellule ed un’evoluzione biologica, con la formazione dei primi unicellulari, fino ad arrivare a procarioti ed eucarioti in mari ed oceani, che arriveranno successivamente alla terra ferma.

Classificazione degli organismi

• Procarioti: batteri ed archaea
• Eucarioti: eucarya

Dominio → regno → philum → classe → ordine → famiglie → genere → specie.

Macromolecole

Le macromolecole sono polimeri di monomeri legati da legame covalente. La cellula tenta sempre di risparmiare energia.

• Monosaccaridi → polisaccaridi
• Nucleotidi → acidi nucleici
• Amminoacidi → proteine

Carboidrati

Carboidrati (CH₂O)_n: monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi (amido, cellulosa e glicogeno). Il monosaccaride fondamentale è il glucosio C₆H₁₂O₆.

Funzioni:

• Riserva energetica (glucosio)
• Sostegno (struttura del tessuto)
• Specializzata (riconoscimento chimico)

Lipidi

Trigliceridi e fosfolipidi, costituiti da atomi di C e H ed uniti da legami covalenti non polari, cosa che li rende idrofobi. Un grasso è formato dall’unione di molecole di glicerolo ed acidi grassi, con funzione di accumulo di energia.

Acidi nucleici

RNA a singola elica, DNA a doppia elica. Ciascun nucleotide è formato da zucchero pentoso + base azotata + gruppi fosfati. Basi: pirimidine (con un singolo anello, citosina, timina ed uracile) e purine (con più di un anello, adenina e guanina).

Proteine

Polimeri costituiti da 20 amminoacidi diversi. La proteina si forma mediante l’unione di più amminoacidi tramite legame peptidico.

Funzioni:

• Enzimi, catalizzatori
• Strutturale (es. citoscheletro)
• Di segnale, proteine regolatrici
• Di trasmissione (da contatto, paracrina, endocrina, autocrina)
• Di comunicazione intra/extra cellulare
• Contrattile, di movimento (lungo i microtubuli)
• Di difesa, immunoglobuline
• Di trasporto (passivo o attivo)
• Recettore
• Di riserva
• Ormoni proteici

Cosa permette all’organismo di vivere

• Organizzazione cellulare: atomi → molecole → macromolecole → cellule → organismi unicellulari → pluricellulari → ecosistemi → atmosfera → RNA → amminoacidi → ribosomi
• Informazione codificata nella sequenza di basi azotate del DNA. DNA→proteine
• Evoluzione: nascita → crescita → riproduzione → morte
• Adattamento ai cambiamenti ambientali: omeostasi

Virus

Parassiti intercellulari obbligati che si possono riprodurre solo infettando una cellula ospite, poiché mancano di un corredo enzimatico. Sono macromolecole formate da RNA o DNA, ricoperte da un involucro detto capside. Si può entrare in contatto con un virus tramite l’aria respirata, con scambi di liquidi organici, mediante animali o alimentazione. I virus possono essere vegetali, animali o batteriofagi.

• Virus a DNA: la replicazione del genoma avviene nel nucleo della cellula.
• Virus a RNA: la replicazione del genoma avviene nel citoplasma. Possono essere a singolo o doppio filamento, antisenso o a senso positivo, o retrovirus.
• Virus a trascrizione inversa.

L’infezione virale dipende dall’interazione tra le proteine del virus e quelle dell’ospite, sono necessarie più fasi:

• Adesione
• Penetrazione e liberazione
• Integrazione
• Replicazione e sintesi
• Assemblaggio virale
• Rilascio

Batteriofagi

Batteriofago a DNA: il fago interagisce con proteine situate sulla membrana del batterio, inocula il DNA nel citoplasma, il DNA fagico viene integrato al cromosoma batterico tramite l’enzima integrasi. L’ospite può dividersi formando il ciclo lisogenico, al termine del quale avviene il ciclo litico, dove il DNA fagico dirige la sintesi dei componenti virali. Nel corso del processo esso si circolarizza ed il DNA dell’ospite viene degradato. I componenti vengono degradati per la produzione di nuovi fagi ed il lisozima induce la lisi cellulare.

Batteriofago a RNA: l’involucro virale esterno si fonde con la membrana della cellula ospite liberando capside e contenuto nel citosol. Le proteine capsidiche, rimosse dagli enzimi cellulari, portano alla liberazione di RNA e trascrittasi inversa. L’RNA virale subisce trascrizione inversa e viene copiato in DNA a doppio filamento, poi integrato nel cromosoma. Il provirus può rimanere quiescente a lungo tempo e poi cominciare a redigere la sintesi dei componenti virali.

Virus HIV: retrovirus che dà origine ad infezioni croniche scarsamente sensibili alla risposta immunitaria, esso evolve lentamente e progressivamente e se non trattato può essere letale. Il ciclo vitale del virus comprende aggancio e penetrazione, replicazione ed infine l’espulsione di nuovi virus. L’HIV nei rapporti con il proprio ospite ha due possibilità:

• Infezione latente con previa trascrizione ed integrazione, garantisce un serbatoio inamovibile di genomi virali.
• Infezione attiva per infettare un numero di cellule sempre maggiore.

Viroidi: piccoli agenti infettivi di piante, che si distinguono per le ridotte dimensioni, sono ad RNA circolare a singolo filamento, che non codifica per proteine.

Prioni: particelle attive a sola componente proteica, portano scompensi agendo a livello delle proteine dell’ospite.

La cellula procariotica

Unicellulare, con alta capacità di adattamento, rapida capacità di riproduzione, processi metabolici aerobi, dimensioni ridotte ed una diversità morfologica elevata (filamenti, sferica, bastoncello, spirilli e vibrioni). È una cellula priva di nucleo, come indica il suo nome, il DNA è avvolto a spirale in una regione detta nucleoide, priva di membrana. All’esterno della membrana plasmatica si trova una parete cellulare rigida e chimicamente complessa, che protegge la cellula e la mantiene in forma. In alcuni procarioti si trova un’ulteriore protezione della superficie, la capsula, che facilita l’adesione a superfici e tessuti. Dalla capsula si sviluppano strutture come pili e flagelli, i primi utili nell’ancoraggio, gli ultimi per facilitare il movimento in ambiente liquido.

Si conoscono tipi caratteristici di aggregazione batterica: cocchi, streptococchi, diplococchi e stafilococchi. I procarioti sono la forma più attiva di esseri viventi e presentano alta variabilità genetica e metabolica. Possono essere aerobi o anaerobi, (foto)autotrofi o (foto)eterotrofi, o chemiolitotrofi. Possono ricavare energia dall’ossidazione anaerobica del metano e dell’NH₃. Gli archea, noti perché vivono in ambienti estremi (temperatura, pressione, radiazioni, pH), presentano genomi che si sono adattati nel tempo. Sono divisi in quattro branche a seconda della specializzazione: alofili, psicrofili, termofili, acidofili (i metanogeni sono distribuiti nelle quattro branche). I batteri sono invece divisi in mycoplasma, eubacteria e cyanobacteria.

Componenti dei procarioti

• Parete cellulare costituita da peptidoglicano, n-acetilglucosammina e acido n-acetilmuramico, al quale è attaccata una catena peptidica, composta da tre a cinque amminoacidi. Se la parete di peptidoglicani è spessa si parla di GRAM+, mentre di GRAM- se è sottile.
• Capsula, strato di rivestimento della parete formato da polisaccaridi, è spesso associata a patogenicità poiché ostacola la fagocitosi di macrofagi e neutrofili.
• Nucleoide, dove è localizzato il DNA, data l’assenza di nucleo.
• Plasmidi, dove si trova DNA circolare che si riproduce autonomamente.
• Citoplasma, delimitato dalla membrana cellulare, ricco di enzimi, ribosomi e granuli, per le svariate funzioni.
• Pili e flagelli per adesione e movimento.

Spora: nei vegetali e nei funghi sono cellule progenitrici che germinando producono nuovi individui, nei batteri è una risorsa per la sopravvivenza. Tutte le spore sono forme di vita latente, si disperdono nell’ambiente e sono programmate per resistere e ritornare a vivere quando le condizioni sono ottimali.

BIOFILM: comunità di microrganismi incorporati in una matrice di sostanze polimeriche, che funge da matrice o collante. Il biofilm consente ai microrganismi di proliferare in ambienti ostili e seminare cellule per colonizzare nuove nicchie. I batteri nel biofilm hanno elevata resistenza al sistema immunitario e agli antibiotici, che rendono il biofilm fonte di infezioni croniche e resistenti.

QUORUM SENSING: sistema di regolazione dipendente dalla densità cellulare, meccanismo usato per la comunicazione tra cellule, composto da molecola segnale ed attivatore trascrizionale. La mucosa si diffonde all’esterno della cellula originaria, entra nel citoplasma di cellule adiacenti, quando la concentrazione di molecola segnale nella popolazione batterica è alta, questa si lega all’attivatore, che attiva o reprime una serie di geni, attivando o bloccando una serie di attività metaboliche.

La riproduzione e lo scambio genetico

I microrganismi si dividono per scissione, la cellula ha un aumento di dimensioni, duplica il suo corredo genetico e si separa, portando in alcuni casi ad una crescita esponenziale. Durante il processo per scissione si ha un trasferimento genico di tipo verticale. Le cellule procariotiche presentano meccanismi per il trasferimento genico orizzontale così da poter acquisire caratteri nuovi e necessari per una migliore sopravvivenza.

• Trasduzione: avviene tramite fagi che infettano i batteri lisandone e il DNA e riconducendolo in frammenti.
• Coniugazione: avviene tra una cellula dotata di una porzione di DNA circolare chiamata plasmide F ed una che ne è priva, attraverso un pilus si forma un collegamento tra le due cellule, il plasmide si replica ed una copia viene traslata nella cellula del ricevente.
• Trasformazione: si verifica quando i batteri assumono frammenti di RNA o DNA direttamente dall’ambiente esterno, incorporandoli nel cromosoma o nel plasmide acquisiscono nuove funzionalità.

I procarioti, seppur patogeni in alcuni casi, hanno anche funzionalità utili alla vita, producono O₂, fissano l’N₂ e decompongono materiale organico.

Microbioma

Insieme del patrimonio genetico e delle interazioni ambientali della totalità dei microrganismi di un ambiente definito. Gran parte della nostra biologia ed individualità è dovuta ai microbi. Funzioni del microbioma intestinale:

• Protezione contro patogeni
• Stimolo angiogenesi intestinale
• Sintesi di vitamine
• Produzione deposito grassi
• Crescita del sistema immunitario
• Modulazione sistema nervoso centrale
• Produzione acidi grassi a catena corta tramite fermentazione di fibre

È presente flora microbica anche nella placenta, che dunque non è sterile.

Genoma

Totalità di DNA o RNA contenuto in un organismo biologico, è compresa una parte codificante, i geni, sequenze di nucleotidi nel DNA, che portano alla sintesi di proteine, ed una non codificante, gli introni, non soggetti a trascrizione. La variabilità genetica negli eucarioti è affidata a scambi verticali, mentre nei procarioti a quelli orizzontali, si aumenta così la possibilità che più mutazioni convergano in una sola cellula.

Elementi trasponibili: segmenti di DNA capaci di spostarsi ed inserirsi in zone diverse del genoma, con capacità di provocare mutazioni. Sono trasposoni, profagi, retrotrasposoni, sequenze di inserzione, elementi di DNA/RNA di virus e retrovirus, plasmidi ed introni del gruppo II. Retrotrasposizioni possono anche generare modificazioni ereditarie.

La cellula eucariotica

È caratterizzata da un forte sistema di compartimentazione.

Componenti della cellula eucariotica

• Citoplasma: regione all’interno della membrana plasmatica.
• Citosol: componente liquida colloidale che circonda gli organelli presenti all’interno della cellula.
• Citoscheletro: rete di fibre che si espande nel citoplasma, fornisce supporto e dinamicità strutturale alla cellula, aiuta il movimento, è responsabile della formazione del fuso mitotico nella divisione cellulare e fondamentale nello smistamento e l’organizzazione di organelli e vescicole.
• Membrana plasmatica: costituita da un doppio strato fosfolipidico in cui sono immerse proteine, regola gli scambi di materiale (trasporti/permeabilità) con l’esterno e contiene recettori segnale per la comunicazione cellulare. I fosfolipidi che la costituiscono sono esteri del glicerolo con due acidi grassi (coda) ed un fosfato (testa), le teste polari sono idrofile e rivolte verso l’esterno, mentre le code idrofobiche verso l’interno. La barriera tra citoplasma e spazio extracellulare è selettivamente permeabile. La struttura delle membrane è detta a mosaico fluido, poiché non sono rigide, ma libere di muoversi, tale fluidità è assicurata dalla presenza di doppi legami negli acidi grassi insaturi, che rappresentano le code idrofobe dei fosfolipidi.

Troviamo varie categorie di proteine di membrana:

• Integrali/intrinseche immerse nella porzione idrofobica.
• Periferiche/estrinseche che si associano in maniera non covalente alla parte idrofobica.

Le proteine di membrana hanno anche specifiche funzioni:

• Adesione alla cellula adiacente
• Trasporto di membrana regolato da proteine apposite
• Segnalazione extracellulare con conseguente risposta

Sistema di endomembrane: gli organuli (vacuoli, Golgi, reticolo endoplasmatico, vescicole, lisosomi, membrana plasmatica) sono interconnessi, partendo dall’involucro nucleare troviamo vescicole che contengono proteine provenienti dal reticolo endoplasmatico, trasferiscono le sostanze alla regione cis del Golgi, che modifica le proteine nel suo lume, per poi direzionarle all’esterno della cellula.

Nucleo

L’organulo più grande, delimitato da una doppia membrana, carioteca, che circonda il nucleoplasma interno. Le due membrane nucleari sono divise in esterna ed interna da uno spazio perinucleare. L’involucro non è continuo, presenta dei pori, che permettono alcuni scambi. All’interno del nucleo troviamo la maggior parte del DNA, esso è organizzato in maniera efficiente ed associato a proteine (istoniche e non) a formare la cromatina. La struttura della cromatina è molto dinamica, consente di rendere accessibili alcuni tratti di DNA per i processi di trascrizione, troviamo due livelli di organizzazione: l’eucromatina presenta zone a minor condensazione, dove il DNA è funzionante, l’eterocromatina presenta maggior condensazione, dunque il DNA non è funzionante. Il massimo grado di specializzazione della cromatina genera i cromosomi, essi si generano dopo la duplicazione del DNA nella fase S del ciclo cellulare.