Biologia applicata

Biologia applicata

Vita: unità genetica organizzata caratterizzata da metabolismo e capace di riprodursi ed evolvere.

Caratteristiche degli organismi viventi

• Tipo di organizzazione
• Crescita e sviluppo
• Metabolismo
• Movimento
• Risposta a stimoli specifici
• Riproduzione
• Adattabilità ai cambiamenti ambientali

Metodo scientifico

• Osservazione
• Individuazione della problematica
• Previsione da verificare
• Esperimenti
• Risultati
• Conclusioni

L'ipotesi viene confermata o non confermata, portando ad ulteriori esperimenti o allo sviluppo di una teoria. Gli esperimenti devono essere ripetibili.

La vita ha avuto un’unica origine: esistono numerose caratteristiche distintive condivise da tutte le forme viventi:

• Somiglianze tra le sequenze dei geni
• Codice genetico universale
• Stessi amminoacidi nelle proteine

Origine della vita

Oparin (1924): la vita si è originata da materia non vivente attraverso un processo di evoluzione chimica che ha portato all’aggregazione di composti semplici presenti sulla Terra primordiale, formando monomeri, poi polimeri, i quali aggregandosi tra loro hanno dato origine a cellule.

Aristotele: teoria della Generazione Spontanea.

Redi (1668): esperimenti con carne all’interno di barattoli chiusi e di barattoli aperti; le larve nascevano solo in quelli aperti.

Van Leeuwenhoek: ipotizzò che i piccoli organismi che popolavano stagni derivassero dalla riproduzione dei loro predecessori.

Spallanzani: dimostrò che i batteri e i funghi non nascono spontaneamente.

Pasteur e Tyndall: dimostrarono che i microorganismi vengono trasportati dall’aria.

Attualmente crediamo che la vita si sia originata attraverso un processo di evoluzione chimica, interazioni casuali tra molecole inorganiche nel brodo primordiale, in un’atmosfera riducente, priva di ossigeno, ricca di vapore acqua, di azoto, anidride carbonica e metano. Le molecole hanno reagito grazie all’energia fornita dalle radiazioni solari.

Esperimento di Miller (1953): ha dimostrato la possibilità di sintesi abiotica di molecole organiche.

Progenitore ancestrale

• Primordiale organizzazione cellulare
• Isolamento di molecole proteiche e altre molecole biologiche all’interno di membrane

L’ambiente interno era protetto e separato da quello esterno. La formazione della membrana ha portato alla comparsa delle prime cellule, capaci di riprodursi ed evolvere. Una tappa importante è stata l’acquisizione della capacità autoreplicativa, ipotesi di un “mondo a RNA”.

I primi organismi eterotrofi si nutrivano dal brodo primordiale. Gli autotrofi permisero al mondo vivente di diventare indipendente dalla sintesi abiotica di sostanze nutritive. Alcuni autotrofi divennero nuova fonte alimentare per gli eterotrofi e operavano la fotolisi dell’acqua arricchendo l’ossigeno.

L’ossigeno andò a formare lo strato di ozono dell’atmosfera, facendo da scudo ai raggi UV dannosi. La fotosintesi permise agli esseri viventi di captare l’energia del sole.

Cianobatteri: prime cellule capaci di effettuare la fotosintesi. Oggi l’atmosfera ossidante e la grande quantità di viventi rendono impossibile la generazione spontanea sulla Terra di nuove forme di vita.

Sintesi abiotica

Di piccole molecole organiche, aggregazione delle molecole organiche in polimeri, aggregazione delle macromolecole e origine di protobionti, evoluzione delle prime cellule, sviluppo del metabolismo e della capacità di replicarsi.

Linneo

Formulò il concetto di specie e ideò la nomenclatura binomiale. Classificò i viventi in un Systema Naturae.

Categorie sistematiche

• Specie: è l’insieme di tutti gli individui con caratteristiche simili che generano prole simile e fertile
• Genere
• Famiglia
• Ordine
• Classe
• Subphylum
• Phylum
• Regno

Domini e regni

• Bacteria - Monere
• Archea - Protisti
• Eucarya - Piante, Animali, Funghi

Monere

Comprende organismi procarioti unicellulari, formati da una sola cellula priva di membrana nucleare e di un vero e proprio nucleo, nel citoplasma sono presenti solo minuscoli ribosomi. Vivono anche in ambienti proibitivi.

• Archeobatteri: monere più primitive, vivono in condizioni estreme.
• Eubatteri: monere autotrofe, comprendono i batteri e le alghe azzurre. Queste vivono raggruppate in colonie e ricoperte da una secrezione mucillaginosa. Si riproducono per scissione binaria.

*Batteri azotofissatori: rigenerano i sali di azoto nel terreno e permettono lo sviluppo di vegetali. Alcuni batteri possono comportarsi da parassiti, alcuni sono patogeni, altri sono simbionti o saprofiti.

Protisti

Giardia Lambia: anaerobio, vive nell’intestino (patogeno per l’uomo duodeno e digiuno). Parassita unicellulare. Presenta due nuclei identici. Possiede il citoscheletro, assenti mitocondri, cloroplasti, Golgi e RE. Protozoo flagellato.

L’infezione è spesso asintomatica; si fissa alle cellule epiteliali intestinali grazie a un disco adesivo e si trasmette attraverso contagio oro-fecale. Si presenta sotto due forme:

• Trofozoita: simmetria bilaterale, forma a cucchiaio, non ha citostoma, ventralmente presenta il disco adesivo, due nuclei ovali, simmetrici con cariosoma centrale, presenta 8 flagelli, sono assenti l’apparato del Golgi, mitocondri, RE.
• Cisti: ciclo biologico: il serbatoio sono i cani domestici, trasmissione oro-fecale, rottura delle cisti dovuta all’acidità gastrica, adesione dei trofozoiti alla mucosa intestinale, si replicano per scissione binaria.

L’azione patogena è data dagli antigeni dei parassiti e dall’attivazione delle cellule del sistema immunitario. I trofozoiti si incistano nell’intestino tenue, le cisti passano nelle feci e poi eliminate.

Patogenesi

• 89% dei casi decorre in maniera asintomatica
• Incubazione 12-19 giorni
• Sindrome di malassorbimento, dovuta alle masse di trofozoiti che aderiscono alle pareti intestinali
• Atrofia dei villi
• Ipertrofia
• Aumento delle cellule infiammatorie
• Infiltrazione della lamina propria

*Le persone con deficit di IgA sono più suscettibili. Alcuni possono manifestare intolleranza al lattosio. Lo stadio di cisti è resistente a concentrazioni di cloro normalmente usate.

Malaria

Causata da parassiti del genere Plasmodium, con 150 specie, solo 4 patogene per l’uomo. Si concentra maggiormente nelle zone tropicali e sud tropicali. *Aumento di resistenza ai farmaci e delle zanzare ai pesticidi (Anopheles).

Una femmina infetta della zanzara Anopheles punge un soggetto e gli trasmette gli sporozoiti. Entrano nelle cellule epatiche e si dividono per produrre merozoiti, i quali infettano i globuli rossi. Alcuni merozoiti formano i gametociti. Una zanzara Anopheles non infetta punge un soggetto infetto e riceve i gametociti. Nel tratto digerente della zanzara i gametociti si sviluppano in gameti e avviene la fecondazione. Lo zigote si innesta nello strato epiteliale dello stomaco, producendo sporozoiti, che una volta rilasciati migrano nelle ghiandole salivari.

Sindromi cliniche

• Falciparum: incubazione 7-10 giorni; sintomi simil-influenzali, nausee, vomito, diarrea, brividi e accessi febbrili periodici (48 ore); può evolvere in forme più gravi, coinvolgimento SNC, reni e anemia.
• Ovale, vivax: incubazione 10-15 giorni; accessi febbrili periodici; possibilità di recidive.
• Malarie: incubazione 18-40 giorni; accessi febbrili periodici (72 ore); forme croniche latenti pauciparassitemiche.

Teoria cellulare

• Le cellule costituiscono le unità fondamentali di ciascun organismo
• Tutti i viventi sono formati da una o più cellule
• Tutte le cellule derivano da altre cellule

Hooke (1665): osservò e descrisse per la prima volta le cellule nella corteccia di sughero.

Van Leeuwenhoek (1700): osservò globuli rossi e spermatozoi.

Theodor Schwann (1830): vide che la cartilagine animale era formata da cellule simili a quelle delle piante.

Matthias Schleiden (1839): fece le stesse osservazioni in campo botanico.

Rudolf Virchow (1860): affermò che le cellule sono le “unità vitali” degli organismi e che ogni cellula deriva da un’altra cellula.

Procarioti e eucarioti

• Procarioti: Non possiedono un vero e proprio nucleo, non hanno la membrana nucleare. Caratteristica solo del Regno degli Eubatteri e Archeobatteri. Il termine deriva da proto- (primitivo) e -carion (cuore).
• Eucarioti: Possiedono un’unità nucleare dotata di membrana. Caratteristica di tutti gli altri Regni. Deriva dalla cellula procariote. Il termine deriva da eu- (evoluto) e -carion (cuore).

Caratteristiche dei viventi

• Individualità: crescono e si sviluppano
• Crescita: aumento della dimensione e del numero delle cellule
• Sviluppo: cambiamenti che avvengono durante la vita di un individuo
• Regolano processi metabolici (Omeostasi)
• Rispondono agli stimoli
• Si riproducono:
• Riproduzione sessuata: variabilità genetica dovuta a combinazioni di geni
• Riproduzione asessuata: le mutazioni costituiscono le uniche fonti di variabilità
• Si evolvono e si adattano:
• Adattamento strutturale
• Adattamento comportamentale
• Muoiono
• Movimento: ameboide, cilia e flagelli, animali e vegetali

Evoluzione

Ogni organismo è il prodotto delle interazioni tra i geni dei suoi antenati e l’ambiente. Teoria dell’evoluzione della specie (Darwin):

1. Ogni membro della specie è diverso dagli altri
2. Nascono molti più organismi di quelli in grado di sopravvivere fino alla riproduzione
3. Competizione tra individui per procacciarsi il cibo
4. Individui che possiedono caratteristiche vantaggiose sopravvivono, si riproducono e trasmettono tali caratteristiche alla prole

L’ambiente seleziona individui con caratteristiche vantaggiose. Le differenze tra organismi diversi sono il risultato di mutazioni geniche casuali. Lamarck: ipotizzò che gli individui potessero trasmettere alla prole caratteri acquisiti durante la vita. L’uso e il disuso crea l’organo. Ereditarietà dei caratteri acquisiti.

Organizzazione gerarchica della materia

Molecola → Macromolecola → Organulo → Cellula → Tessuto → Organo → Sistema → Organismo → Popolazione → Comunità → Ecosistema → Biosfera

Organismi autotrofi e eterotrofi

• Autotrofi: organismi in grado di trasformare la sostanza inorganica in sostanza organica. In genere, gli organismi autotrofi sono fotosintetici.
• Eterotrofi: organismi che si nutrono di sostanze organiche preformate, ossia già presenti in natura. Non sono in grado di effettuare la fotosintesi clorofilliana.

Gli ecosistemi dipendono da un continuo flusso di energia. Un ecosistema autosufficiente è costituito da tre tipi di organismi dipendenti gli uni dagli altri:

• Produttori
• Consumatori
• Decompositori

Aerobi e anaerobi

• Aerobi: degradano glucosio fino a CO₂ e H₂O per ricavarne energia, necessitano di O₂.
• Anaerobi: la degradazione non avviene completamente, fermentazione.

Metabolismo

È l’insieme di reazioni che avvengono all’interno di un organismo:

• Anabolismo: reazioni di sintesi che necessitano energia
• Catabolismo: reazioni di degradazione che liberano energia
• ATP: adenosina trifosfato, è la moneta di scambio (ADP - di-, AMP - mono-)

Categorie nutrizionali

Ciclo del carbonio

Forma inorganica → Fotosintesi → Glucosio e O₂ (forma organica) → Eterotrofi: glicolisi → Acido piruvico → CO₂ e H₂O → Anaerobiosi: fermentazione alcolica o lattica.

Ciclo dell’azoto

Azoto presente nel terreno → Ammonio (batteri e funghi) → Nitriti (batteri nitrificanti) → Nitrati (batteri nitratori) → Assimilazione (piante) → Fissato dai batteri che vivono con le radici delle leguminose → Azoto atmosferico → Fissato dai batteri denitrificanti.

Fissazione non simbiontica: microrganismi a vita libera (Azotobacter). Fissazione simbiontica: microrganismi simbionti (Rhizobium).

Tecniche biochimiche per studiare i componenti cellulari

• Centrifugazione: separa in base al peso - Apparato del Golgi, Reticolo Endoplasmatico, Mitocondri, Nucleo.
• Centrifuga su gradiente di densità: sfrutta la densità quando le dimensioni sono all’incirca le stesse.
• Centrifugazione differenziale: velocità crescente - supernatante (parte restante) - pellet di nuclei.

Cellula eucariotica

Negli organismi, le cellule di piccole dimensioni sono vantaggiose poiché hanno un maggior rapporto superficie/volume.

Sistema di endomembrane

• Membrana plasmatica
• Reticolo endoplasmatico
• Lisosomi
• Nucleo
• Golgi

Organelli per l’espressione genica

• Cromosomi
• Nucleolo assembla i ribosomi
• Ribosomi

Organuli citoplasmatici

• Membrana plasmatica
• Ribosomi
• Reticolo endoplasmatico liscio è sede della detossificazione dei farmaci
• Golgi
• Lisosomi
• Vacuoli

Citoscheletro

• Microtubuli - tubulina
• Microfilamenti - actina
• Filamenti intermedi
• Centrioli
• Ciglia - più numerose e più corte dei flagelli
• Flagelli per la locomozione degli spermatozoi

Cellula procariotica

• Membrana plasmatica
• Parete cellulare Gram + (peptidoglicano), Gram - (peptidoglicano e complesso polisaccaridico)
• Capsula posseduta solo da alcuni batteri, con essa sono più resistenti alla fagocitazione
• Flagello

Struttura

• Mesosoma: membrana esterna che si ripiega all’interno
• Mancanza di compartimentazione interna
• Plasmidi: porzioni circolari di DNA
• Proteine, sotto forma di tetrameri, associate al DNA

Teoria endosimbiotica

Una cellula protoeucariota ha inglobato dei batteri porpora aerobi, che sono andati a costituire i mitocondri e dei cianobatteri che invece sono andati a formare il cloroplasto.

Cellula eucariotica

Mitocondrio

La membrana mitocondriale si solleva a formare delle creste che contengono la maggior parte delle proteine atte alla respirazione cellulare. Contiene DNA mitocondriale:

• Geni per proteine ribosomiali
• Geni per RNA ribosomiale
• Geni per tRNA
• Geni per proteine di trasporto e di regolazione

Si divide per scissione binaria. È la sede del metabolismo terminale (sintesi ATP tramite respirazione cellulare).

Cloroplasto

All’interno della membrana dei tilacoidi è presente la clorofilla. I vari tilacoidi impilati prendono il nome di grana (contengono i sistemi fotosintetici) e sono immersi nello stroma. È dotato di un cromosoma circolare. È sede della fotosintesi. Originano da batteri procarioti fotosintetici (cianobatteri) produttori di O₂ inglobati dalla cellula.

Batteri

Riproduzione asessuata. La ricombinazione genica avviene grazie a 3 meccanismi:

• Coniugazione
• Trasformazione
• Trasduzione

Esistono 20 mila specie con diversa forma:

• Spirale
• Sferica: catene (streptococchi) o grappoli (stafilococchi)
• Bastoncello: bacilli

*I vantaggi sono legati alla riproducibilità e alla versatilità metabolica.

Gram +: trattengono il cristalvioletto dopo lavaggio con alcol; la parete batterica è costituita da peptidoglicano posto al di sopra della membrana plasmatica.

Gram -: assumono la seconda colorazione fornita; il peptidoglicano si trova tra la membrana plasmatica ed una membrana esterna.

Peptidoglicano: funge da supporto meccanico e protezione da lisi osmotica; è formato da derivati del glucosio (N-acetilmuranico e N-acetilglucosammina) legati tramite legami glicosidici e da amminoacidi legati tramite ponti pentaglicinici. *Lisozima: scinde il legame glicosidico. Penicillina: inibisce la transpeptasi.

Struttura

• Capsula: fornisce protezione dalla fagocitosi.
• Flagelli e ciglia: sono appendici filiformi per il movimento. Costituito da 9 coppie di microtubuli ed una coppia centrale. L’apparato basale è formato da 4 anelli per i Gram – e 3 per i Gram +, costituisce il motore del flagello. (Costituito dalla flagellina)
• Fimbrie e pili: favoriscono il contatto tra batteri e tra batteri e superfici, permettono il trasferimento di informazioni genetiche.
• Spore: forme di resistenza anche in ambiente sfavorevole. La sporogenesi avviene per mezzo di una perdita progressiva di acqua e la comparsa di una membrana impermeabile, il metabolismo procede lentissimo.

Si dividono in:

• Saprofiti: decompongono la materia organica;
• Parassiti: vivono a spese di altri organismi;
• Simbionti: nell’intestino umano sintetizzano vitamine.

Archea

Possiedono il 40% dei geni simili a quelli di batteri eucarioti, mentre il 60% materiale genetico diverso da tutti i geni conosciuti. Il patrimonio genetico di questi microrganismi è in parte sovrapponibile a quello dei batteri, degli eucarioti o di entrambi, in parte peculiare di questi microrganismi.

• Metanogeni: sono in grado di ridurre la CO₂ in metano.
• Alfili estremi: tollerano una notevole concentrazione salina.
• Termoacidofili: vivono a pH acido (2-4) e a temperature elevate (>80°C).
• Batteri estremofili: vivono in condizioni estreme (temperature elevate o molto basse, a pH acido).

Possiedono particolari enzimi chiamati estremozimi:

• Termofili vivono a temperature superiori a 45°C.
• Ipertermofili superano anche queste temperature.