Biologia e genetica - semestre filtro, parte 1

Biologia e genetica

La biologia è lo studio della vita: un essere vivente è un unità genetica organizzata,

caratterizzato da un metabolismo e capace di evolversi.

Gli organismi viventi

Gli organismi viventi sono costituiti da una o più

cellule, contengono informazioni genetiche, si

riproducono, sono imparentati geneticamente e sono

prodotto dell’evoluzione, utilizzano sostanze ed

energia disponibili nell’ambiente e regolano il proprio

ambiente interno.

Tutti gli esseri viventi fanno riferimento ad un

processo evolutivo che proviene da un progenitore

comune, chiamato LUCA. Esso ha dato origine a 3

Domini: Batteri, Archea e Eucarioti. Da questi ultimi

avvennero lunghe evoluzioni che portarono alla

formazione dei 6 regni: piante, funghi, animali, protisti, archeobatteri e eubatteri.

Livelli di organizzazione biologica

atomo, molecola, cellula, tessuto, organo, apparato, organismo, popolazione (stessa

specie), comunità, habitat, ecosistemi, biosfera.

La biologia cellulare è formata dall’intreccio di tre discipline: citologia, biochimica e

genetica.

La citologia è la prima a nascere, nel 17° secolo con le osservazioni al microscopio ottico,

dando la possibilità di osservare il mondo microscopico.

Dopo due secoli la biochimica fornirà indicazioni successive.

La genetica durante la metà dell’800 con il padre della genetica, Mendel.

Storia e teoria evolutiva

Le prime strutture de nite cellule dalla citologia, furono osservate da Robert Hook nel

1665, il quale osserva con il microscopio ottico delle cellette nel sughero che

contenevano prima cellule morte (ingrandimenti 30x).

Nello stesso periodo, Leeuwenhoek migliora le lenti e le trasforma in 300x. Cosi consentì

l’osservazione di batteri, protozoi, organismi unicellulari, cellule del sangue e spermatozoi.

A quel tempo avvenivano solo osservazioni descrittive.

Nell’800 invece vediamo un passo avanti: Sheiden a erma che tutti i tessuti vegetali sono

costituiti da cellule. Tutte provenienti da un embrione cellulare. Invece Schwann trasla

queste notizie e osservazioni sulle cellule animali (prima solo vegetali che erano più

semplice da osservare).

Teoria cellulare “omnis cellula e cellula” di Rudolf Virchow

Tutti gli organismi consistono in una o più cellule

• La cellula è l’unità base della struttura di tutti gli organismi

• Tutte le cellule originano da cellule preesistenti

• 1

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La teoria cellulare entra in con itto con la credenza della generazione spontanea.

Francesco Redi per primo prova smentire queste credenze con un

esperimento: prende 3 contenitori e ci mette della carne, un barattolo

scoperto, uno con una retina e uno con un tappo ermetico. Ovviamente

l’unico barattolo che “fa nascere” le mosche e le larve è il primo. Non gli

credono. Pasteur

Dopo 2 secoli replica l’esperimento di francesco Redi, ma con

organismi unicellulari. Allestì un brodo di

coltura, lo porto a ebollizione per sterilizzarlo.

Poi si procurò due beute con i colli a cigno,

che permettevano di far entrare solo l'aria nel

contenitore con il brodo e non la polvere

perché si depositava nel tubo piegato. Una

delle due la lascio con il tappo, all'altra gli

ruppe il collo rendendo possibile il contatto

diretto con l'aria e la polvere. Da qui si vide,

dopo un po’ di tempo, che la beuta con il collo

non aveva alcun microrganismo, mentre invece quella stappata era piena di organismi.

Darwin

Poi però l’attenzione si pone subito su con la sua teoria dell’evoluzione. Un

genetista Russo a erma addirittura che “nulla ha senso se non alla luce dell’evoluzione”

Questa teoria dell’evoluzione, anche se è il motore della biologia, continua a rimanere

indigesta anche nel 21° secolo.

Come ha elaborato la sua teoria Darwin?

Già alla ne del 700 Carlo Linneo si è occupato di sistematica (diversità degli organismi in

correlazione all’evoluzione) e di tassonomia (la nomenclatura e la classi cazione degli

organismi). È lui che caratterizza ogni specie con 2 nomi, uno riferito alla specie e uno al

genere.

Specie - genere - famiglie - ordine - classe - subphylum - phylum - regno - dominio

Darwin cercò di capire a cosa potrebbero essere attribuite le caratteristiche comuni tra

diversi esseri viventi.

Darwin consulta anche le scoperte in ambito paleontologico di Cuvier e alcuni testi della

geologia di Lyell, osservando le caratteristiche dei binomi, nota quindi che anche il non

vivente cambiò nei secoli.

Già prima di Darwin si erano accorti che i viventi cambiavano nel tempo.

Lamark

Dopo ebbe due intuizioni audaci:

-le modi cazioni evolutive spiegavano la diversità dei fossili, i quali cambiavano di epoca

in epoca, cercando di capire se il processo di cambiamento era in atto anche in quel

momento

-gli organismi si adattano al loro ambiente (gira a che

ha il collo lungo perché si sforza a mangiare le foglie più

in alto)

Le convinzioni inesatte risiedevano nel fatto che

secondo Lamark le modi cazioni si acquisissero

secondo l’uso e il disuso di una parte del corpo e

questo veniva trasmesso ai discendenti. Inoltre credeva

che ci potesse essere un’innata tendenza alla

complessità. 2

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Darwin poi abbandonò gli studi di medicina e si dedicò alla carriera ecclesiastica. Nel

mentre però studia le scienze naturali. Si imbarca nel viaggio Beagle di 5 anni che aveva

come obiettivo di riscrivere le cartine del mondo, ma lui strutta questo viaggio per

studiare le specie animali e vegetali, i fossili e gli adattamenti.

Molto importante fu il soggiorno alle isole Galapagos.

Osservo che alcune specie di fringuelli erano poco diverse tra di loro, con solo il becco

diverso, e ogni isolotto aveva una specie più frequente. Le specie però erano molto simili

anche a quelle osservate sulla costa meridionale, da cui ipotizza fossero partite. La

selezione naturale faceva si che sopravvivessero maggiormente e si riproducessero gli

organismi che si adattavano meglio al nuovo ambiente. Secondo questa teoria evolutiva

Darwin elabora il presupposto che i meccanismi alla base degli adattamenti a nuovi

ambienti siano responsabili dell’evoluzione.

Dopo un po' di tempo Wallace giunti alle stesse conclusioni di Darwin (lui aveva aspettato

a pubblicare le sue osservazioni perché sapeva che avrebbero suscitato clamore).

Wallace proveniva da una famiglia umile, era un autodidatta e per lavoro viaggiò in

Anatolia e in Malesia. Sfruttò questi lavori per studiare ed osservare i fossili.presentò il

primo libro nel 1858 a nome di Wallace e Darwin. L'anno dopo Darwin però pubblica il

proprio libro "origine delle specie" dove aveva riassunto i risultati di vent'anni di ricerca

per la sua teoria evolutiva :

- Tutti gli organismi viventi sono originati da un progenitore ancestrale comune vissuto in

un passato molto remoto

- La diversità della specie attualmente esistenti deriva dalle modi cazioni nella progenie

- La selezione naturale è il meccanismo che “adatta” gli organismi viventi al loro

ambiente

Aveva raccolto prove a supporto della sua teoria, è un esempio può essere la selezione

arti ciale: a partire da una pianta, a seconda di quale parte viene fatta sviluppare e, si

ottengono così delle specie diverse. (es. con le piante del cascolo provenienti dalla

mostarda selvatica, oppure le razze dei cani)

Entrando nello speci co Darwin si rende conto che:

- la variabilità è in nita;

- I caratteri vengono trasmessi dai genitori alla prole;

- la prole è molto più abbondante di quella che poi sopravvive (si riferisce a Malthus,

secondo il quale il potenziale di crescita delle popolazioni umane è superiore alla

disponibilità di risorse alimentari);

- Gli individui con caratteri ereditari con probabilità più elevate di sopravvivenza tendono

ad avere un numero maggiore di discendenti;

- questa diversa capacità di sopravvivenza e riproduzione porta un accumulo di caratteri

favorevoli e eliminazione di caratteri sfavorevoli;

- non sono gli individui che evolvono ma la popolazione

Ri ette sulla lotta per la sopravvivenza: l'individuo con probabilità maggiore di

sopravvivenza per caratteri avranno una prole più numerosa e le loro caratteristiche si

espanderanno più facilmente nella generazioni successive.questo porterà

quindi eliminazione di caratteri sfavorevoli.

Ci sono molte prove della teoria dell’evoluzione:

1. Esiste in Inghilterra una falena di colore chiaro che si mimetizza sugli

alberi di betulla.una piccola percentuale di questa popolazione sono 3

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scure, le prede degli uccelli perché non riescono a mimetizzarsi.

Con la seconda rivoluzione industriale la fuliggine rese i tronchi

scuri e divennero le falene chiare ad essere preda degli uccelli; le

falene scure aumentarono di percentuale e quelle chiare

diminuirono.

2. Le testimonianze fossili delle modi cazioni evolutive

3. L'anatomia comparata che associa alcune parti dello scheletro di un animale con una

parte medesima di un'altra animale che svolge un'altra funzione

(es. alla pipistrello e braccio umano). omologia= stesse parti

ossee o muscolari che hanno le stesse origini evolutive;

omoplasia= somiglianza dovuta a una con gurazione simile in

relazione all’ambiente, ma un'origine musica diversa anche se

con un obiettivo uguale.

Il tasso di divergenza dipende dal tempo che separa le specie dal loro antenato comune

più prossimo. La teoria Darwiniana s dò la visione tradizionale di una terra di origine

recente e dell'immutabilità delle forme viventi. Le grandi novità furono i meccanismi di

selezione e l'assenza di schemi per l’evoluzione.

Il principio di one health si basa sull'integrazione di salute umana, salute ambientale e

salute animale.un meccanismo per a rontare le lotte ambientali di oggi (esempio

pandemie, cambiamenti climatici).

I virus

Dimensioni: 20-300 nm

• La parola virus signi ca veleno

• Non sono organismi viventi, hanno bisogno di una cellula per sopravvivere, per questo

• parassiti endocellulare obbligati

sono detti

Sono elementi genetici mobili; sono capaci di uscire dalla cellula infettata, spostandosi

• da una all’altra

Non hanno una membrana, il citoplasma, gli organuli

• Sono costituiti da un capside, un involucro proteico e il materiale genetico (DNA o RNA)

• Possono mutare il proprio materiale genetico

• Il primo virus che fu individuato fu quello del tabacco.poi con l'avvento del microscopio

• elettronico nel 900 ne furono osservati molti altri

Un virus può restare latente per molto tempo all'esterno di una cellula, dopo averla

infettata, assumendo così il nome di Virione.

La forma dei virus è determinata dall'organizzazione delle subunità proteiche, i

capsomeri.

Quando il virus inietta il proprio materiale genetico all'interno della cellula sfrutta la

trascrizione della cellula per produrre nuovi virus usando la propria sequenza: il materiale

genetico virale viene tradotto, trascritto per formare tante proteine di rivestimento e

replicato per formare tante copie genomiche di virus. Alla ne di questo processo escono

i virus nuovi dalla cellula e essa, spesso, muore.

Classi cazione:

1. Tipo di ospite

2. Natura del genoma 4

 fi fi fi fi ff fi fi

3. Con gurazione del genoma

4. Cosmologia di sequenza tra genomi

5. Simmetria del capside

6. Presenza o assenza di pericapside

7. Sierologia: stereotipi

Classi cazione più importante:

- Virus a DNA

• A doppia elica lineare

• A doppia elica circolare

• A singola elica

- Virus a RNA

• A singola elica lineare

Polarità positiva: hanno un RNA che non funge da messaggero, ma da stampo per

• gli mRNA

Polarità negativa: danno un RNA che funziona direttamente come messaggero

•

• A doppia elica

• Frammentato

Classi cazione di Baltimore:

- Classe 1 —> virus a DNA a doppio lamento

- Classe 2 —> virus a DNA a singolo lamento

- Classe 3 —> virus a RNA a doppio lamento

- Classe 4—> virus a RNA a singolo lamento a senso positivo

- Classe 5—> virus a RNA a singolo lamento a senso negativo

- Classe 6 —> virus a RNA a singolo lamento a senso positivo con intermedio DNA

- Classe 7—> virus a DNA a doppio lamento con intermedio RNA

Esempi di virus a DNA: virus del papilloma umano, virus erpetici, virus del vaiolo

Esempi di virus a RNA: virus del morbillo, virus della rabbia, HIV

Come può essere e ettuato l’attacco di un virus ad una cellula:

- Vengono sfruttati dal virus i recettori proteici della cellula ospite

- I virus si fondono con la membrana della cellula ospite

- Per endocitosi —> processo pericoloso che porta il virus molto in profondità della

cellula

Ciclo di un batteriofago

Un batteriofago è un virus fago (formato solo da proteine e DNA), che entra in

batteri o procarioti. È costituito da una testa proteica, da un collo elicoidale e

delle appendici proteiche, come delle zampe.

Può andare incontro a:

- Ciclo litico o lisi —> dopo aver iniettato nella cellula ospite il proprio DNA, con

all'interno enzimi particolari, il DNA della cellula ospite e viene spezzettato. La cellula

d'ora in poi lavorerà per produrre nuovi virus, usando ribosomi batterici per formare le

proteine del capside e gli RNA ribosomiali batterici per duplicare il DNA del virus.

Grazie a degli insiemi particolari alla ne del ciclo si romperà il batterio che rilascerà

così I nuovi virus

- Ciclo lisogeno o lisogenia —> dopo aver iniettato nella cellula ospite il DNA virale, esso

si integra nel DNA batterico e prende il nome di profago. Ogni volta che la cellula si

duplicherà anche il profago verrà riprodotto (ogni 20 minuti i batteri si replicano). in 5

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questo modo rimane latente nelle cellule; poi in alcune condizioni (sotto esposizione di

raggi X o UV) può uscire e intraprendere il ciclo litico.

Ciclo di un virus animale

Es. Sars cov2 (virus a RNA). Non inietta il materiale genetico, ma entra con dei recettori

proteici sulla membrana dell’ospite

oppure tramite endocitosi.

In questo caso le spicole proteiche

aderiscono con i recettori di

membrana e il virus perde il

rivestimento esterno il quale si fonde

con la membrana cellulare; quindi

viene introdotto all'interno l’RNA

virale che viene tradotto dal

macchinario della cellula ospite in

poliproteine. Vengono tradotte anche

delle informazioni del RNA che

producono un enzima capace di

tagliare questa poliproteina, utile poi a

ricostituire il virus. Da questi tagli è

generata la RNA polimerasi,

essenziale per la replicazione del

virus. Dopo aver copiato il materiale

genetico del virus, sintetizzato sullo

stampo dell’intermedio Replicativo a

polarità negativa, si creano i

messaggeri. Questi producono le

proteine strutturali necessarie, le quali

vengono accumulate sulla membrana

del reticolo endoplasmatico. Poi l’apparato del Golgi forma delle vescicole contenenti

contenenti le proteine di membrana e l'RNA prodotto. In ne avviene il rilascio del virus.

Questo è solo un ceppo dei 7 di coronavirus in grado di infettare gli umani, il coronavirus

2019 nCoV è stato il responsabile della pandemia del 2020. 6

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I restrovirus

Molto complessi

• Virus a RNA

• Hanno il capside

• Hanno un enzima particolare all’interno, ovvero la trascrittasi inversa: inverte il usso

• classico dell’informazione producendo DNA da RNA. Si crea il doppio lamento che

viene integrato nel genoma dell’ospite. Così i geni del virus vengono riprodotti insieme

al DNA della cellula ospite.

Un’esempio di retrovirus è l’HIV:

Questo virus induce l’immunode cenza acquisita.

Si lega a recettori di membrana (CD4), entra nella

cellula ospite e viene privato di rivestimento: si

integra nel genoma dell’ospite e rimane latente per

molto tempo, continuando a produrre virus.

All’interno questo virus possiede il materiale

genetico costituito da 2 molecole RNA identiche a

singolo lamento; inoltre all’interno possiede

anche la trascrittasi inversa (sintetizza DNA a

partire da RNA), una ribonucleasi che degrada

RNA e un’integrasi che consente l’integrazione

nella cellula ospite.

Dopo aver sintetizzato un tratto di DNA

complementare, l’RNA virale viene degradato, rimane quindi sto il DNA che viene

trascritto e trasformato in DNA a doppio lamento. Esso entra nel nucleo della cellula

ospite e si integra nel genoma dell’ospite rimanendo latente per molte generazioni anche.

Si assemblano virus grazie a questo meccanismo. Al momento dell’attivazione, si iniziano

a costruire i nuovi capsidi e le nuove proteine, vengono costruiti i nuovi virus che poi

avvicinandosi alla membrana dell’ospite per gemmazione escono dalla cellula.

Virus oncogeni