Appunti di Biologia animale e vegetale

Principi della biologia

Biologia = scienza della vita che studia tutti gli aspetti dell’essere vivente.

Le proprietà di tutti gli esseri viventi

Si definisce organismo un’entità costituita da cellule.

Le cellule in un organismo possono essere più di una, definendolo pluricellulare, oppure composto da solo una, unicellulare; a prescindere da questo contengono tutte le proprietà degli esseri viventi.

Gli organismi viventi sono organizzati in ordine gerarchico; ossia da un livello più semplice a uno più complesso: quando si passa da un organismo unicellulare a pluricellulare le cellule devono riconoscersi e legarsi tra di loro per poi formare i tessuti, organi e apparati.

Tutto viene costruito partendo da un livello, quello della chimica. Le proprietà dei livelli superiori sono influenzate da quelli superiori.

Gli esseri viventi sono caratterizzati dall’avere un metabolismo, un insieme di reazioni chimiche, che la cellula può portare avanti e permette di svolgere tutte le funzioni fondamentali per la propria vita; le principali tra queste sono deputate per le trasformazioni energetiche.

L’energia viene acquisita dall’ambiente esterno e trasformata in energia cellulare seguendo i principi della termodinamica.

Grazie all’energia ottenuta da queste trasformazioni l’essere vivente è in grado di tenere al suo interno un equilibrio, percepire quelli che sono gli stimoli ambientali e adattarsi a quest’ultimi.

Per questo tutti gli esseri viventi hanno un’omeostasi, equilibrio dinamico in cui si ha sempre un continuo cambiamento di elementi all’interno per far sì che si possa mantenere inalterata la sua condizione.

Questo permette all’organismo di recepire, rielaborare e rispondere agli stimoli necessari per adattarsi; sono tutti processi che dipendono dall’energia, quindi a sua volta dipendono dal metabolismo.

Gli esseri viventi possiedono al loro interno il materiale genetico che è organizzato in maniera ben definita ed è una caratteristica che possiedono solo gli esseri viventi: è costituito da DNA e RNA che permette agli organismi di regolare tutti i processi e soprattutto permette la riproduzione.

La singola cellula è in grado di riprodurre un’altra grazie alla presenza dell’acido desossiribonucleico del DNA. Questo viene replicato e diviso in parti uguali nelle cellule figlie.

Nello stesso modo si fa con la generazione di nuova progenie, gli organismi pluricellulari si possono riprodurre grazie al materiale genetico che contiene tutti i geni in grado di fare la riproduzione, l’organismo appena formato è in grado di accrescersi e svilupparsi raggiungendo la sua forma definitiva regolando l’espressione dei geni.

Il DNA è in grado di mutare, non comportando sempre la nascita delle malattie, dando un successo evolutivo agli esseri viventi.

1

Tutte queste proprietà vengono utilizzate dai ricercatori per sostenere che tutte le particelle virali non sono organismi viventi.

Esistono in biologia degli elementi come i virus che suscitano un grande dibattito perché hanno alcune proprietà degli esseri viventi ma, allo stesso tempo, non sono formati da cellule, non sono in grado di fare il metabolismo in maniera indipendente e non hanno il materiale genetico organizzato come quello cellulare.

La teoria cellulare

La biologia cellulare nasce con l’invenzione del microscopio ottico.

Tutte le scoperte in campo della biologia cellulare vanno in parallelo alle invenzioni tecnologiche.

Nel 1665 Robert Hooke inventò il primo rudimentale microscopio ottico.

Egli osservò il sughero, un tessuto morto che presentava un’organizzazione ordinata dove erano presenti delle cavità che lui chiamò “cellule”.

Nel 1700 Van Leeuwenhoek, mercante di professione, che si dilettava nella ricerca biologica, implementò il microscopio di Hooke e riuscì ad osservare per la prima volta cellule vive, appurando dunque che l’essere vivente aveva al proprio interno delle piccole cavità.

Nel 1839 Schneider, zoologo, e Schwann, botanico, formularono i primi punti fondamentali della teoria cellulare che permette la nascita della biologia cellulare.

Cosa afferma la teoria cellulare?

Afferma che la cellula è l’unità di base di tutti gli organismi viventi formati da una o più cellule.

Nel 1858 Virchow osservò per la prima volta delle cellule in riproduzione, in divisione cellulare.

Si rese conto che una cellula è in grado di dividersi ottenendo due cellule figlie.

A lui si deve l’affermazione che: le cellule si originano da cellule preesistenti; dunque, la vita nasce da organismi viventi.

Questa affermazione però, in un primo periodo, non fu subito accettata in quanto molti ricercatori credevano nella riproduzione spontanea; ossia alla nascita della vita dal materiale inorganico.

Soltanto in seguito agli studi di Pasteur nel 1863, si capì che la teoria di Virchow era corretta.

Tipi cellulari

• Cellula eucariote: cellula animale.
• Cellula procariote: cellula vegetale.

Sono presenti degli elementi unitari che si trovano in tutte le cellule:

• La membrana plasmatica delimita il citoplasma dall’esterno creando un ambiente ideale e fondamentale per mantenere l’omeostasi all’interno della cellula.
• Il citoplasma, un ambiente acquoso che si distingue in: citosol, parte liquida, e organelli.
• Il materiale genetico, si trova in tutte le cellule come DNA, acido desossiribonucleico, che contiene i nostri caratteri ereditari. La cellula procariote ha una piccola cellula di DNA regolata dal dogma centrale della biologia.
• La presenza nel citoplasma degli organelli privi di membrana che prendono il nome di ribosomi. Quest’ultimi hanno la stessa forma di tutte le altre cellule e svolgono la funzione di sintesi delle proteine.

2

Anche avendo una struttura così semplice la cellula procariote è in grado di svolgere tutte le sue funzioni che corrispondono alle proprietà degli esseri viventi.

La cellula eucariote è più complessa in quanto prevede sistemi membranosi interni, gli organelli, che le permettono di avere delle funzioni più specializzate.

Nonostante questo, l’eucariote non ha più successo evolutivo dell’altra.

Eccezione

I virus:

• Non possiedono una membrana ma svolgono delle attività che sembrano appartenere al mondo vivente. Nel caso in cui ce l’hanno è perché la ottengono dalla cellula ospite.
• Hanno materiale genetico ma non seguono il dogma centrale della biologia.

La membrana plasmatica

È formata da un doppio strato fosfolipidico presente in tutte le cellule, sono però le singole molecole dentro che differiscono da procariote a eucariote.

Le funzioni della membrana sono per il 90% le stesse in tutte le cellule.

Questa è costituita da:

• Doppio strato di fosfolipidi.
• Proteine.

Questi due elementi costruiscono una barriera che risulta però alla cellula funzionale; permette di proteggersi dall’ambiente esterno e di svolgere tutte le funzioni fondamentali.

DNA: materiale genetico

• Il DNA contiene i geni, le sequenze dei monomeri del DNA chiamati nucleotidi. Questa funzione viene regolata dal dogma centrale della biologia.
• Il DNA è l’unica molecola presente sulla terra, ad oggi, in grado di autoreplicarsi permettendo l’avvio della riproduzione cellulare.
• È fatto dagli stessi monomeri di tutte le cellule.
• Ha una struttura a doppia elica sia nei procarioti che negli eucarioti, in particolare: i procarioti hanno un DNA circolare a doppia elica sparso nel citoplasma. Gli eucarioti hanno un DNA a doppia elica, con due filamenti, con una forma lineare contenuta nel nucleo.

Nel momento della riproduzione cellulare, l’organismo ha bisogno di proteine; arriva un segnale all’organismo, chi porta l’informazione di questa proteina si attiva e avviene la sintesi dell’RNA, l’altro acido nucleico complementare al DNA, con il processo di trascrizione. A questo punto l’informazione passa dal DNA all’RNA in cui i ribosomi utilizzano l’informazione data per formare le proteine.

Nei virus sono presenti grandi eccezioni nel dogma centrale della biologia.

In questo caso esistono dei virus, in particolare quelli che infettano l’uomo, in grado di utilizzare l’RNA per fare RNA e alcuni l’RNA per fare il DNA.

Il DNA è in grado di rispondere a degli stimoli ricevuti dalla cellula, introducendoli all’interno del citoplasma, rielaborarli e successivamente tornano sul DNA permettendo la risposta.

3

Il materiale genetico grazie alla sua capacità di autoreplicarsi e duplicarsi permette la riproduzione cellulare dell’organismo unicellulare e successivamente dell’intero organismo.

Nel nostro caso si parla di riproduzione sessuale, ossia una riproduzione che implica la replicazione del DNA chiamata meiosi.

Le dimensioni delle cellule

Indipendentemente dall’essere vivente, le dimensioni delle cellule sono microscopiche con un diametro che va da 1-100 micron.

I procarioti hanno dimensioni ancora più piccole.

La media delle cellule eucariote è intorno ai 10 micron.

Queste dimensioni così piccole fanno sì che per poter osservare, almeno la forma, bisogna utilizzare un microscopio di tipo ottico in cui si ha un fascio di luce e una serie di lenti che permette la visione dell’elemento esaminato.

Se invece bisogna guardare le strutture interne molecolari della cellula, bisogna utilizzare microscopi elettronici in cui si hanno gli elettroni e condensatori in grado di ingrandire l’immagine che sto osservando.

Queste dimensioni rimangono invariate anche all’interno di animali molto grandi.

Perché le cellule sono così piccole anche in organismi molto grandi?

Rapporto superficie-volume costante: superficie più grande del volume interno.

Le cellule sono così piccole in quanto queste si rapportano con l’ambiente esterno attraverso la membrana plasmatica. Il volume plasmatico deve essere in funzione della superficie.

Dato che la cellula deve svolgere le proprie funzioni e ha bisogno di comunicare con l’ambiente esterno, maggiore è la superficie cellulare, maggiori sono gli scambi che lei riesce a fare.

Se il volume è troppo grande rispetto alla superficie questi scambi non soddisfano il fabbisogno citoplasmatico. Più il citoplasma è grande, più energia ci vuole per mantenerlo.

Tutti i sistemi viventi faticano a fare trasformazioni energetiche, per questo lavorano cercando di risparmiare energia. Infatti, le cellule si sviluppano e crescono seguendo sempre questo parametro fondamentale.

Per mantenere questo rapporto invariato, quando la cellula ha bisogno di aumentare il proprio volume, le cellule assumono forme particolari a seconda delle funzioni, come l’entrata dei nutrienti o l’uscita dei rifiuti, l’ingresso delle molecole segnale.

Eccezioni

Ci sono cellule presenti in natura di grosse dimensioni:

• La cellula uovo, il gamete riproduttivo che ha un diametro intorno ai 200 micron.

Le dimensioni di questa cellula sono dovute al fatto che al suo interno deve contenere il citoplasma e tutti gli organelli che si ritrovano poi nello zigote, che si forma dalle fasi di fecondazione.

• Le cellule di alcuni volatili, per esempio l’uovo della gallina.
• Batteri con dimensioni che si aggirano intorno a 100 micron di diametro.

I diversi tipi di microscopi

• Microscopio ottico: microscopio con un sistema di lenti semplicissimo, erede di quello di Hooke.
• Da diversi anni nei laboratori viene utilizzato il microscopio a fluorescenza; è un microscopio ottico che ha un sistema di illuminazione che permette di osservare delle cellule trattate con sostanze fluorescenti.

4

Colorando alcuni elementi della cellula, in particolare quella eucariote, è possibile distinguere: il citoscheletro, lo scheletro interno, il nucleo, la membrana plasmatica ecc… Si possono seguire anche i movimenti di determinate molecole all’interno della cellula.

• Microscopio confocale: è possibile apprezzare immagini in 3D.
• I microscopi elettronici sono stati scoperti intorno al 1950, il primo fu quello a trasmissione in cui si ha un fascio di lenti e condensatori. Il campione viene pretrattato in maniera opportuna per permettere agli elettroni di creare l’immagine della cellula in osservazione.

Quello che viene osservato, viene chiamato: ultrastrutture microscopiche interne alla cellula.

L’immagine che otteniamo è sempre un’immagine a 2D, dove possiamo apprezzare: gli organelli della cellula eucariote, il nucleo, l’apparato del Golgi ecc…

• Il microscopio elettronico a scansione ha lo stesso funzionamento di quello a trasmissione, si ha un fascio di elettroni e i condensatori. Ciò che varia è la lavorazione del preparato cellulare, si ottengono delle immagini in 3D che presentano delle appendici esterne chiamate ciglia che servono al movimento dell’ambiente circostante.

Metodi biochimici

• Quando bisogna analizzare un singolo elemento cellulare lo si deve prelevare, isolare dal contesto cellulare ed analizzarlo.

Una delle tecniche di base è quella del frazionamento cellulare, che si basa sul prendere una cellula, lisarla, con specifici enzimi, rompendo la sua membrana plasmatica riversando all’interno tutto il suo contenuto. Gli elementi presenti hanno tutti pesi e grandezze diverse.

Il ricercatore Svedberg ha studiato delle proprietà come: il peso molecolare, la forma e la dimensione dei vari elementi cellulari, scoprendo che se sottoposti ad una forza centrifuga era possibile farli depositare sul fondo di una provetta. Inoltre, ha trovato per ogni elemento il coefficiente di sedimentazione: la velocità che devo impostare ad una centrifuga quando ho messo nella provetta quel determinato materiale per farla andare sul fondo di questa.

Il primo a cadere, in una cellula eucariote, è il nucleo essendo il più grande.

Otterremo quindi, o una parte solida = precipitato e una parte liquida = parti cellulari più leggere.

Si esegue questo processo fino ad ottenere l’isolamento di tutti i singoli elementi.

Organizzazione gerarchica in biologia

La cellula ha una organizzazione gerarchica; come tutti gli esseri viventi, ed è formata da macromolecole in particolare le proteine, carboidrati, acidi nucleici e lipidi che a loro volta sono formate da molecole e quest’ultime costituite da atomi.

Dunque, l’organismo vivente ha una componente non vivente, chiamata inorganica.

Nel caso dei pluricellulari si ha un’organizzazione più complessa, costituita da: tessuti, organi, apparati ecc…

L’organizzazione è una prerogativa degli esseri viventi, non si ferma all’organismo vivente in sé, ma continua in tutto ciò che riguarda il rapporto con l’ambiente in cui vive.

5

Abbiamo un’organizzazione gerarchica anche nel modo con cui l’essere vivente vive nell’ambiente, gli individui che appartengono alla stessa specie possono dare origine alla riproduzione, costruendo una popolazione.

Le popolazioni possono essere di diverso tipo, coloro che abitano in uno stesso habitat, si chiamano comunità.

L’insieme di tutte le comunità costituiscono un ecosistema che a sua volta compone la terra.

Ogni livello organizzativo è una branca della biologia che determina poi tutta la funzionalità cellulare.

Domanda probabile sul cromosoma

Da cos’è fatto il cromosoma degli eucarioti e perché è fatto in quella forma?

Il cromosoma è dato dall’unione di DNA + proteine particolari chiamate istoni ripiegati insieme da un legame chimico particolare.

Quel legame chimico è alla base di tutte le proprietà dei nostri cromosomi.

Tipologia di classificazione tassonomica

L’organizzazione gerarchica viene utilizzata anche per la classificazione degli esseri viventi.

La branca della biologia che si occupa della classificazione è la tassonomia.

Si parte dal livello di organizzazione più generale che comprende le cellule, in cui si afferma che tutti gli esseri viventi si sono formati da una ancestrale cellula semplice chiamata “progenitore ancestrale”, per arrivare poi alla diversificazione.

• Il dominio: in cui si suddividono gli organismi fatti da cellule nei vari tipi cellulari.

Vecchia organizzazione

Questo tipo di organizzazione che si basa sull’origine evolutiva e sulla composizione cellulare, si deve al ricercatore Whitaker.

Si hanno 5 regni, escludendo il dominio:

• Regno della monera: contiene tutti gli organismi che hanno la cellula procariote.
• Gli altri 4 regni, partendo dai più semplici: i protisti, le piante, i funghi e gli animali; si conclude con gli organismi più complessi, in cui troviamo organismi con cellule eucariote suddivisi sulla base delle loro capacità alimentari.

Ad oggi…

Il termine monera è in disuso.

Ad oggi, grazie al ricercatore Woese e alla pubblicazione nel 1977 della sua ricerca, si capì che in realtà esiste un’altra categoria di classificazione ancora più ampia, il dominio.

I domini sono delle categorie di classificazione in cui si possono posizionare i tipi cellulari esistenti in natura.

Esistono 3 tipi cellulari, in natura:

• Dominio degli eucaria = in cui si trovano tutti gli organismi con la cellula eucariote, animali e vegetali.
• Domini archea e bacteria = dove si trova la cellula procariote che a livello molecolare presenta molte differenze.

Da questi 3 domini si ottengono 6 regni:

Woese, da una prima osservazione, vide che i bacteria e gli archea sono entrambe prive di nucleo definendole quindi procariote.

6

Andando però ad analizzare i ribosomi, costituiti da RNA e proteine, riuscì a trovare delle differenze prendendo in esame RNA ribosomiale presente nella subunità minore del ribosoma ed è andato a leggere i monomeri che costituiscono questo acido ribonucleico,