Appunti Biologia

Introduzione

Differenze tra essere vivente e oggetto inanimato

- È formato da cellule: possono essere unicellulari (una cellula) o pluricellulari (più cellule).

- Cresce grazie all’aumento delle dimensioni e/o del numero di cellule e si sviluppa.

- È in grado di riprodursi e generare un altro organismo simile a se stesso.

- È caratterizzato da reazioni chimiche, costituendo il metabolismo. Queste reazioni sono regolate per garantire l’omeostasi, cioè la stabilità delle caratteristiche dell’ambiente interno (esempio: temperatura corporea).

- Può percepire i cambiamenti che avvengono nell’ambiente esterno e mettere in atto processi rispondendo a tali cambiamenti (esempio: cambio della temperatura).

- Struttura e funzione dell’essere sono contenute in un programma costituito da geni formati da DNA.

- Le popolazioni dei viventi sono soggette a evoluzioni, adattandosi ai cambiamenti dell’ambiente circostante.

Ogni organismo vivente è organizzato, formato da parti che cooperano svolgendo particolari funzioni. La struttura specifica di ogni cellula e organismo è mantenuta grazie al rapporto di energia. Gli organismi viventi svolgono continuamente reazioni chimiche a cui sono dovute attività fondamentali, come la digestione degli alimenti; da queste reazioni dipende la vita degli organismi.

La cellula è un’unità strutturale, funzionale e biologica; un gruppo di cellule garantiscono le funzioni del tessuto; l’organo è composto da gruppi di tessuti e così via.

Bioelementi

Solo venti elementi chimici entrano nella composizione della materia vivente. I più importanti e presenti nella sostanza vivente sono ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto, fosforo e zolfo. Altri elementi essenziali ma in concentrazioni più ridotte sono calcio, cloro, potassio, sodio, magnesio e iodio.

Biomolecole

Composti organici con un elevato peso molecolare, suddivisi in quattro gruppi:

• Carboidrati: composti contenenti carbonio, ossigeno e idrogeno. Suddivisi a loro volta in:
  • Monosaccaridi: il più importante è il glucosio, principale fonte di energia per la maggior parte degli organismi.
  • Disaccaridi: esempi sono il saccarosio (unione di una molecola di glucosio e una di fruttosio), il lattosio (unione di una molecola di glucosio con una di galattosio), il maltosio e il cellobiosio (formate entrambe dall’unione di due molecole di glucosio).
  • Polisaccaridi: costituiscono una riserva di energia e fanno parte delle membrane e delle pareti cellulari. Suddivisi in polisaccaridi di riserva (amido nei vegetali e glicogeno negli animali) e polisaccaridi strutturali (carboidrati che fanno parte della parete cellulare dei vegetali e dei funghi).
• Proteine: polimeri biologici risultanti dall’unione di venti diversi amminoacidi, uniti tra loro dal legame peptidico. Sono tutte proteine chirali tranne la glicina. Dei venti amminoacidi, nove non possono essere sintetizzati (amminoacidi essenziali). La sintesi delle proteine è controllata direttamente dal DNA. Possono avere un ruolo strutturale oppure funzione catalitica. Anche i peptidi sono polimeri di amminoacidi che contengono una decina di amminoacidi.

Livelli di struttura delle proteine

• Struttura primaria: determinata dalla sequenza degli aminoacidi lungo la proteina.
• Struttura secondaria: determinata dalla disposizione nello spazio degli aminoacidi lungo la catena, che può essere α-elica (generata dall’avvolgimento del filamento polipeptidico) o a foglietto-β (formato quando diversi tratti di polipeptidi si affiancano e definiscono un piano grazie a legami a idrogeno che si formano fra un tratto e l’altro).
• Struttura terziaria: struttura tridimensionale che assume la proteina nello spazio; è originata dal ripiegamento su sé stessa della struttura secondaria.
• Struttura quaternaria: data dalla presenza, nella proteina funzionale, di due o più subunità peptidiche.

Tipi di proteine

• Le proteine globulari hanno forma rotondeggiante, generata dal ripiegamento della struttura secondaria. Esempi: enzimi, ormoni e proteine di trasporto.
• Le proteine fibrose hanno forma allungata e funzione strutturale; conferiscono resistenza ed elasticità; comprendono un unico tipo di struttura secondaria. Esempi: elastina, cheratina e collagene.

Le proteine esposte ad alte temperature subiscono un “processo di denaturazione”, che consiste nella rottura dei legami deboli e nella perdita della struttura tridimensionale della proteina.

Lipidi

Insolubili in acqua, sono importanti sia come componenti strutturali sia come riserva di energia, oltre che come messaggeri chimici (l’aldosterone e il testosterone).

• Trigliceridi: funzione di riserva energetica.
• Fosfolipidi: principali costituenti delle membrane cellulari, in cui si dispongono a doppio strato rivolgendo le code idrofobe all’interno e le teste polari all’esterno.
• Steroidi: caratterizzati da una struttura con quattro anelli condensati e comprendono gli ormoni sessuali, ormoni corticali, vitamina D e colesterolo.

Nucleotidi e acidi nucleici

Sono il DNA e l’RNA, responsabili di funzioni fondamentali dell’ereditarietà e nella sintesi proteica. Sono polimeri lineari di nucleotidi.

Interazioni deboli

Le molecole organiche sono in grado di interagire tra loro tramite forze deboli non covalenti e legami ionici. I legami chimici deboli sono abbastanza forti da assicurare un legame solo se agiscono in molti simultaneamente.

Le interazioni sono:

• Legami a idrogeno
• Forze di Van der Waals
• Interazioni dipolo-dipolo
• Forze idrofobe

Questi legami sono importanti nei sistemi biologici in quanto impartiscono la loro forma, struttura e formazione di complessi proteici costituiti da più subunità. Le strutture macromolecolari cui si fa riferimento sono caratterizzate da un certo grado di flessibilità, necessario nei processi biologici.

Acqua

Composto inorganico, essenziale e preponderante di tutte le cellule e degli organismi. Presente il 75% nei neonati, 60% negli adulti.

Microscopio

Il microscopio ottico è dotato di due sistemi di lenti: obiettivo e oculare. L’obiettivo è rivolto verso il tavolino sul quale viene deposto il campione da esaminare; lo specchio dirige un fascio di luce attraverso il preparato e l’obiettivo ne proietta un’immagine ingrandita verso l’oculare, che la ingrandisce a sua volta.

Il microscopio elettronico è basato sull’utilizzo di un fascio di elettroni. Questi fasci sono associati a lunghezze d’onda più brevi di quelle della luce e che permettono di ottenere un più elevato potere di risoluzione.

Nel microscopio elettronico a trasmissione (TEM), un fascio di elettroni, dopo aver attraversato l’oggetto da ingrandire, colpisce uno schermo fluorescente sul quale si forma l’immagine. Questo strumento permette di evidenziare la struttura fine delle cellule.

Nel microscopio elettronico a scansione (SEM), un raggio di elettroni esplora l’oggetto: gli elettroni sono riflessi dalla superficie del campione, formando un’immagine tridimensionale.

Biologia cellulare

Cellula

= elemento di piccole dimensioni delimitato da una membrana, pieno di una soluzione concentrata di sostanze chimiche in acqua e dotato della capacità di produrre copie di sé stesso, crescendo e dividendosi in due.

Questa “teoria cellulare” fu formulata da Schleiden, Schwann e Virchow.

Ogni cellula è circondata da una membrana cellulare che definisce un ambiente interno e lo separa dall’esterno, essa regola l’ingresso e l’uscita dei materiali. All’interno si trova il citoplasma, soluzione acquosa in cui sono immersi i costituenti cellulari e in cui si svolgono buona parte delle funzioni cellulari; nelle cellule più evolute queste funzioni sono svolte dagli organelli (o organuli) citoplasmatici. Il DNA è separato dal citoplasma e racchiuso in un nucleo.

Cellula procariotica

Le più piccole cellule esistenti. Sono prive di organuli citoplasmatici e non possiedono un vero nucleo; il materiale genetico consiste di una singola molecola di DNA circolare localizzata nel nucleoide. Possono essere presenti anche i plasmidi. Nel citoplasma sono presenti i ribosomi.

La membrana plasmatica dei procarioti forma i mesosomi, cellule prive di organuli e sedi di diverse reazioni enzimatiche. Usano la riproduzione asessuata e possono scambiarsi materiale genetico mediante trasformazione, coniugazione o trasduzione. Gli organismi procarioti sono sempre unicellulari. Le cellule procariotiche sono circondate da una parete cellulare esterna costituita da peptidoglicano, formato da lunghe catene polisaccaridiche in cui si alternano unità di amminozuccheri uniti da ponti trasversali a formare una struttura complessa che avvolge la superficie batterica.

Cellula eucariotica

Più complesse e più grandi delle cellule procariotiche. Il materiale genetico è formato da diversi cromosomi, costituiti da una molecola di DNA lineare associata a specifiche proteine.

Un organismo eucariote può essere:

• Unicellulare → formato da una sola cellula.
• Pluricellulare → formato da numerose cellule.

Differenze cellula eucariotica - procariotica

• Dimensioni.
• Alcune cellule hanno possibilità di movimento tramite i flagelli o con movimenti ameboidi.
• A volte è presente un rivestimento esterno alla membrana.
• Alcune cellule utilizzano l’ossigeno atmosferico.
• Sono in grado di produrre composti particolari (ormoni, grasso ecc.).

Aspetti comuni

• Composizione chimica.
• Le reazioni chimiche, che permettono di ricavare energia per le cellule.
• L’informazione genetica, che risiede nel DNA.

Virus

Oggetti biologici non costituiti da cellule.

Caratteristiche

• Costituiti da una molecola di acido nucleico, racchiusa nel capside.
• Forme e dimensioni varie.
• Contengono un unico tipo di acido nucleico che porta solo l’informazione genetica relativa alla sintesi dei propri elementi costitutivi.
• Per riprodursi devono infettare le cellule ospiti di cui sfruttano gli enzimi e il sistema energetico; possono quindi essere definiti “parassiti endocellulari obbligati”.
• Parassiti specifici.

Teoria origine virus

Avrebbero avuto origine come frammenti mobili di acido nucleico sfuggiti ad alcune cellule insieme a porzioni di membrana cellulare. I virus hanno origini diverse e dipendono dalle cellule in cui si sono sviluppate (i virus che infettano gli animali avrebbero avuto origine da cellule animali). Questa ipotesi è plausibile dal fatto che il materiale genetico dei virus di un certo tipo è più simile a quello del loro ospite.

Membrana cellulare

Sottile involucro che avvolge la cellula separandola dall’ambiente circostante. Regola lo scambio di materiali con l’esterno; costituita da fosfolipidi e proteine. I fosfolipidi sono molecole anfipatiche, caratterizzate da una testa polare idrofila e due code idrofobe; se dispersi in un mezzo acquoso, tendono a formare un doppio strato nel quale le teste polari sono rivolte verso l’esterno e le code idrofobe verso l’interno. Molti dei fosfolipidi sono legati a una componente glucidica e in questo caso sono detti glicolipidi.

Le proteine di membrana possono attraversare parzialmente o totalmente il doppio strato lipidico oppure essere legate a una delle due facce della membrana mediante legami a idrogeno e interazioni elettrostatiche. Modello del mosaico fluido = sostiene che le proteine di membrana siano disperse e inserite singolarmente nel doppio strato fosfolipidico.