Biologia animale

La biologia

La biologia è lo studio scientifico degli esseri viventi. I biologi studiano i processi dal livelli molecolari ad interi ecosistemi.

Come si fa ricerca?

Prerequisiti: i fatti nella forma di osservazioni verificabili e risultati sperimentali e ripetibili.

Progresso: teorie (Newton, Darwin, Einstein)

Teoria: “Il meccanismo dell’adattamento evolve dalla selezione naturale”.

Cos’è la vita?

La vita è unità genetica organizzata, caratterizzata da un metabolismo capace di riprodursi ed evolvere.

Caratteristiche di un essere vivente

• Ordine
• Regolazione
• Crescita e sviluppo
• Utilizzo dell’energia
• Risposta all’ambiente: tutto è in relazione all’ambiente, se cambia qualcosa all’esterno, cambia pure nell’essere vivente.
• Riproduzione: alla base della specie, tutela la continuità dell’essere.
• Evoluzione: è il cambiamento (“vive bene chi si adatta all’ambiente” - Darwin)

Tutti gli organismi viventi sono costituiti da unità base: la cellula.

Teoria cellulare

• Origine da altre cellule mediante la riproduzione.
• Le cellule contengono tutti gli esseri viventi costituiti da una o più cellule.
• Le relazioni chimiche di un organismo hanno luogo all’interno della cellula.
• Le cellule hanno le informazioni ereditarie.

Formulata da Matthias Schleiden (1838) e Theodor Schwann (1839).

1925 Willson: in ultima analisi la cellula è la chiave di ogni problema biologico. La vita è nata una volta sola e poi si è evoluta, Pasteur fece degli esperimenti per capire come nasce la vita. Le cellule non sono tutte uguali, differiscono per forma, dimensioni, sostanze chimiche di cui hanno bisogno, attività che svolgono.

Evoluzione

Gli esseri viventi si sono autorganizzati ed evoluti da atomi presenti sul pianeta. Inizialmente l’evoluzione è stata chimica (Oparin e Haldane).

Condizioni per la nascita della vita

• Assenza di ossigeno: ha impedito la degradazione di semplici molecole.
• Alte temperature
• Scariche di fulmini

Oparin

La vita è nata in acqua. Nel 1953 fu confermata l’ipotesi di Miller. (l’esperimento fu fatto in ambiente acquoso con scariche elettriche e senza ossigeno e nacquero così le molecole organiche). Le prime cellule furono eterotrofe (energia vitale nella fermentazione di molecole organiche, cioè non anaerobiche). Alcune si specializzarono e le cellule diventarono autotrofe (i primi furono i solfobatteri) ricavavano nutrimenti dalla luce solare.

Le macromolecole

Carboidrati

Caratteristiche: sono composti chimici costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno. Sono molto abbondanti in natura. Hanno sapore dolce.

Come possono essere chiamati? Idrati di carbonio, zuccheri, osi o glucidi. Formula: C_n(H₂O)_m, una molecola d’acqua per ogni atomo di carbonio.

Tipi di carboidrati

I carboidrati più semplici, formati da una sola molecola, si chiamano monosaccaridi, e comprendono:

• Ribosio e desossiribosio (formati da 5 atomi di carbonio e componenti degli acidi nucleici)
• Glucosio (formato da 6 C è la principale fonte di energia)
• Fruttosio (ha 6 C ed è contenuto nella frutta)
• Galattosio (ha 6 C e si trova nel latte)

I monosaccaridi sono facilmente solubili in acqua e possono essere classificati in base alla presenza di un gruppo aldeico o chetonico, e al numero di atomi di carbonio che costituiscono lo scheletro carbonioso.

• 5 atomi = furanosiche
• 6 atomi = piranosiche

Le molecole dei vari monosaccaridi possono unirsi tra loro per dare un disaccaride (formato da due molecole di zucchero). Ad esempio:

• Glucosio + fruttosio → saccarosio (zucchero da cucina)
• Glucosio + galattosio → lattosio (presente in latte e latticini)

Il legame che li caratterizza vede impegnato il carbonio glicosidico che utilizza l’OH semiacetalico per formare acetale (lattosio), ma sono possibili anche legami glicosidici (saccarosio).

I carboidrati formati da più di 20 unità si chiamano polisaccaridi. Alcuni polisaccaridi funzionano come riserve di zuccheri semplici per gli organismi (amido e glicogeno). Altri polisaccaridi costituiscono i materiali che hanno la funzione di sostenere le cellule o l’intero organismo (cellulosa, la principale componente del legno).

I polisaccaridi possono essere:

• Omopolisaccaridi costituiti dal ripetersi di tante unità zuccherine legate dallo stesso legame glicosidico.
• Eteropolisaccaridi ripetizioni di unità zuccherine che alternano il legame che le unisce.

Funzioni: i carboidrati svolgono funzioni diverse nell’organismo:

• Energetica: forniscono all’organismo l’energia necessaria a svolgere tutte le sue funzioni.
• Strutturale: costituiscono strutture essenziali per gli organismi viventi (funzione di sostegno, soprattutto nei vegetali, cellulosa).
• Protezione: costituiscono l’esoscheletro degli invertebrati (chitina) e la parete cellulare delle cellule vegetali.

Le piante (organismi autotrofi) sintetizzano carboidrati (glucosio) a partire da componenti inorganici quali acqua e anidride carbonica, mediante il processo di fotosintesi clorofilliana. Gli animali (organismi eterotrofi) soddisfano il fabbisogno energetico nutrendosi di alimenti che contengono carboidrati. Ecco alcuni esempi: frutta e miele → fruttosio.

Lipidi

Caratteristiche: I lipidi sono costituiti da lunghe catene di atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno, sono untuosi al tatto e sono insolubili in acqua (idrofobi = “paura dell’acqua”). Gli acidi grassi concorrono alla formazione di gran parte dei lipidi e sono costituiti da uno scheletro carbonioso relativamente lungo che termina con un gruppo carbossilico.

No formula chimica.

Quattro famiglie. I lipidi vengono distinti in:

1. Lipidi semplici: esteri di acidi grassi a lunga catena. Qui abbiamo i gliceridi e le cere. Fanno parte dei primi i trigliceridi, che sono costituiti da una molecola di glicerolo + 3 catene di acidi grassi. Essi sono rappresentati dai comuni grassi ed oli, costituiscono una fonte energetica superiore rispetto ai carboidrati e si accumulano nel tessuto adiposo (grasso sottocutaneo). Svolgono anche la funzione di isolante termico. I trigliceridi possono essere di origine animale o vegetale. Il legame covalente dei trigliceridi è il legame estere. Le cere sono composti chimici insolubili in acqua che svolgono un’importante azione di rivestimento protettivo ed impermeabilizzante. Esse rivestono le penne degli uccelli, costituiscono la cuticola delle foglie e conferiscono lucentezza ai frutti.
2. Lipidi complessi: possono essere sia fosfogliceridi che sfingolipidi. I primi sono formati da una testa idrofila (affine all’acqua) costituita da glicerolo + gruppo fosfato e due code idrofobe (non affini all’acqua) rappresentate da due catene di acidi grassi. I fosfogliceridi, insieme alle proteine di membrana, sono i principali costituenti delle membrane cellulari. I lipidi complessi sono infatti di natura anfipatica, rappresentati da una testa polare e da una coda apolare.
3. Steroidi: hanno tutti una struttura comune, che è rappresentata dal ciclopentanoperidrofenantrene. Il loro precursore è il colesterolo che svolge funzioni essenziali al metabolismo. Costituente delle membrane cellulari delle cellule animali. Precursore della vitamina D (importante per la crescita ossea e dei denti). Composto di partenza per la sintesi degli acidi biliari (prodotti da fegato). Può essere sintetizzato dalle cellule (origine endogena) o introdotto con l’alimentazione (origine esogena) ed è utilizzato nella sintesi degli steroidi. Il colesterolo in eccesso nel sangue si accumula sulle pareti interne delle arterie provocando la formazione di placche che causano arteriosclerosi. Inoltre, il colesterolo in eccesso nel fegato si accumula dando origine ai calcoli biliari.
4. Terpeni: composti costituiti dalla condensazione di diverse unità di isoprene. Si trovano negli oli essenziali.

Funzioni: riserva energetica (molecole ad alto contenuto energetico; si accumulano nel tessuto adiposo, ad esempio nel derma), protezione meccanica per alcuni organi (cuore, fegato, reni), isolante termico (es. grasso animale), impermeabilizzante (es. cere sulle penne degli uccelli), funzione strutturale (nelle membrane cellulari o fosfolipidi), precursori di importanti molecole biologiche (ormoni, vitamine).

Lipidi di deposito = funzioni di riserva. Lipidi strutturali = fanno parte delle membrane.

Proteine

Caratteristiche: le proteine sono catene (polimeri) di amminoacidi, sono il più abbondante materiale biologico negli organismi animali e sono essenziali per la struttura e le funzioni degli esseri viventi. Hanno elevato peso molecolare. Costituiscono la maggior parte del materiale presente nella cellula (hardware cellulare) e agiscono come macchine operanti a livello molecolare (enzimi). Hanno prevalentemente una funzione plastica: cioè rappresentano "i mattoni" necessari per accrescere l'organismo. (Un amminoacido è un composto chimico caratterizzato da un gruppo amminico (NH₂), un gruppo carbossilico (COOH) ed un gruppo R specifico per ogni amminoacido. In natura, esistono 20 amminoacidi diversi. Gli amminoacidi possono essere polari, apolari e ionizzabili. Differiscono tra loro per la porzione variabile detta gruppo R.)

Come possono essere chiamate? Le proteine sono anche chiamate protidi o peptidi. Legame che unisce gli amminoacidi: gli amminoacidi sono tenuti insieme mediante un legame peptidico: esso si forma tra il gruppo carbossilico di un amminoacido ed il gruppo amminico dell’amminoacido successivo accompagnato dalla perdita di una molecola di acqua (H₂O). Legame peptidico ha una struttura planare e rigida a causa della formazione di un orbitale delocalizzato che copre ossigeno, azoto e carbonio.

Tipi di proteine

• Enzimi
• Fattori di trascrizione
• Proteine strutturali
• Proteine di membrana
• Proteine contrattili
• Ormoni e fattori di crescita
• Maggior parte dei recettori
• Proteine di trasporto
• Anticorpi
• Proteine di deposito
• Tossine

Gli enzimi sono particolari proteine che regolano tutte le reazioni chimiche che avvengono negli esseri viventi, essi sono importantissimi e la loro presenza è indispensabile per le normali funzioni vitali. Gli enzimi regolano quasi tutti i processi vitali: digeriscono il cibo, liberano energia, aiutano la formazione di nuove molecole, cioè rendono possibile la vita. Sono presenti nelle vie metaboliche: nelle vie anaboliche uniscono, nelle vie cataboliche scindono.

Come possono essere? Le proteine possono essere semplici o coniugate. Le prime sono costituite esclusivamente da amminoacidi, le seconde contengono nella loro struttura gruppi prostetici. Le proteine possono essere anche globulari o fibrose. Le prime sono tondeggianti e le seconde allungate.

Struttura delle proteine

Le proteine si ripiegano assumendo una struttura tridimensionale di tipo globulare. Questa struttura è stata semplificata e scomposta.

• Struttura primaria: disposizione semplice degli amminoacidi. La successione degli amminoacidi ha una polarità amminoterminale (N-terminale) e una polarità carbossiterminale (C-terminale).
• Struttura secondaria: conformazione spaziale delle proteine. Alfa elica ripiegamento a spirale intorno ad un asse virtuale. Beta elica ripiegamento a zig-zag delle catene polipeptidiche, i filamenti beta sono paralleli tra loro. Questa struttura viene stabilizzata da legami a H che si formano tra il gruppo-NH- di un legame peptidico ed il gruppo -CO- di un altro legame peptidico.
• Struttura terziaria: complessiva organizzazione tridimensionale di una proteina. Può essere cambiata grazie a fosforilazione (dovuta alla chinasi) e defosforilazione (dovuta alle fosfatasi). Questa struttura è stabilizzata dal legame covalente, detto ponte disolfuro che coinvolge la cisteina.
• Struttura quaternaria: aggregazione di più subunità che hanno già la struttura terziaria. (es. emoglobina)

Proteine globulari amminoacidi rivolti verso l’interno della proteina e radicali apolari verso l’esterno. (enzimi) Proteine integrali amminoacidi rivolti verso l’esterno della proteina e radicali apolari verso l’interno. (matrice extracellulare, collagene)

Funzioni delle proteine

• Strutturale = formano citoscheletro e strutture extracellulari (es. cheratina).
• Trasporto = (es. emoglobina trasporta ossigeno ed anidride carbonica nei globuli rossi del sangue).
• Enzimatiche = possono accelerare una reazione.
• Riserva = materiale utile che gli organuli utilizzano in caso di necessità.
• Fattori di trascrizione = riconoscono e legano specifiche sequenze di DNA, attivando e inibendo l’espressione genetica.

Le informazioni per la sintesi delle proteine sono contenute nel DNA e tale processo avviene secondo una sequenza di eventi ben precisa:

1. Trascrizione del DNA in mRNA
2. Traslocazione dell’mRNA dal nucleo nel citoplasma
3. Traduzione dell’mRNA sui ribosomi
4. Sintesi delle proteine

Acidi nucleici

Caratteristiche: gli acidi nucleici sono catene lineari (polimeri) costituiti da una sequenza di nucleotidi. I nucleotidi sono formati da:

1. Zucchero a 5 atomi di carbonio (ribosio per RNA e desossiribosio per DNA)
2. Gruppo fosfato
3. Base azotata

Svolgono ruoli importanti nelle cellule: ATP-GTP-cAMP (nucleoside solo base e zucchero). Le basi azotate sono 4: adenina (A), guanina (G), timina (T), citosina (C) e uracile (U). Quest’ultimo è presente solo nell’RNA dove sostituisce la timina. Sono la parte variabile del nucleotide e sono divise in purine (adenina e guanina) e pirimidiniche (timina e citosina o timina e uracile).

DNA e RNA

Gli acidi nucleici formano un codice che contiene le informazioni necessarie alla vita di ogni singolo essere vivente; ogni cellula usa questo codice per costruire le proteine, le importanti molecole necessarie per i processi della vita. Esistono solo due tipi di acido nucleico:

• DNA = Acido deossiribonucleico (chiamato anche acido desossiribonucleico) molecola depositaria dell’informazione genetica in tutte le cellule ed in alcuni virus. Molecola stabile.
• RNA = Acido ribonucleico molecola poco stabile, coinvolta nei processi di espressione e di regolazione dell’informazione genetica.

Storia DNA:

• 1869 Miesher scoprì la nucleina.
• 1928 Griffith scoprì l’esistenza del “principio trasformante”.
• 1944 Avery, Malleod e McCarthy identificarono il principio di trasformante come DNA (conclusione: la classe di molecole che porta l’informazione ereditaria è il DNA).
• 1952 Hershey e Chase dimostrano definitivamente che i geni sono fatti di DNA.
• 1953 Watson e Crick con la diffrazione a raggi X scoprono la struttura del DNA (anche Rosalind Franklin ne arrivò alla conclusione).

Ponte fosfodiesterico: due nucleotidi nell’ambito di una singola elica sono legati insieme da un ponte fosfodiesterico, che è il legame covalente tra gruppo ossidrile legato al c3 del primo nucleotide ed gruppo fosfato legato al c5 del secondo.

Struttura DNA

Il DNA è formato da due catene (eliche) di nucleotidi (polimero) che formano una lunga molecola a forma di spirale: la doppia elica. Le due catene sono fra loro complementari e antiparallele, sono avvolte nello spazio, intorno ad un asse virtuale, in senso destrorso. La doppia elica entra in un cilindro di 2 nm e presenta due montanti uniti dalle basi azotate. Le singole eliche sono complementari perché nella doppia elica le basi azotate sono legate tra loro in modo specifico: l'adenina si lega sempre e solo con la timina (e viceversa); la citosina si lega sempre e solo con la guanina (e viceversa). Le singole eliche sono antiparallele perché scorrono in direzioni opposte avendo entrambe la stessa polarità, ciò consente alle basi di formare legami idrogeno. Il numero delle purine è sempre uguale a quello delle pirimidine. La doppia elica ha inoltre due solchi: maggiore e minore. Molecola DNA di tipo canonico = DNA-B. Molecola DNA di tipo alternativo = DNA-Z (senso sinistrorso).

Struttura RNA

L'RNA è un polimero lineare di ribonucleotidi. È costituito da una molecola di ribosio, una base azotata e una molecola di acido fosforico. Ha una struttura a singola elica, che può formare tratti a doppio filamento grazie a legami idrogeno fra le basi complementari. In una cellula eucariote si trovano tre tipi di RNA: mRNA (RNA messaggero), tRNA (RNA di trasporto), rRNA (RNA ribosomiale). Piccoli RNA citoplasmatici ScRNA, piccoli RNA nucleari SnRNA, piccoli RNA nucleolari SnoRNA, micro RNA (hanno pochi nucleotidi, possono avere un ruolo importante in terapia). La sua funzione è il trasferimento e rielaborazione dell’informazione genetica sintesi proteica. Il DNA è l'unica molecola che può duplicarsi, cioè fare delle copie identiche della propria molecola. L’RNA rappresenta il tramite attraverso cui le istruzioni del DNA si traducono nella sintesi delle proteine.

Quali sono dunque le differenze tra DNA ed RNA? Le riassumiamo brevemente:

• DNA: Doppio filamento – desossiribosio- basi azotate A,T,C,G
• RNA: Singolo filamento- ribosio- basi azotate A,U,C,G

Struttura dei cromosomi eucariotici

Il DNA è una molecola lunga e condensata con delle sequenze palindromiche (immagini speculari). Ha una struttura a forcina (punti di riconoscimento o regolazione). Comprende il 6% del genoma degli organismi superiori (umano) non è uguale in tutti.