Biologia animale

Forma e funzione delle cellule - capitoli 1-4

Biologia: deriva da “bios” (vita) e “logos” (studio) = scienza della vita (coniato nel 1800).

I cinque temi unificanti della biologia

1. Organizzazione

La vita sulla Terra si sviluppa secondo una gerarchia di livelli organizzativi, dal microscopico al globale. A ogni livello emergono proprietà nuove che non si trovano nei livelli inferiori: queste proprietà emergenti derivano dall’interazione e dalla disposizione delle parti del sistema.

Un esempio classico è la fotosintesi, possibile solo in un cloroplasto integro, non in una miscela disorganizzata dei suoi componenti.

Un principio fondamentale della biologia è la correlazione tra struttura e funzione: la forma di una struttura biologica è strettamente collegata al suo ruolo.

Per esempio, il colibrì, grazie alla particolare rotazione delle ali a livello della spalla, può volare sul posto o all’indietro, adattamento che riflette la sua funzione di nutrirsi del nettare dei fiori.

La cellula

La cellula rappresenta l’unità base dell’organizzazione biologica, ed è la più piccola struttura in grado di svolgere tutte le funzioni vitali.

Tutte le cellule sono circondate da una membrana plasmatica, che regola gli scambi di sostanze con l’esterno.

Si distinguono due tipi di cellule fondamentali:

• Procariotiche, prive di nucleo (batteri e archei);
• Eucariotiche, con nucleo e organuli delimitati da membrane (animali, piante, funghi, protisti).

La compartimentazione delle cellule eucariotiche — cioè la presenza di organuli specializzati — è una chiave del successo evolutivo, poiché consente di svolgere più processi contemporaneamente in modo efficiente.

2. Informazione

L’informazione biologica è contenuta nel DNA (acido desossiribonucleico), organizzato in cromosomi nel nucleo delle cellule eucariotiche.

Il DNA è formato da due filamenti antiparalleli avvolti a doppia elica, composti da quattro nucleotidi (A, T, C, G). La sequenza dei nucleotidi costituisce i geni, unità ereditarie che contengono le istruzioni per la sintesi delle proteine.

L’informazione genetica deve essere:

• Espressa → cioè attiva in specifiche cellule o distretti, determinando forma e funzione delle strutture. Ciò avviene in due fasi:
  1. Trascrizione del DNA in mRNA.
  2. Traduzione dell’mRNA in proteine.
• Ereditata → cioè trasmessa nel tempo da una generazione all’altra attraverso la duplicazione del DNA durante la divisione cellulare.

Tutti gli organismi viventi condividono lo stesso codice genetico, evidenza di una origine comune della vita.

3. Energia e materia

Tutte le attività biologiche — movimento, crescita, riproduzione, regolazione — richiedono energia.

Nei sistemi biologici, l’energia fluisce in modo unidirezionale: entra nell’ecosistema come luce solare, viene trasformata in energia chimica (es. zuccheri) e infine dispersa come calore.

Un esempio è la fotosintesi: le piante assorbono energia luminosa e la convertono in energia chimica; questa viene poi trasferita ai consumatori (erbivori, carnivori) e infine ai decompositori (batteri e funghi), che restituiscono i nutrienti all’ambiente.

Le sostanze chimiche, invece, circolano ciclicamente all’interno dell’ecosistema: vengono assorbite, trasformate, utilizzate e poi restituite all’ambiente, garantendo la continuità della materia.

L’energia non viene riciclata, ma si dissipa progressivamente come calore a ogni passaggio trofico.

4. Interazioni

Le interazioni sono fondamentali a tutti i livelli biologici — dalla cellula all’ecosistema — e permettono la regolazione, la stabilità e l’evoluzione dei sistemi viventi.

A livello cellulare e fisiologico

Le cellule e i loro componenti interagiscono per mantenere l’omeostasi.

Un esempio è la regolazione del glucosio nel sangue, che avviene tramite meccanismi di retroazione (feedback).

• Feedback negativo → riduce lo stimolo iniziale e riporta la condizione alla normalità. Es: dopo un pasto, l’aumento di glucosio nel sangue stimola il pancreas a produrre insulina, che induce le cellule ad assorbire glucosio e il fegato a immagazzinarlo. Quando i livelli tornano normali, la secrezione di insulina diminuisce.
• Feedback positivo → amplifica lo stimolo iniziale fino al raggiungimento di un risultato finale. Es: nella coagulazione del sangue, le piastrine rilasciano sostanze che attraggono altre piastrine, rinforzando il processo fino alla formazione del coagulo.

A livello ecologico

Gli organismi interagiscono tra loro e con l’ambiente:

• Mutualismo → entrambi gli organismi traggono beneficio (es. pesce pulitore e tartaruga).
• Parassitismo/predazione → uno trae vantaggio a scapito dell’altro (es. leone e zebra).
• Competizione → entrambe le specie risultano svantaggiate (es. piante che competono per risorse limitate).

5. Evoluzione e genetica

L’evoluzione è il processo di cambiamento nel tempo attraverso il quale le specie si adattano all’ambiente e danno origine a nuove specie. È alla base della diversità della vita sulla Terra.

La genetica studia come i caratteri vengono ereditati dagli organismi e come le mutazioni possono contribuire all’evoluzione.

La complessità si affronta mettendo in ordine

Per affrontare la complessità della vita, i biologi hanno dato un ordine, classificando gli esseri viventi in categorie gerarchiche.

I 3 domini principali sono:

1. Bacteria → procarioti veri e propri (batteri “comuni”).
2. Archaea → procarioti antichi, che vivono in ambienti estremi.
3. Eukarya → organismi con cellule eucariotiche (più complessi). All’interno del dominio Eukarya ci sono i 4 regni principali:
   1. Protisti → organismi unicellulari o semplici pluricellulari (come le alghe).
   2. Funghi → eterotrofi che si nutrono assorbendo sostanze organiche (es. muffe, lieviti).
   3. Piante → autotrofe, producono il proprio nutrimento tramite fotosintesi.
   4. Animali → eterotrofi, si nutrono di altri organismi.

Charles Darwin

Ha fornito la teoria della selezione naturale. Questa avvantaggia nel tempo le popolazioni più adatte all’ambiente in cui vivono in quel preciso momento.

Convergenza evolutiva

Organismi che hanno vissuto per un periodo di tempo nello stesso ambiente iniziano ad assomigliarsi. Es. il pipistrello è un mammifero che ha arti provvisti di membrana e adatti al volo.

L'acqua e l'idoneità alla vita

Tutto quello che avviene nel nostro organismo avviene in soluzione acquosa. L’essere umano è costituito nella maggior parte da acqua.

Caratteristiche dell’acqua

• 2 atomi di idrogeno e 1 di ossigeno.
• La carica è polarizzata parzialmente: H ha carica positiva, O ha 2 cariche negative (2 legami).
• Tra le molecole si formano tanti legami ad idrogeno, debolissimi e instabili (formati e sciolti in continuazione).

Le proprietà dell’acqua

• È coesa.
• Modera le escursioni termiche.
• Galleggiamento.

La tensione superficiale

Le molecole sulla superficie fanno legami anche con l’esterno??

Escursioni termiche

Il mare a causa della sua enorme massa d’acqua rilascia lentamente calore e cambia la sua temperatura lentamente grazie alla sua alta capacità termica.

Galleggiamento

Allo stato solido è meno densa dello stato liquido. Nello stato solido i legami sono più stabili, cristallizzati ad una distanza maggiore rispetto allo stato liquido. Questo comporta un'espansione del volume e un abbassamento della densità (es. iceberg).

Come solvente

L’acqua è spesso solvente di diversi soluti come:

• Composti ionici (es. sale da cucina).
• Molecole polari.
• Macromolecole (se hanno superfici polarizzate, es. lisozima).

Non scioglie:

• Sostanze idrofobe.
• Molecole apolari (es. olio in acqua, acidi grassi (i fosfolipidi hanno una testa polare che vanno a contatto con l’acqua (1 strato vs 2 strati))).

Il pH

Gli acidi: in acqua liberano ioni H⁺.

Basi: liberano ioni OH^-.

Neutra: soluzione con pH = 7, come l’acqua.

Sistemi tampone mantengono costante il pH.

Il carbonio

Il carbonio possiede 4 elettroni di valenza: può formare contemporaneamente fino a 4 legami covalenti (principalmente con C, H, O, N).

Gli enantiomeri

Gruppi: ossidrile, carbonile, carbossile, ammino, sulfidrile, fosfato, metile.

Le isomerie

Gli isomeri sono molecole che condividono la stessa formula chimica, ma hanno una diversa disposizione degli atomi, il che comporta proprietà chimiche e fisiche differenti. Tra gli isomeri più importanti ci sono gli isomeri strutturali, gli isomeri geometrici, gli enantiomeri e i diastereoisomeri.

• Gli isomeri strutturali, o costituzionali, hanno gli atomi collegati in modo diverso tra loro: un esempio tipico è quello del butano e dell’isobutano, che pur avendo la stessa formula chimica, differiscono nella disposizione dei legami e quindi nelle proprietà come punto di fusione, ebollizione e reattività.
• Gli isomeri geometrici, detti anche cis/trans, hanno la stessa sequenza di atomi ma differiscono nella disposizione spaziale attorno a un doppio legame o a un anello rigido. Un esempio sono l’acido maleico (cis) e l’acido fumarico (trans), che presentano differenze di polarità, solubilità e punto di fusione.
• Gli enantiomeri, chiamati anche isomeri ottici, sono immagini speculari non sovrapponibili, come la mano destra e la mano sinistra. Essi hanno la proprietà di ruotare la luce polarizzata in direzioni opposte, e spesso solo uno dei due enantiomeri è biologicamente attivo, come accade per molti zuccheri e amminoacidi.
• Infine, i diastereoisomeri sono stereoisomeri che non sono immagini speculari l’uno dell’altro; si riscontrano ad esempio in zuccheri con più centri chirali e in alcune molecole di farmaci, e presentano differenze nelle proprietà fisiche e biologiche.

I gruppi funzionali

I gruppi funzionali sono specifici raggruppamenti di atomi che conferiscono alle molecole organiche caratteristiche chimiche e proprietà particolari. Tra i principali gruppi funzionali troviamo:

• L’ossidrile (-OH), presente negli alcoli, che rende la molecola polare e capace di formare legami a idrogeno;
• Il carbonilico (C=O), tipico di aldeidi e chetoni, che conferisce reattività e partecipazione a molte reazioni chimiche;
• Il carbossilico (-COOH), presente negli acidi organici come gli amminoacidi e gli acidi grassi, che conferisce proprietà acide;
• L’amminico (-NH₂), che si trova negli amminoacidi e in altre molecole biologiche, rendendo la molecola basica e reattiva;
• Il sulfidrilico (-SH), presente in alcune proteine, fondamentale per la formazione dei ponti disolfuro e per la struttura delle proteine;
• Il fosfato (-PO₄), presente in DNA, RNA e ATP, che conferisce energia e capacità di legare gruppi carichi;
• Il metile (-CH₃), che influenza l’espressione dei geni e le proprietà di molte molecole biologiche.

Ogni gruppo funzionale conferisce alle molecole organiche caratteristiche uniche che determinano il loro comportamento chimico e la loro funzione all’interno degli organismi viventi.

Struttura e funzione delle macromolecole - capitolo 5

Le macromolecole biologiche sono i grandi composti chimici alla base della vita, suddivisi in quattro classi principali:

• Carboidrati (o glucidi).
• Lipidi.
• Proteine.
• Acidi nucleici (DNA e RNA).

Sono molecole a lunga catena: l’unità fondamentale di queste è il monomero, le cui ripetizioni costituiscono un polimero. Ciò è possibile grazie alla formazione di un legame covalente creatosi grazie alla reazione di condensazione/disidratazione (libera una molecola di H₂O). L’equivalente contrario a quest’ultima è l’idrolisi, che utilizza una molecola d’acqua per scindere il legame tra due monomeri.

Nella prima, ogni reagente fornisce una parte degli atomi che formano una molecola d’acqua: -H e -OH. La seconda invece sfrutta il procedimento inverso per degradare molecole che sarebbero troppo grandi da digerire nel nostro corpo.

Per esempio, gli enzimi attaccano i polimeri e accelerano la reazione di idrolisi: a questo punto i singoli monomeri possono penetrare nel flusso ematico per essere distribuiti a tutte le cellule dell’organismo.

All’interno delle cellule (attraverso reazioni di disidratazione), i monomeri si ricompongono a formare polimeri necessari per alimentare la cellula e far in modo che possa svolgere il suo processo metabolico.

La diversità delle macromolecole biologiche è data dalla disposizione dei singoli monomeri: questi in natura sono solo 40-50, ma la loro disposizione permette la formazione di nuovi polimeri. Nonostante la loro diversità, le macromolecole possono essere ugualmente divise nelle 4 classi elencate precedentemente.

I carboidrati

I carboidrati comprendono gli zuccheri e i loro polimeri. I più semplici sono i monosaccaridi, noti anche come zuccheri elementari. Due monosaccaridi, attraverso un legame covalente, formano un disaccaride, ovvero zuccheri doppi. Le macromolecole vere e proprie sono però costituite da numerose unità di zuccheri elementari che formano i polisaccaridi.

Zuccheri elementari

I monosaccaridi hanno generalmente formule molecolari di tipo C_n(H₂O)_n. In queste molecole si trovano tutte le caratteristiche distintive di uno zucchero:

• Gruppo carbonilico - in base alla sua posizione lo zucchero si classifica come zucchero:
  • Aldeidico (es. glucosio).
  • Chetonico (es. fruttosio, isomero del glucosio).
• Gruppo ossidrilico.

Un altro criterio di classificazione è la lunghezza dello scheletro carbonioso, che varia da 3 a 7 atomi di carbonio: gli zuccheri possono infatti essere per esempio triosi (gliceraldeide), pentosi (ribosio o desossiribosio) od esosi (fruttosio e glucosio).

Inoltre, la diversità è data anche dal modo in cui le parti costituenti sono disposte spazialmente attorno agli atomi, dunque agli isomeri, come nel caso di glucosio e fruttosio.

Anche se si ritiene più comodo disporre gli atomi di carbonio linearmente, in soluzione acquosa gli zuccheri tendono a formare un anello, loro forma più stabile.

Zuccheri doppi

I disaccaridi nascono grazie alla formazione di un legame glicosidico (glico- si riferisce allo zucchero, è covalente) tra due monomeri. Tra questi è importante citare il maltosio (2 glucosio), il saccarosio (glucosio e fruttosio), lattosio (glucosio e galattosio). L’intolleranza al lattosio, per esempio, è data dall’assenza dell’enzima lattasi che non permette la degradazione di questo zucchero (la scomposizione in realtà avviene ma tramite batteri intestinali che comportano crampi).

Polisaccaridi

Sono macromolecole formate dalla polimerizzazione di molteplici unità di monosaccaridi: si legano da centinaia a migliaia zuccheri elementari per formarne una. La loro funzione e architettura può variare a causa della disposizione dei monomeri che le compongono. Di seguito alcuni esempi.

Polisaccaridi di deposito - l’amido e il glicogeno

Piante e animali depositano zuccheri per poterne usufruire successivamente. Le piante depositano l’amido, principale combustibile cellulare. Anche molti animali tra cui l’uomo, possiedono enzimi in grado di idrolizzare l’amido delle piante.

La maggior parte delle unità elementari dell’amido sono legate tramite legami 1-4 (legami tra il carbonio 1 e il carbonio 4). L’amilosio (forma più semplice del maltosio) è un monomero privo di ramificazioni mentre l’amilopectina (si unisce all’amilosio per formare l’amido) è ramificata e possiede legami 1-6.

Gli animali invece immagazzinano glicogeno, simile all’amilopectina ma con ramificazione più complessa. I depositi si trovano nel tessuto muscolare e nel fegato, quando infatti le cellule richiedono energia, viene liberato del glicogeno degradato in glucosio.

Polisaccaridi di struttura - la cellulosa e la chitina

Il polisaccaride noto come cellulosa è il principale costituente delle cellule vegetali. L’amido e la cellulosa sono polimeri entrambi con legami glicosidici 1-4, tuttavia si differenziano per il fatto che per il glucosio esistono 2 strutture ad anello differenti: α-glucosio e β-glucosio.

L'α-glucosio e il β-glucosio sono due isomeri del glucosio che differiscono per la posizione del gruppo ossidrile (-OH) sul carbonio anomerico (il primo carbonio della molecola). Questa differenza strutturale dà origine a diverse proprietà, influenzando il modo in cui si legano tra loro per formare zuccheri più complessi come l'amido (legami α-glicosidici) e la cellulosa (legami β-glicosidici). Le differenze dei legami glicosidici sono alla base delle diverse forme tridimensionali e alle diverse proprietà del polisaccaride. Alcune molecole di amido, per esempio, hanno una struttura elicoidale perché necessitano di immagazzinare efficacemente le molecole di glucosio. Al contrario la cellulosa non è mai ramificata.

Gli enzimi che digeriscono l’amido per idrolisi dei legami α-glicosidici non digeriscono i legami β-glicosidici. L’uomo, per esempio, non possiede enzimi per digerire la cellulosa (legami β-glicosidici) e durante la digestione viene allenata la produzione di muco nell’intestino per facilitarne il passaggio. Alcuni organismi però possono digerire la cellulosa: questi possiedono protisti e procarioti.

Un altro importante polisaccaride strutturale è la chitina, carboidrato che costituisce l’esoscheletro degli artropodi e presente in mol