Appunti di biologia animale e vegetale

Biologia animale e vegetale

Biologia = Studia gli organismi viventi e il loro rapporto con l’ambiente che li circonda.

La materia vivente può autoriprodursi, ha capacità di accrescimento, ha una complessità definita, può adattarsi all’ambiente (concetto di evoluzione inteso come “filo unificante”).

Teoria cellulare

Teoria cellulare: cellula è l’unità fondamentale della materia vivente.

• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule.
• Le cellule sono l’unità fondamentale dei viventi.
• Cellule si originano solo da divisione di cellule preesistenti.

Schleiden e Schwann (1800) sono arrivati alla teoria cellulare. Virchow nel 1855: 3° enunciato => la cellula prevede il citoplasma delimitato da membrana e contenente DNA.

1969 Whittaker: 5 regni animali => raggruppati dopo in tre domini da Wose: eucarioti (animali, protisti, funghi, vegetali) e dominio dei batteri e degli archei (monere).

Gli archei sono più simili agli eucarioti che i batteri: sono vicini dal punto di vista filogenetico, quindi simili considerando la sequenza di RNA.

Antenato comune --- dominio batteri (eubatteri) --- dominio archea: batteri archeobatteri --- dominio eucarioti.

Archeobatteri: vivono in condizioni estreme (temperature alte e condizioni acide: pH basso).

Sistematica: studia diversità e similitudini tra organismi viventi.

Tassonomia: studia la nomenclatura e classificazione organismi -> è in atto nomenclatura binomiale.

Classificazione tassonomica: specie (gruppo con strutture e comportamenti simili)- generi- famiglie- ordini- classi- phyla- regni- domini.

Nomenclatura binomiale: inteso come specie, genere.

Dimensioni cellulari

Cellula vegetale (20x30µm)- 10⁶.

Unità di misura: micrometro (µm) -> Cellula animale (10-20 µm).

Parametro x dimensioni: rapporto superficie (deve essere + grande possibile x facilitare gli scambi cellula-esterno) / volume (non deve essere grande come sup. in quanto rallenterebbe gli scambi).

Batterio (1x2 µm).

La dimensione la forma delle cellule dipendono dalle funzioni.

Procedimento per costruzione della conoscenza scientifica

• Induttivo: dal particolare per arrivare al generale.
• Deduttivo: dal generale al particolare.

Questi si basano su due attività della ricerca: metodi distruttivi, cercano di conoscere la composizione molecolare delle cellule grazie alle tecniche biochimiche; i metodi conservativi: studiano morfologia e organizzazione dei tessuti salvaguardandone l’integrità delle cellule (es. tecniche microscopio).

Esperimenti: fissazione (devitalizzazione senza introdurre artefatti), inclusione (riduzione in fettine) e colorazione (coloranti per l’ottico, soluzioni pesanti per elettronico).

Frazionamento cellulare: dopo aver fatto crescere le cellule in laboratorio si procede alla rottura ottenendo un “lisato cellulare” (omogenato cellulare); dopodiché si mette in provetta che, nella centrifuga, ottenendo una sostanza separata con “sedimento “ (che sta sul fondo = cellule non rotte e nuclei cellulari ) e una seconda parte, dove c'è tutto il resto; ha una seconda centrifugazione se avrà un sedimento (detto pellet ) e surnatante (materiale non sedimentato) e così via fino ad ottenere la sostanza cercata.

Coefficiente di sedimentazione espresso in unità Svedberg (s), che indica la velocità con cui la particella sedimenta a quando è sottoposta a costante centrifuga punto le particelle più grandi si sedimentano prima. Non è additivo.

Microscopi

Nei microscopi si utilizza lo spettrometro, da 350 / 400 nm a 700 nm (luce visibile); ha un potere risolutivo (cioè capacità di distinguere due punti vicini tra loro) e ha un potere di ingrandimento.

d (distanza tra i: per essere distinguibili) = 0,61λ/n senα dove: λ -> lunghezza d’onda; n -> indice di rifrazione; senα -> angolo al centro del cono di luce che entra nell’obiettivo.

Microscopio ottico: potere risolutivo direttamente proporzionale alla “d” (il minimo di “d” è 0,2 µm).

*Microscopio elettronico usa elettroni (e-); siccome la loro lunghezza d’onda è più corta di quella dei fotoni della luce, il limite di risoluzione è decisamente migliore.

Microscopio elettronico a trasmissione (=TEM).

*Microscopio elettronico: non usa luce visibile per illuminare campioni, ma usa fasci di elettroni trasmessi tramite campioni (non ha lenti). “d” in questo caso deve essere almeno 0,7 Nm -> costruito in Germania nel 1930. Ha bisogno “ultramicrotomo” per fare ultra-fettine (vengono attraversate da fasci). Ottengo immagini molto ingrandite.

NB: I virus non si vedono con l’ottico perché servono i “Nm”.

Microscopio elettronico a scansione: quando flusso colpisce il campione gli elettroni vengono deviati, poi raccolti per creare l’immagine (SEM).

Rispetto al TEM potere risolutivo minore ma fa ottenere immagini molto dettagliate del campione e tridimensionali.

Metodo scientifico

Metodo scientifico: osservazioni -> ipotesi verificabile -> progettare disegno sperimentale -> raccogliere dati -> interpretazione risultati -> accettare o respingere ipotesi che, in caso positivo, diventano leggi. Le prima osservazioni e le interpretazioni dei risultati si hanno consultando dati già esistenti.

In laboratorio i terreni coltivabili (ovvero dove vanno messe cellule affinché crescano) variano in base alle cellule. Ognuna di esse ha bisogni diversi, tranne delle sostanze principali (energia, sali, vitamine) che sono presenti per tutti.

Macromolecole

L’atomo di carbonio è l’atomo più importante delle molecole biologiche.

Fondamentale per le molecole e macromolecole; nel suo orbitale esterno stabile. Gli atomi che condividono elettroni sono uniti da legame covalente; la forza del legame è inversamente proporzionale ai pesi atomici di elementi coinvolti in legame.

Energia di legame: quantità di energia che servono per rompere 1 mole di questi covalenti espressa in caloria/mole dove la caloria è l’energia che serve per far aumentare di 1 grado centigrado la temperatura di 1gr di acqua.

Grazie alla polarità le molecole di H2O sono attratte l’una dall’altra e tendono ad orientarsi spontaneamente in modo che atomo elettronegativo di ossigeno sia associato con atomo elettropositivo di H di molecola adiacente legami idrogeno.

I gruppi funzionali nelle molecole sono raggruppamenti di atomi presenti nelle macromolecole. Determinano solvibilità in acqua e la reattività dei composti di cui fanno parte.

GRUPPO-OH (ossidrilico; -SH(solfidrilico); -C – (carbonilico); -C- (aldeidico) fanno parte di gruppo neutro, ma polare; gruppi carichi negativamente -C-O- (carbossilico), - OP-O- fosforico; gruppi carichi positivamente -*NH3 (amminico).

L’atomo di carbonio è asimmetrico ed ha una struttura tetraedrica. Se vi sono legati 4 differenti atomi alla struttura tetraedrica sono possibili due configurazioni spaziali, una l’immagine speculare dell’altra dette stereoisomeri (due x ogni atomo C asimmetrico) (es. mano dx e sx).

• L’acqua ha un ruolo fondamentale di solvente universale. Sono molecole polari, coesive ed hanno elevata capacità di stabilizzare temperatura.
• Elevato calore specifico: quantità di calore che 1gr di sostanza deve assorbire per aumentare di 1°C la sua temperatura. H2O=1Kcal/gr.
• Calore di evaporazione: la polarità delle molecole acqua nei numerosi legami che forma con l’idrogeno fanno sì che l’acqua abbia un punto di ebollizione.

Macromolecole: i lipidi hanno una procedura di sintesi che non prevede la polimerizzazione, quindi quando si parla di macromolecole si parla di acidi nucleici, proteine, zuccheri.

La sintesi dei polimeri coinvolge monomeri attivati che si legano grazie a reazioni di condensazione a l’ATP necessari per attivare i monomeri, legandoli con una molecola di trasporto.

Polimerizzazione: strategia di costruire grosse molecole unendo piccole unità in modo ripetuto (monomeri).

Proteine

Funzioni delle proteine:

• Enzimi.
• Proteine strutturali (fanno parte della struttura della cellula).
• Proteine di mobilità (fanno parte del movimento).
• Proteine redattrici (ruolo regolatore).
• Proteine trasportatrici.
• Proteine ormonali (parte degli ormoni).

Unità= amminoacido; proteine = gruppo amminico (NH2), gruppo carbossilico e una catena laterale R.

• Proteine recettoriali (es. ricettore insulina proteina).
• Proteine di difesa (anticorpi, tossine, ecc.).
• Proteine immagazzinamento.
• Proteine sono polimeri di amminoacidi (20) che differiscono per gruppo laterale “R” (gli altri componenti sono uguali).

Ammine: composti contenenti azoto.

• Amminoacidi divisi in A, B, c che differiscono da R;
• Sono i gruppi “apolari” (A. idrofobici=nemici dell’acqua), “polari” B. idrofilici=amano contatto con acqua, senza carica, C. polari idrofilici con carica.

Legame peptidico = legame covalente tra 2 amminoacidi tramite condensazione (si leva una molecola d’acqua); è dato da legame tra carbossilico e il gruppo amminico dei due amminoacidi in questione.

Una sequenza di amminoacidi forma catene polipeptidiche, che si ripiegano per formare la proteina (può anche trattarsi di struttura quaternaria = cioè con 4 catene ripiegate correttamente).

Interazioni a idrogeno senza legami covalenti determinano le modalità di ripiegamento corretto della catena polipeptidica.

• Struttura primaria = costituita da sequenza amminoacidi, uniti tra loro da legami peptidici, che formano polipeptide.
• Struttura secondaria = in alcune parti il polipeptide può ripiegarsi (inizia formazione a elica e foglietto β) a formare elica.
• Struttura terziaria = alcune regioni, con la loro struttura secondaria, si associano in modo specifico andando a formare struttura terziaria che costituisce la struttura finale di ripiegamento del polipeptide.
• Struttura quaternaria = in proteine multimeriche la struttura quaternaria è l’associazione di due io più polipeptidi che interagiscono tra loro e formano forma finale proteina.

Sequenza amminoacido insulina fu riportata da Sangel nel 1956.

Legame peptidico = lega amminoacidi; legame tra gruppo carbossilico e gruppo amminico; è una reazione di condensazione.

Strutture della proteina: Pauling & Corey, 1950.

• L’alfa elica assomiglia al filo del telefono che si avvolge a spirale, cono ogni giro stabilizzato da legami idrogeno tra gruppi CO e NH di un legame peptidico e quelli dei legami peptidici che si trovano sopra e sotto l’elica. I legami idrogeno di un ‘alfa elica si instaurano all’interno di una singola catena peptidica e sono paralleli all’asse del polipeptide.
• Il foglietto beta coinvolge due regioni del polipeptide e sembra gonna a pieghe, in cui gli atomi adiacenti (posizione occupata di due o più atomi di una molecola) di ogni catena polipeptidica sono localizzati perpendicolarmente alle pieghe e i gruppi R degli amminoacidi sporgono alternativamente dai due lati opposti del foglietto. Struttura è stabilizzata da legami a idrogeno tra gruppi CO e NH.

Proteine fibrose: come cheratina di lana e capelli struttura alfa-elica; fibroina della seta struttura foglietto beta.

• Modello a sfere e bastoncini = mostra ossatura di atomi di carbonio e di azoto più gli ossigeni del gruppo carbonile e i legami idrogeno tra gruppi CO e NH.
• Modello a spirali e nastri = mostra regioni ad α elica e le regioni a foglietti beta.

NB struttura a foglietto β è anti-parallela e presenta torsione.

Un dominio è un’unità discreta ripiegata localmente di struttura terziaria che ha in genere una funzione specifica. Sono strutture super secondarie complesse.

Acidi nucleici

Acidi nucleici (funzione codificante: contengono info necessarie per specificare sequenza specifica degli amminoacidi delle proteine:

Acido desossiribonucleico ribonucleico DNA/Acido RNA.

• Trascrizione: DNA nucleare programma sintesi proteica nel citoplasma, dirigendo sintesi del mRNA (RNA messaggero).
• Trasporto mRNA: molecole mRNA lasciano nucleo tramite pori nucleari e si legano a ribosomi nel citoplasma.
• Traduzione: a mano a mano che un ribosoma si muove lungo un mRNA il messaggio genetico viene tradotto in un polipeptide.

Sono polimeri di nucleotidi (DNA, RNA). Il nucleotide ha una base azotata, uno zucchero, un gruppo fosfato. Zucchero: desossiribosio per DNA e ribosio per RNA. Basi azotate: purine adenina (A), guanina (G) o pirimidine: timina (T) e citosina (C) per DNA, uracile (U) al posto di timina nell’RNA.

Nucleoside: base + zucchero; nucleotide: deve avere anche gruppo fosfato, legato a zucchero con legame fosfoestere.

Nei legami fosfoanidridici libera energia.

Nucleoside:

• Zucchero + adenina = adenosina.
• Zucchero + citosina = citidina.
• Zucchero + guanina = guanosina.
• Zucchero + timina = timidina.

In catena polinucleotidica ribosio legato a gruppo fosfato, ribosoma legato a base azotata con terminale 5^(1) e 3^(1) sono sempre diversi i terminali.

DNA: struttura elica con due filamenti; i filamenti scorrono uno in direzione 5^(1) e 3^(1) e l’altro in direzione opposta (da 3^(1) a 5^(1)) e per questo sono “antiparalleli”.

Le basi azotate sono appaiate poiché complementari: adenina timina; citosina guanina.

Adenina –> timina sono appaiate da due legami di idrogeno, mentre citosina guanina da 3 legami di idrogeno. La struttura è stabilizzata da legami idrofobici.

• Struttura a elica (DNA) è depositario del contenuto genetico, quindi ha alto contenuto informativo. DNA è un polimero di 4 nucleotidi diversi (A,T,G,C); è una catena molto lunga ed è data da sequenza nucleotidica, da cui dipende il significato dell’informazione. Le 4 basi azotate rappresentano il linguaggio biologico.

Carboidrati

Carboidrati: funzione energetica.

Sono monosaccaridi = formati da 2 carboidrato. Più importanti sono glucosio e fruttosio.

Sono polisaccaridi: più monosaccaridi, possono essere di struttura lineare o ramificata.

Amido lineare: amilosi.

Ramificata: amilopectina.

Glicogeno ramificata più corta di amilopectina.

L’informazione biologica deve essere:

• Opportunamente conservata, opportunamente duplicata e deve essere letta e compresa nel modo più appropriato.

Polisaccaridi (=riserve di energia).

• Polimeri di zuccheri o loro derivati, non sono molecole informazionali. Sono costituiti da un singolo tipo di unità di ripetizione o dall’alternarsi di due tipi.
• Monosaccaridi aldozucchero e gruppo chetozucchero.
• Disaccaridi = due monosaccaridi legati covalentemente. Disaccaride = lattosio.
• Amido = polimero lineare. Due tipologie: forma lineare amilosio; forma ramificata amilopectina; entrambe legame alfa 1 4.
• Glicogeno = polimero glucosio forme ramificate più corte dell’amilopectina (legame beta 1 4).

Lipidi

Lipidi = non sono macromolecole, ma vengono indicati tali per le dimensioni della molecola e la loro funzione strutturale. Non sono polimeri.

Sono tutti accumunati dalla loro idrofobicità.

Acidi grassi sono lunghe catene idrocarburiche con in cima il gruppo carbossilico; carbonio legato ad altro carbonio con legami simili. Presenti nei fosfolipidi della membrana.

Acido grasso palmitico o saturo: andamento lineare e rettilineo.

Oleato o insaturo: ha doppio legame, quindi fa una curvatura in corrispondenza di esso.

NB più lunga è la catena dell’acido grasso più interazioni tra elementi ci saranno complessi = importanti per membrane. Alcuni sono fosfolipidi.

Lipidi.

Catena idrocarburica: catena con idrogeno e carbonio.

Sfingosina: presenta un gruppo fosfato ed una testa polare; è la struttura dei fosfolipidi. Gruppo R + fosfato della sfingosina rappresentano la parte apolare.

Cellula

Cellule eucariote: sono più grandi delle procariote; hanno un nucleo contenente l’informazione genetica, racchiusa in un involucro nucleare.

Nei compartimenti membranosi le cellule eucariote hanno strutture che svolgono varie funzioni (es. organuli).

Cellule procariote: hanno spesso complesse membrane interne e sono prive dell’involucro nucleare. Non hanno quindi nessun dipartimento membranoso e sono strutture semplici. Il DNA è libero nel citoplasma, si avvalgono infatti di una sorta di proteine per “sostenerlo”, restando così delimitato in un punto definito chiamato “regione nucleoide”.

Alcune parti della membrana plasmatica formano dei setti dove avvengono alcune reazioni.

Hanno anche:

• Una parete peptidoglicana, esterna;
• Plasmidi;
• Ribosomi più piccoli rispetto a quelli eucarioti.

Morfologia delle cellule procariote:

• Cocchi: forma sferica.
• Bacilli: forma cilindrica.
• Vibrioni-spirilli: forma ricurva o spirale, rispettivamente.

Si possono aggregare in diplococchi (disposti 2 a 2), steptococchi (disposti in catenelle) e stafilococchi (disposti a grappolo).

Cellula procariota

Il genoma è formato da cromosoma batterico, cioè da una singola molecola di DNA circolare (contiene circa 4,6 milioni di paio di basi) disposta nella regione nucleoide.

Escherichia Coli: batterio preso come modello per i procarioti -> sono organismi sui quali la comunità scientifica si è concentrata per scoprire molte informazioni.

Parti della cellula:

• Membrana plasmatica.
• Parete peptidoglicana: costituita da peptidoglicano, a sua volta formato da due derivati poli