Biologia applicata

Lezione 1: introduzione alla biologia

La biologia è la scienza che studia gli esseri viventi e l’ambiente che li circonda. Analizza come sono fatti dal punto di vista strutturale, funzionale e organizzativo.

Gli organismi viventi sono organizzati gerarchicamente:

• La cellula è l’unità di base di ogni organismo;
• Un insieme di cellule forma un tessuto;
• Più tessuti formano un organo;
• Più organi costituiscono un apparato;
• Tutti gli apparati insieme formano un organismo completo.

Un insieme di organismi della stessa specie costituisce una popolazione; individui con caratteristiche simili appartengono alla stessa specie.

Le reazioni chimiche alla base della vita

Gli organismi viventi utilizzano reazioni chimiche per sopravvivere. A livello cellulare come a livello dell’intero organismo, queste reazioni permettono di trasformare le sostanze in energia utile.

Se per qualunque motivo una reazione vitale si interrompe, si arriva alla morte cellulare e, conseguentemente, alla morte dell’individuo.

Caratteristiche degli esseri viventi

Per distinguere un essere vivente da un oggetto inanimato, si considerano alcune caratteristiche fondamentali:

• Capacità di riprodursi: ogni organismo ha come “missione” quella di vivere e generare altri organismi simili, per garantire la continuità della specie.
• Ciclo vitale e crescita: un organismo cresce non solo in dimensioni, ma anche in complessità.

Esempio: dall’unione di una cellula uovo con uno spermatozoo si forma lo zigote, che si divide e si differenzia progressivamente durante l’embriogenesi, fino a diventare un individuo complesso.

• Capacità di trasformare energia: gli esseri viventi svolgono reazioni chimiche attraverso il metabolismo, grazie al quale l’energia viene sfruttata o rilasciata.
• Tutti gli esseri viventi sono formati da cellule, considerate le unità fondamentali della vita.
• Capacità di reagire a stimoli esterni, come freddo, caldo, luce o disponibilità di sostanze nutritive.
• Presenza di un programma genetico, che contiene le istruzioni su come l’organismo è fatto e come deve funzionare.

Il DNA: il programma della vita

Questo programma è rappresentato dal DNA.

L’unità fondamentale del DNA è il gene, ossia una sequenza che contiene le informazioni necessarie alla sintesi di una proteina, la quale si manifesta poi a livello fenotipico.

Lo scienziato Salvador Luria definì l’essere vivente come un organismo che contiene al suo interno una molecola di DNA o di RNA, perché in essa risiede il programma della vita.

Differenza tra essere vivente e oggetto inanimato

Ad esempio, una pietra è un oggetto inanimato, mentre la Drosophila melanogaster è un essere vivente, spesso usata in laboratorio per esperimenti genetici.

Proprietà del DNA

Il DNA presenta tre proprietà fondamentali:

• Autocatalitica: ha la capacità di produrre una copia identica di se stesso.

Prima che una cellula si divida, il DNA deve duplicarsi affinché le cellule figlie ricevano le stesse informazioni genetiche della cellula madre.

• Eterocatalitica: possiede la capacità di fornire l’informazione necessaria per produrre molecole diverse da sé, come le proteine.
• Mutativa: è la capacità del DNA di cambiare, generando mutazioni.

Se durante la duplicazione avviene un errore, l’informazione può risultare alterata.

Il DNA come programma

Il DNA può essere paragonato a un programma di computer: è difficile da modificare, anche se oggi le tecniche di ingegneria genetica permettono di farlo.

A differenza di un semplice orario scolastico, il programma genetico è molto più rigido e complesso.

Duplicazione e sintesi proteica

Duplicazione del DNA: permette la formazione di una molecola identica alla precedente.

Sintesi proteica: il DNA trasmette le informazioni all’RNA messaggero, che viene poi tradotto in una catena polipeptidica.

Mutazioni e selezione naturale

Sebbene spesso si associ la mutazione del DNA a malattie o patologie, la variabilità genetica è in realtà alla base dell’evoluzione e dell’adattamento.

Gli organismi che si adattano meglio ai cambiamenti ambientali sopravvivono e si riproducono più facilmente.

Esempio di Chernobyl: l’esplosione della centrale nucleare ha provocato radiazioni che hanno danneggiato il DNA, causando malattie e malformazioni. Tuttavia, il DNA possiede meccanismi di riparazione in grado di correggere errori minori, ma non mutazioni troppo gravi.

Esempi di selezione naturale

Le giraffe: in passato esistevano giraffe con collo corto e collo lungo. Quelle con il collo lungo, potendo raggiungere meglio il cibo, sono sopravvissute e si sono riprodotte, trasmettendo il loro tratto genetico.

Le farfalle della betulla: in origine prevalevano le farfalle bianche, mimetizzate sui tronchi chiari. Con l’industrializzazione e il deposito di fuliggine, i tronchi divennero scuri, favorendo le farfalle nere che si camuffavano meglio.

Al variare dell’ambiente, cambia anche la frequenza dei caratteri genetici nella popolazione.

Variabilità genetica

Ogni organismo possiede una combinazione di geni unica per la propria specie.

Anche all’interno di una popolazione o di una famiglia, esistono differenze genetiche individuali.

Questa variabilità è essenziale per l’adattamento e la sopravvivenza delle specie nel tempo.

Osservazione delle cellule

Una cellula può essere visibile a occhio nudo, ma per osservarne i particolari è necessario un microscopio ottico.

Per analizzare i dettagli più piccoli, invece, si utilizza un microscopio elettronico.

Composizione chimica della cellula e biomolecole

Gli elementi chimici più presenti negli organismi viventi sono carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo.

In quantità minori si trovano anche potassio, calcio, magnesio, sodio e altri oligoelementi.

Composizione chimica della cellula

In una cellula batterica, circa il 70% è costituito da acqua, mentre il restante 30% è formato da sostanze chimiche come:

• Proteine;
• RNA;
• DNA;
• Fosfolipidi.

Monomeri e polimeri

I monomeri sono le unità base.

I polimeri sono insiemi di monomeri legati tra loro.

Esempi:

• Zuccheri: tante molecole di glucosio formano amido o cellulosa → entrambi polisaccaridi.
• Amminoacidi: sono i monomeri che formano le proteine.
• Nucleotidi: sono i monomeri che formano DNA e RNA.
• Acidi grassi: costituiscono la base della membrana cellulare.

Zuccheri

Nell’immagine è rappresentata la struttura di uno zucchero generico.

In natura gli zuccheri si trovano prevalentemente in forma ciclica, come nel glucosio, che è la principale fonte di energia per le cellule.

Lo zucchero più piccolo esistente è la gliceraldeide, che ha 3 atomi di carbonio e non può formare una struttura ciclica.

Gli zuccheri che formano parte dei nucleotidi sono:

• Ribosio;
• Desossiribosio;
• Altri zuccheri a 6 atomi di carbonio: mannosio, galattosio, fruttosio.

Due molecole di zucchero possono legarsi tramite legame di condensazione, formando un disaccaride.

Più zuccheri legati insieme formano polisaccaridi:

• Cellulosa: catene parallele, struttura rigida → tipica delle cellule vegetali, conferisce resistenza e rigidità.
• Amido: catene più ramificate → riserva energetica delle cellule vegetali.
• Glicogeno: catene molto ramificate → riserva energetica delle cellule animali, accumula nel fegato e nei muscoli.

Quando serve energia, il glicogeno viene scisso per liberare glucosio.

Lipidi

Nell’immagine si osserva la struttura di un acido grasso, formato da:

• Una lunga catena carboniosa;
• Un gruppo carbossilico.

Il concetto di idrofobo/idrofilo è fondamentale per comprendere la struttura della membrana cellulare.

Trigliceridi: tre molecole di acido grasso legate a una molecola di glicerolo tramite reazioni di condensazione.

Fosfolipidi: simili ai trigliceridi ma con un gruppo fosfato e una colina al posto di un acido grasso.

• Testa polare → verso l’acqua;
• Code apolari → verso l’interno.

I fosfolipidi formano un doppio strato che costituisce la membrana cellulare, rendendola semipermeabile.

Tra i lipidi importanti troviamo anche steroidi come:

• Colesterolo;
• Vitamina D;
• Cortisolo;
• Progesterone, ecc.

Amminoacidi e proteine

Gli amminoacidi hanno una struttura comune:

• Un gruppo amminico;
• Un gruppo carbossilico;
• Un atomo di idrogeno;
• Un gruppo R che determina le proprietà e la polarità di ciascun amminoacido.

L’amminoacido più semplice è la glicina, che ha come gruppo R un idrogeno.

Gli amminoacidi si uniscono tramite legami peptidici, formati tra il gruppo carbossilico di uno e il gruppo amminico dell’altro, con eliminazione di una molecola d’acqua.

Il risultato è un polimero: una proteina.

Nucleotidi e acidi nucleici

Un nucleotide è formato da:

• Uno zucchero pentoso;
• Una base azotata;
• Un gruppo fosfato.

Le basi azotate si dividono in:

• Purine → Adenina e Guanina;
• Pirimidine → Citosina, Timina e Uracile.

Timina è presente solo nel DNA.

Uracile solo nell’RNA.

Ogni nucleotide presenta un carbonio 5’ e un carbonio 3’, che determinano la direzionalità del filamento di DNA o RNA.

L’ATP

L’ATP è un nucleotide particolare, formato da adenina, ribosio e tre gruppi fosfato.

È la principale riserva di energia della cellula.

Ogni volta che si stacca un gruppo fosfato, si libera energia:

• Il primo distacco libera la maggior quantità di energia;
• Il secondo e il terzo ne liberano meno.

L’energia liberata viene utilizzata per reazioni chimiche cellulari, processi metabolici e fosforilazione.

Molti enzimi sono ATP-dipendenti, cioè funzionano solo in presenza di ATP.

Autotrofi ed eterotrofi

Gli organismi viventi possono essere classificati come trasformatori di energia:

• Autotrofi: utilizzano sostanze inorganiche semplici per produrre sostanze organiche complesse, sfruttando energia solare o chimica.
• Eterotrofi: dipendono dagli autotrofi perché usano le sostanze organiche da essi prodotte per ottenere energia.

Ad esempio, il glucosio sintetizzato dalle piante viene utilizzato dagli animali per le reazioni che producono ATP.

Ogni volta che si rompe un legame fosfato nell’ATP, si libera energia utilizzata per alimentare reazioni metaboliche.

Il metabolismo

L’insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono all’interno della cellula prende il nome di metabolismo.

Esso comprende:

• Reazioni cataboliche;
• Reazioni anaboliche.

Enzimi, procarioti ed eucarioti, struttura cellulare

Reazioni degli autotrofi ed eterotrofi

Gli autotrofi utilizzano sostanze inorganiche insieme all’energia solare per sintetizzare glucosio e ossigeno.

→ Reazione: CO₂ + H₂O + energia solare → C₆H₁₂O₆ + O₂

Gli eterotrofi, invece, utilizzano glucosio e ossigeno per ottenere energia, liberando anidride carbonica e acqua.

→ Reazione inversa: C₆H₁₂O₆ + O₂ → CO₂ + H₂O + energia

Enzimi

Gli enzimi sono proteine che abbassano l’energia di attivazione necessaria per una reazione chimica.

Grazie a loro, le reazioni cellulari possono avvenire più rapidamente e con minore dispendio di energia.

Senza enzimi, molte reazioni richiederebbero un’energia troppo elevata e non avverrebbero affatto.

L’azione degli enzimi è quindi fondamentale per il corretto svolgimento delle reazioni metaboliche all’interno delle cellule.

Esempio: la tirosinasi e la sintesi della melanina

Nell’immagine mostrata durante la lezione è rappresentata una reazione a catena che parte dalla tirosina e porta alla produzione di melanina.

Questa catena è mediata da un enzima chiamato tirosinasi.

Se avviene una mutazione nella sequenza del DNA che codifica per la tirosinasi, l’enzima non viene più prodotto correttamente.

Di conseguenza, non si forma melanina, portando al fenotipo dell’albinismo. Questo esempio dimostra quanto sia essenziale l’azione degli enzimi nelle reazioni chimiche cellulari.

Protozoi e metazoi

Protozoi: organismi unicellulari.

Metazoi: organismi pluricellulari.

Tuttavia, la classificazione più comune degli organismi viventi si basa sulla struttura cellulare, distinguendo procarioti ed eucarioti.

Procarioti ed eucarioti

Procarioti:

Esempio: batteri.

Non possiedono un nucleo vero e proprio: il materiale genetico non è racchiuso da una membrana, ma disperso nel citoplasma.

Il loro DNA è in genere circolare.

Sono aploidi.

Possiedono ribosomi che servono per la sintesi proteica.

Hanno una membrana plasmatica e, spesso, una parete cellulare più spessa che conferisce forma e rigidità.

Alcuni presentano anche una capsula esterna, che funge da protezione e conferisce caratteristiche particolari.

Il nucleoide è la zona del citoplasma che contiene il materiale genetico.

Eucarioti:

Esempio: cellule animali e vegetali.

Hanno un nucleo ben definito, racchiuso da una membrana nucleare.

Il DNA è lineare e organizzato in cromosomi.

Possiedono numerosi organuli immersi nel citoplasma.

Le dimensioni di una cellula eucariotica sono circa 10 volte superiori a quelle di un procariote.

Origini della teoria cellulare

Il primo scienziato ad osservare le cellule fu Robert Hooke nel 1665.

Utilizzò un microscopio rudimentale per osservare una sezione di sughero, notando la presenza di piccole “cellette”, da cui deriva il termine cellula.

Da questa osservazione nacque la teoria cellulare, che afferma che:

• Tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule.
• La cellula è l’unità fondamentale di struttura e funzione di tutti gli organismi.
• Ogni cellula origina da un’altra cellula preesistente.
• Tutte le cellule contengono al loro interno una molecola di DNA, cioè il programma genetico che deve essere trasmesso alle cellule figlie in modo identico sia dal punto di vista quantitativo che qualitativo.

Struttura comune di procarioti ed eucarioti

In comune, entrambi i tipi cellulari presentano:

• Una membrana cellulare esterna;
• Il citoplasma, che funge da laboratorio chimico dove avvengono tutte le reazioni.

Negli eucarioti, oltre al citoplasma, sono presenti numerosi organuli specializzati con funzioni specifiche.

Nei procarioti, invece, l’unico organulo presente è il ribosoma.

Osservazione dei batteri

Al microscopio elettronico è possibile distinguere:

• La membrana cellulare;
• Il nucleoide;
• I ribosomi.

I batteri possono avere forme diverse:

• Bacilli;
• Cocchi;
• Vibrioni.

Molti batteri sono presenti ovunque: nel suolo, nell’acqua, nell’aria e anche all’interno del corpo umano.

Alcuni batteri presentano:

• Flagelli, che consentono il movimento;
• Pili, che servono per aderire alle superfici o per scambiare materiale genetico tra cellule;
• Capsula esterna, per protezione.

Batteri Gram-positivi e Gram-negativi

La parete cellulare dei batteri può essere più o meno spessa, e ciò determina la capacità di trattenere coloranti in laboratorio.

Gram-positivi: parete spessa → trattengono il colorante → sensibili a certi antibiotici.

Gram-negativi: parete più sottile → non trattengono il colorante → resistenti ad altri antibiotici.

Cellula eucariotica

In una cellula eucariotica osserviamo:

• Nucleo ben definito;
• Citoplasma ricco di organuli;
• Mitocondri;
• Reticolo endoplasmatico rugoso e liscio;
• Apparato di Golgi;
• Citoplasma organizzato da un citoscheletro.

La membrana cellulare degli eucarioti divide tre ambienti, mentre quella dei procarioti ne divide due.

Membrana cellulare

La membrana plasmatica:

• È formata da un doppio strato di fosfolipidi;
• Contiene proteine immerse o attraversanti;
• È semipermeabile;
• Regola il passaggio delle sostanze dentro e fuori la cellula.

Le proteine di membrana hanno diverse funzioni:

• Recettori: ricevono segnali dall’esterno e li trasmettono all’interno.
• Canali: permettono il passaggio di molecole più grandi come zuccheri o altre sostanze che non possono attraversare direttamente il doppio strato lipidico.
• Proteine di superficie: alcune sono legate a zuccheri. Nei globuli rossi, queste determinano il gruppo sanguigno.

Membrana cellulare: struttura e funzioni

La membrana cellulare ha una funzione strutturale perché conferisce forma e protezione alla cellula, che contiene il citoplasma e gli organuli.

È una membrana selettiva, poiché regola il passaggio di ioni e sostanze nutritive, e svolge anche una funzione di comunicazione: per esempio, se degli ormoni si legano a specifiche proteine di membrana, possono modificare il metabolismo cellulare.

Sono quindi presenti dei recettori di membrana, che servono per ricevere messaggi dall’esterno.

Tipi di trasporto attraverso la membrana

Le sostanze possono attraversare la membrana per trasporto passivo o per trasporto attivo.

Trasporto passivo

Avviene senza consumo di energia, sempre a favore del gradiente di concentrazione, cioè da una zona più concentrata a una meno concentrata.

Include diversi tipi di diffusione:

• Diffusione semplice: riguarda molecole piccole e apolari che attraversano la membrana senza l’aiuto di proteine. Anche l’acqua può passare liberamente, senza consumo di energia.
• Diffusione facilitata: riguarda molecole più grandi, polari o cariche elettricamente. Avviene tramite proteine canale o proteine vettrici.

Le proteine canale formano canali specifici attraverso i quali passano ioni o molecole.

Le proteine vettrici si aprono verso l’esterno, inglobano la molecola da