Appunti di biologia - Bicocca, STP 1 Anno, prof Combi

Università degli Studi di Milano – Bicocca

Corso di laurea in scienze e tecniche psicologiche - I anno

Esame di biologia e genetica (8 CFU)

Prof.ssa Romina Combi

Dispensa di Biologia

Alessandra Cominelli, matricola 870180

01/10/2020

"Biologia"

Il termine deriva dal greco: Vita → βίος, bìos; Parola → λόγος, lògo. È la scienza che studia gli esseri viventi nei loro rapporti con l’ambiente (fisico, sociale, culturale) che li circonda.

Classificazione delle strutture dell’organismo

• Atomo: unità base della materia;
• Molecola: formata da atomi che si uniscono mediante legami chimici (ionici, a idrogeno, ecc.). Possono essere piccole o grandi (macromolecole, es. DNA);
• Cellula: unità fondamentale dell’organismo;
• Tessuto;
• Organo;
• Sistema;
• Organismo.

Concetti biologici importanti

• Popolazione: insieme degli organismi della stessa specie che condividono lo stesso ambiente;
• Comunità: insieme di organismi della stessa specie che condividono un ambiente diverso (fattori biotici);
• Ecosistemi: l'insieme degli organismi viventi e della materia non vivente (fattori abiotici) che interagiscono in un determinato ambiente costituendo un sistema autosufficiente e in equilibrio dinamico (lago, stagno, savana, ecc.). L’insieme degli ecosistemi genera la biosfera.

La materia vivente

Dà origine agli organismi (ma in natura non tutta la materia è vivente!). Per poter essere definita "vivente" deve avere delle caratteristiche:

• Complessità: specificamente determinata all’interno di ogni materia vivente, ci deve essere qualcosa che ne definisce le caratteristiche, un’informazione complessa che comprende tutte le informazioni per lo sviluppo dell’organismo. Questa informazione (DNA) deve essere presente in tutte le parti dell’organismo (in tutte le cellule) e per tutta la durata della sua vita. Il DNA è il composto chimico in cui è depositata questa informazione genetica.
• Informazione: l’insieme delle molecole di DNA che contengono l’informazione genetica di una cellula è detta genoma.
• Auto accrescimento: capacità di crescita dimensionale, di sviluppo e di modifica durante l’arco della vita dell’organismo. Ci sono delle materie in grado di crescere in dimensioni ma che non possono modificarsi (es. cristallo) e, di conseguenza, non sono materie viventi. Per potersi accrescere, gli organismi devono svolgere reazioni chimiche metaboliche. Queste danno la possibilità di degradare i nutrienti assimilati dall’esterno, trasformare i composti inorganici in composti organici, produrre le molecole e l’energia necessaria all’accrescimento dell’organismo. Le reazioni metaboliche vengono catalizzate da enzimi: in ogni organismo, si svolgono solo le reazioni per le quali esso è in grado di produrre lo specifico enzima. La sintesi di questi è diretta dall’informazione presente nel genoma.

Riproduzione

• Autoriproduzione: differenziamo la riproduzione asessuata (divisione cellulare in due cellule geneticamente identiche dopo la replica del materiale genetico) dalla riproduzione sessuata (prevede la presenza di due sessi diversi, il cui patrimonio genetico si rimescola a formare un individuo geneticamente diverso. È migliore dal punto di vista evolutivo). Per permettere l’auto riproduzione deve esserci 1) un meccanismo di replicazione e di trasmissione dell’informazione genetica specifico di ciascun organismo; 2) la necessità che la moltiplicazione delle cellule degli organismi avvenga solo quando il processo di duplicazione del DNA è stato completato e la crescita è stata sufficiente.
• Replicazione del DNA: esiste un meccanismo di replicazione che assicura la conservazione dell’informazione; esistono meccanismi che assicurano la corretta ed equilibrata ripartizione del DNA replicato alle cellule figlie; esistono meccanismi cellulari che controllano la divisione cellulare in funzione della crescita della cellula e della replicazione del materiale genetico.
• Risposta agli stimoli: importante per la sopravvivenza dell’organismo e dunque per l’evoluzione. È relativa, può essere vantaggiosa per una specie (pianta carnivora) e svantaggiosa per un’altra (mosca che viene mangiata).
• Movimento: diverso a seconda della complessità dell’organismo. I batteri si muovono grazie ai flagelli in ambienti fluidi o gassosi, mentre i mammiferi hanno evoluto un sistema locomotorio che consente movimenti più complessi.
• Adattamento all’ambiente: consente l’evoluzione. Ci sono diverse forme di adattamento (es. mimetismo della mantide floreale della Malesia che imita un fiore o della mantide dell’America Centrale che imita una foglia verde). Mutazioni del patrimonio genetico possono favorire o sfavorire l’adattamento all’ambiente: è il caso della Biston betularia, una farfalla che vive sulle piante di betulla, la cui popolazione è molto cambiata con l’avvento dell’industrializzazione. Per queste farfalle è vantaggioso essere bianche per mimetizzarsi, essendo la corteccia della betulla bianca (infatti, agli inizi del Novecento, le farfalle bianche erano più numerose rispetto a quelle scure, le quali erano meno capaci di mimetizzarsi e quindi più predate). Successivamente si verificò una mutazione casuale del DNA (già presente nelle farfalle scure) e aumentò il numero delle farfalle scure. Per via dello smog, dopo la rivoluzione industriale, la corteccia delle betulle diventò più scura, e dunque ciò che prima era svantaggioso (essere nero) ora, ai fini dell’adattamento, divenne vantaggioso. Dunque, il vantaggio e lo svantaggio derivante da una mutazione casuale è determinato dall’ambiente in cui si vive.

Teoria cellulare (1858; Virchow, Schwann, Schleiden)

• La cellula forma gli organismi viventi;
• Tutti gli organismi sono fatti da cellule;
• Ogni cellula deriva dalla divisione di una cellula precedente (non esiste una generazione spontanea).

Possiamo classificare le cellule in base a diversi criteri:

• Grandezza: le misuriamo in nanometri (10^-9 m) e micrometri (10^-6 m). Nell’uomo le cellule più piccole sono i globuli rossi (piccoli perché devono passare tramite i vasi sanguigni) e quelle più grandi sono le cellule nervose. Quelle in assoluto più piccole sono i virus e i batteri.
• Dimensioni in biologia: vedi slides.
• Forma e funzione: la forma che assume una cellula o una molecola dipende dalla sua funzione. Il globulo rosso è rotondo perché deve passare per vasi molto piccoli, che si danneggerebbero se avesse spigoli. Esso ha una caratteristica peculiare: è l’unica cellula che non ha nucleo, tant’è vero che non si replica autonomamente ma viene prodotta dal midollo osseo rosso; l’adipocita è grande e ha un nucleo schiacciato verso la membrana, per essere poi totalmente costituito da grasso (di riserva): la sfera è la struttura che consente la maggior capacità di contenimento di molecole nello stesso spazio e, dunque, utile al contenimento di grandi quantità di grasso; la cellula nervosa è fatta da un corpo cellulare, contenente il nucleo, e da tante diramazioni poiché deve portare gli stimoli provenienti dall’esterno verso le cellule bersaglio. Inoltre, è grande per permettere il collegamento di zone distanti del nostro corpo.

Tipologie di cellule

Cellula procariotica (es. batterio)

• Più semplice;
• Più primitiva;
• Piccole dimensioni;
• Membrana cellulare avvolta da una parete cellulare protettiva (indispensabile data la presenza di una sola cellula);
• Citoplasma (soluzione acquosa interna o citosol): al suo interno vi sono, libere, tutte le componenti della cellula e le molecole indispensabili alla sua vita.
• Non contiene il nucleo ma un nucleoide (singola molecola di DNA circolare): il DNA e l’RNA sono liberi nel citoplasma.

Cellula eucariotica

• Più complessa;
• Più evoluta;
• Dimensioni maggiori;
• Membrana cellulare di rivestimento (coperta da una parete cellulare solo in pochi casi);
• Citoplasma (soluzione acquosa interna o citosol): al suo interno le componenti non sono libere ma delimitate da altre membrane (organelli citoplasmatici);
• Contiene il nucleo cellulare, ovvero una regione interna che ospita il genoma della cellula (DNA). L’RNA si trova sia nel nucleo che nel citoplasma.

Gli organismi

Si differenziano in:

• Unicellulari: costituiti da una sola cellula che contiene tutta l’informazione genetica (es. batteri);
• Pluricellulari: (es. animali, piante, funghi) costituiti da più cellule, ciascuna con una specifica funzione. Questo è un vantaggio dal punto di vista evolutivo, in quanto tali cellule sono sviluppate al meglio per svolgere la specifica funzione di loro competenza. Tutte le cellule hanno una funzione diversa pur avendo la stessa informazione genetica. Ciò avviene perché varia l’espressione genica: all’interno di ogni tipo cellulare sono attivi solo specifici geni che codificano per una specifica funzione.

Dividiamo tutti gli esseri viventi in tre domini, ordinati dal punto di vista evolutivo e aventi tutti un antenato in comune:

• Dominio Eubacteria: Dominio degli eubatteri (batteri semplici);
• Dominio Archaea: Dominio degli archeobatteri (batteri più evoluti rispetto ai batteri semplici e hanno vie metaboliche specifiche). Essi hanno un genoma per alcuni tratti vicino a quello degli eubatteri e per altri a quello degli eucarioti;
• Dominio Eukarya: Dominio degli eucarioti.

I batteri

Si differenziano in eubatteri e archeobatteri (hanno la stessa struttura e la stessa organizzazione ma metabolismi diversi). Per altre caratteristiche (processi di traduzione e trascrizione) sono più simili agli eucarioti. Sono cellule procariotiche e organismi pluricellulari.

• Forma: sferica - cocchi (es. stafilococchi, streptococchi); a bastoncino - bacilli; a spirale - spirilli;
• Struttura: stessa per eubatteri e archeobatteri:
  • Membrana cellulare: ricoperta dalla parete cellulare, la quale è costituita da molecole combinate di zuccheri e proteine, i peptidoglicani (proteine con zuccheri), che formano una struttura rigida che dà forma e protezione. La parete cellulare può essere degradata dai lisozimi;
  • Citoplasma: citosol (soluzione acquosa all’interno) in cui sono disciolte le componenti e dove è presente il DNA, l’RNA e le proteine;
  • DNA: il DNA è ad anello, circolare e chiuso e ripiegato su sé stesso per due funzioni: 1) diminuire il volume occupato; 2) funzione protettiva (più il DNA è raccolto più è protetto);
  • Flagelli: gli organi di movimento sono i flagelli, costituiti da una proteina detta flagellina. Consentono il movimento “a frusta” in un ambiente fluido o gassoso.
• Divisione: scissione binaria - dopo aver duplicato il DNA la cellula accresce le sue dimensioni, si forma una strozzatura (setto) e la cellula si divide in due parti esattamente uguali contenente ciascuna una molecola di DNA.

Archeobatteri

Hanno la stessa struttura e organizzazione degli eubatteri e sono diversi dagli eubatteri per il metabolismo (meccanismo di produzione delle molecole). Per altre caratteristiche (processi di traduzione e trascrizione) sono più simili agli eucarioti. Vivono negli ambienti più estremi e prendono nomi diversi a seconda del metabolismo svolto:

• A. termofili: vivono in ambienti (es. sorgenti vulcaniche) a temperature molto elevate, oltre i 100°C;
• A. alofili: vivono in ambienti ad alte concentrazioni saline;
• Sulfobatteri: vivono nelle zolfatare e ricavano energia da composti con zolfo;
• Altri vivono in fosse oceaniche ad alta pressione.
• Alcuni sono metanobatteri importanti dal punto di vista industriale: come scarto del metabolismo producono il metano: svolgono un metabolismo utile se riproducibile nelle nostre industrie.

La composizione chimica della materia vivente

I componenti chimici della cellula possono essere classificati in:

• Componenti inorganici: acqua (H₂O); ioni minerali: cationi, con carica positiva (un protone in più rispetto al numero degli elettroni) (Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺) ed anioni, con carica negativa (un protone in meno rispetto al numero degli elettroni) (Cl^-, SO₄^--, PO₄^---, CO₃^--); si tratta di molecole ravvisabili principalmente al di fuori dell’organismo vivente;
• Componenti organici: maggiori costituenti delle cellule viventi.

I bioelementi

Seppur gli elementi presenti in natura siano moltissimi, gli elementi che costituiscono gli organismi biologici sono pochi.

• I più comuni sono: H, C, N, O;
• I meno comuni sono: Na, Mg, P, S, Cl, K, Ca nella maggior parte dei casi sono presenti come ioni; in altri casi vanno a formare molecole: lo zolfo forma proteine; il potassio è ravvisabile negli acidi nucleici.

La composizione chimica di una cellula (batterica)

• 70% H₂O: molecola più abbondante della cellula (ma non è la macromolecola più abbondante, in quanto è una molecola inorganica).
• 30% sostanze chimiche:
  • Proteine (15%)
  • RNA (6%)
  • Ioni e piccole molecole (4%)
  • Fosfolipidi (2%)
  • Polisaccaridi (2%)
  • DNA (1%)

Le macromolecole

Si tratta delle quattro classi principali di molecole organiche che si trovano nella cellula. Sono polimeri costituiti da unità semplici, i monomeri, che si uniscono tra di loro attraverso reazioni di condensazione: da una catena si stacca un gruppo OH e dall’altra un H, con conseguente perdita di una molecola di H₂O, e si forma un legame chimico tra i monomeri che hanno perso questi due gruppi. Se si vuole rimuovere un monomero dal polimero bisogna dar vita a un’altra reazione: l’idrolisi, rottura del polimero ad opera dell’acqua: un H si aggiunge a una catena e un gruppo OH si aggiunge all’altra catena. Il risultato è la separazione del polimero in due catene.

Carboidrati

(o saccaridi o zuccheri o glucidi) monomero: zucchero. Formula bruta dei carboidrati: (CH₂O)_n — 1 atomo di carbonio legato a una molecola di acqua “idrato del carbonio”. A seconda di n (numero di atomi di carbonio) si ha un carboidrato più o meno grande. Presentano uno specifico gruppo chimico: il gruppo carbonilico C=O; se si trova a un’estremità forma un’aldeide; se si trova all’interno della molecola forma un chetone. Non sono lineari ma, in soluzione acquosa, tendono a formare molecole ad anello.

Hanno pesi molecolari e funzioni biologiche diverse:

• Fonti energetiche per la cellula (funzione principale): il glucosio, zucchero semplice più comune nelle cellule, è il “carburante” della cellula: viene sintetizzato e degradato nei mitocondri per permettere la respirazione cellulare;
• Riserva energetica: funzione svolta da polisaccaridi, zuccheri più complessi, es. amido, glicogeno;
• Materiale di partenza per sintesi di altri componenti cellulari (membrana e parete cellulare);
• Sostegno: la cellulosa forma la parete cellulare delle cellule vegetali; la chitina forma l’esoscheletro degli insetti, dei crostacei e di altri invertebrati.
• “Segnali” di identificazione delle cellule: es. costituiscono gli antigeni che, posti sulle cellule del sangue, definiscono il gruppo sanguigno.

Classificazione

• Monosaccaridi: 1 monomero = zucchero semplice; a loro volta sono classificati in base al numero di atomi di carbonio che presentano (vedi slides). I più abbondanti nelle cellule sono il glucosio, il fruttosio e il galattosio. Glucosio: monosaccaride più abbondante nelle cellule. È prodotto dalle piante tramite la fotosintesi clorofilliana: 6CO₂ + 6H₂O + energia solare → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. È fondamentale per la reazione opposta alla fotosintesi: la respirazione cellulare: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energia. Da essa si ricava ATP, fonte di energia chimica per la cellula. Viene prodotto anche da altri organismi tramite glicogenesi. È un’aldeide.
• Fruttosio: da un punto di vista chimico è uguale al glucosio (hanno la stessa formula bruta): ciò che cambia è la dislocazione degli atomi nell...