Biologia per Infermieristica

BIOLOGIA

- Esseri viventi e batteri

- Virus, nucleo, cromatina, cromosomi, ribosomi e reticolo

- Golgi, lisosomi, mitocondri, citoscheletro, membrana e trasporto

- Giunzioni, recettori, ciclo cellulare, meiosi e mitosi

- Apoptosi, DNA e riparo

- Replicazione DNA

- Trascrizione

- Maturazione mRNA

- Traduzione

- Regolazione espressione genica

- Mutazioni

- Genetica

I SISTEMI VIVENTI

L’oggetto di studio della biologia sono i “sistemi viventi”. Le

caratteristiche degli esseri viventi, ciò che ci distingue dagli altri,

sono:

- Capacità di trasformare, produrre e usare energia. Ci

sono organismi produttori, consumatori, che usano energia

solare, glucosio, per produrre energia, che serve all’organismo

per far funzionare tutti i sistemi.

- Un organismo vivente si accresce, si sviluppa, formalmente e

di dimensione. L’accrescimento è reso possibile grazie

all’energia, all’uso di nutrienti, alla possibilità di utilizzare i

nutrienti per creare energia e utilizzarla: METABOLISMO

- Capacità di rispondere agli stimoli. Ogni organismo non è

indipendente da ciò che lo circonda. Gli stimoli possono essere:

temperatura, pressione ecc…

- Capacità di riprodursi. Per riproduzione sessuata o

asessuata, cioè con o senza scambio di materiale genetico.

Nella riproduzione asessuata una cellula si replica dividendosi

in due, formando due organismi identici fra loro. In quella

sessuata invece c’è scambio di materiale genetico, e ciò

determina il fatto che la prole abbia un mix dei due materiale

genetici.

- Capacità di autoregolarsi (OMEOSTASI), molta energia

serve per mantenere l’equilibrio dell’organismo: temperatura,

pH e molte altre condizioni.

- Capacità di adattarsi all’ambiente: l’adattamento richiede

tempo, molti cambiamenti casuali nel DNA possono rendere

l’individuo più adatto all’ambiente in cui vive

LE DIMENSIONI DELLE STRUTTURE VIVENTI

TEORIA CELLULARE

Le cellule furono osservate per la prima volta da Robert Hooke nel

1665 che studiò con un microscopio rudimentale sottili fettine di

sughero. Nel 1673 Antoine van Leewenhoek effettuò osservazioni di

cellule vive, protozoi, batteri, spermatozoi con lenti di sua

produzione. Nel 1839 Schleiden e Schwann osservarono per primi la

differenza tra tessuti animali e vegetali ed ipotizzarono che tutti gli

organismi viventi fossero costituiti da cellule. Credevano tuttavia

nella generazione spontanea. Nel 1858 Rudolph Virchow’s, affermò

che le cellule potessero originarsi solamente da cellule pre-esistenti:

“Omnis cellula e cellula”.

Si sviluppò così la teoria cellulare:

- Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule

- Le reazioni chimiche di un organismo vivente, comprese le

reazioni di liberazione dell’energia e di biosintesi, hanno luogo

dentro la cellula

- Ogni cellula ha origine da una cellula precedentemente

esistente

CELLULA

La cellula:

- È l’unità fondamentale di tutti i sistemi viventi. È l’elemento

minimo di un organismo, che può possederne una o più

- Tutte le reazioni chimiche hanno luogo dentro la cellula

- Le cellule contengono le informazioni ereditarie degli

organismi di cui fanno parte e passano dalla cellula madre a

quella figlia

- Ogni cellula proviene da un’altra cellula

- È osservabile a microscopio ottico

REQUISITI DELLA CELLULA

- MEMBRANA: la membrana lipidica serve a mantenere la

struttura della cellula e divide anche se non in maniera

completa l’interno dall’esterno

- METABOLISMO: la cellula deve trasformare sostanze

chimiche in energia e in altre sostanze utili all’accrescimento

- DNA: l’informazione da ereditare alla cellula figlia

DNA

Il nucleo di una singola cellula umana ha oltre 2 metri di DNA

ATP

Molecola energetica composta da adenosina e tre gruppi fosfato.

Viene creata con molti processi chimici nei mitocondri. È il

magazzino principale di energia, utilizzabile da molti processi. Il

metabolismo è quindi un equilibrio tra CREAZIONE e USO di

ENERGIA. Affinché avvenga il metabolismo, è necessario usare

enzimi per la catalisi delle reazioni chimiche.

La cellula, inoltre, può vivere solo in un certo range di condizioni

(temperatura, pressione, ecc…) che mantengono la funzionalità

delle macromolecole che la compongono.

A mano a mano che un corpo si accresce dimensionalmente, il suo

volume aumenta più rapidamente della sua superficie. Il rapporto

tra superficie e volume, in una cellula, deve essere elevato per

garantire un adeguato metabolismo. Per questo le cellule che

costituiscono gli organismi devono essere numerosissime e

minuscole piuttosto che poche e voluminose.

CARATTERISTICHE DI OGNI CELLULA

- Membrana cellulare

- DNA

- Citoplasma: contiene gli organuli, enzimi e sostanze chimiche

- Parete cellulare: strato rigido esterno della cellula, a

composizione chimica variabile. È presente in molti

microrganismi, in tutti i funghi e piante

PROCARIOTI vs EUCARIOTI

La vera differenza tra queste 2 macro-classi sta nella sede del DNA:

- PROCARIOTI: il DNA nei procarioti è libero nel citoplasma,

mentre…

- EUCARIOTI: il DNA negli eucarioti è all’interno del nucleo

Nel citoplasma, sia procarioti che eucarioti presentano ribosomi.

Mentre i procarioti sono poco differenziati, il differenziamento degli

eucarioti è molto esteso. I procarioti hanno lo stesso fenotipo con lo

stesso genoma, mentre gli eucarioti anche se hanno lo stesso

genoma possono essere nettamente diversi fenotipicamente.

PROCARIOTI

Si possono individuare due domini costituenti i procarioti:

- Archea: la struttura dei loro geni è più simile a quella degli

eucarioti. Vivono in ambienti estremi per calore, freddo,

acidità, basicità, salinità, alta pressione e alti livelli di

radiazioni a cui i loro genomi si sono adattati nel corso del

tempo e di cui seguono inevitabilmente il destino.

- Bacteria

I microrganismi possono essere classificati per:

- Morfologia: dimensione e forma. A sfera, cilindro, vibrioni e

spirilli

- Caratteristiche di colorazione, caratteristiche metaboliche e

antigieniche

- Sulla base dei rapporti:

Saprofiti o Commensali: microrganismi che vivono e si

o moltiplicano a contatto con l’ospite senza creare danno,

creando a volte anche un rapporto di reciproco beneficio

Patogeni: microrganismi che tendono a provocare

o malattia

Opportunisti: microrganismi normalmente innocui, ma

o in grado di provocare malattie anche gravi

I batteri si riproducono rapidamente, si possono riprodurre in giorni

o ore. Lo sfasamento sulla capacità di riproduzione implica una

maggiore capacità di evolversi. L’uomo si replica più lentamente e

quindi si evolve molto più lentamente. I batteri possono quindi

rispondere più velocemente alla richiesta di nuove esigenze.

Oltre alla forma li si possono distinguere anche in base alla loro

organizzazione:

- Diplococchi: batteri sferici associati a due a due

- Streptococchi: se sono disposti a formare una catena

- Stafilococchi: se formano un grappolo

GENOMA

Il genoma batterico è un unico filamento circolare, localizzato

nell’area nucleare o nucleoide, regione cellulare non delimitata da

membrana. In aggiunta al DNA principale i batteri possono

contenere piccole molecole di DNA circolare, dette PLASMIDI, che

codificano per enzimi catabolici, per la resistenza ad antibiotici o

legati a meccanismi per lo scambio di materiale genetico tra

organismi. L’assenza di membrana nucleare fa si che una molecola

mRNA venga tradotta nella proteina ancora procede la sua

trascrizione, avviene quindi tutto in maniera simultanea e nello

stesso luogo. Circa il 98% del genoma batterico è codificante. I geni

sono organizzati in sequenze lineari dette operoni, ogni operone è

sotto il controllo di un singolo promotore.

RICOMBINAZIONE GENETICA

La ricombinazione genetica è un processo unidirezionale mediante il

quale una porzione di materiale genetico di DNA è trasferita da un

donatore ad una cellula ricevente che la integra nel suo

cromosoma, attraverso processi di scambio di sequenze omologhe,

con acquisizione di nuove caratteristiche fenotipiche.

Lo scambio può avvenire tramite:

- Trasformazione: acquisizione di nuovi marcatori genetici

attraverso l’incorporazione di DNA esogeno. I frammenti di

DNA entrano, si appaiano e possono ricombinarsi

- Trasduzione: alcuni virus batterici possono trasferire geni

batterici da una cellula all’altra. Esiste in questo caso il CICLO

LISOGENO e il CICLO LITICO.

- Coniugazione: trasferimento diretto di materiale genetico

cromosomico attraverso un contatto fisico tra due cellule,

possibile solo se il batterio possiede particolari plasmidi, detti

“plasmidi coniugativi” che generano la sintesi del pilo sessuale

e i recettori di superficie

STRUTTURE SPECIALIZZATE DEI PROCARIOTI

La maggior parte dei procarioti ha una parete cellulare esterna

alla membrana, con funzione di sostegno e protezione, prevendone

l’esplosione per pressione osmotica. La parete cellulare è costituita

da peptidoglicano, complesso di aminozuccheri legati a brevi

polipeptidi, a formare un’unica molecola.

Esistono batteri GRAM-POSITIVI e batteri GRAM-NEGATIVI. In

entrambi, lo strato rigido formato da peptidoglicano è una sottile

lamina costituita da due derivati polisaccaridici e da un gruppo di

amminoacidi assemblati a formare unità di ripetizione, il glican-

tetrapeptide. Nei gram-positivi il peptidoglicano rappresenta il 90%

del materiale di parete. Nei gram-negativi il peptidoglicano

rappresenta il 10% del materiale di parete. Lo strato esterno è

costituito da fosfolipidi, polisaccaridi e proteine. I gram vengono

colorati in maniera diversa.

I gram positivi appaiono colorati in violetto perché il decolorante

non è riuscito a rimuovere il complesso cristalvioletto-iodio da

queste cellule. I gram-negativi sono decolorati e pertanto assumono

la colorazione del secondo colorante utilizzato; quindi, appaiono

rossi.

I gram-positivi sono idrofobici, mentre i gram-negativi sono idrofilici.

Le membrane interne sono invaginazioni della membrana

plasmatica. I flagelli e i pili sono appendici che permettono

movimento ed adesione.

STRUTTURE ACCESSORIE DEI BATTERI

- PILI: permettono ai microrganismi di aderire a superfici inerti o

di formare pellicole o strati sulla superficie di sostanze liquide.

Sono coinvolti nel processo di coniugazione batterica

(meccanismo di trasferimento genetico).

- FLAGELLI: appendici cellulari lunghe e sottili libere ad

un’estremità costituiti da una singola proteina, la flagellina,

proteina contrattile. Il flagello batterico è una struttura rigida

ed elicoidale, che si inserisce alla base della cellula e ruota a

spese del gradiente di protoni determinando il movimento

cellulare. Sono efficaci mezzi di locomozione.

La DIVISIONE di un batterio in due cellule figlie avviene mediante

SCISSIONE BINARIA, un processo che si realizza attraverso:

- L’estensione della parete

- La replicazione del materiale genetico, costituito nel caso dei

batteri da un’unica molecola cromosomica di DNA ancorata

alla membrana citoplasmatica

- La formazione del setto, punto in cui la cellula si divide

Il tempo di divisione varia a seconda dei batteri, da 20 minuti a

diverse ore.

VIRUS

I virus sono entità infettive contenenti un genoma, che può essere a

DNA o RNA, e che si replica SOLO attraverso una cellula ospite, una

cellula vivente. Utilizzano l’apparato biosintetico della cellula per

dirigere la sintesi di particelle virali (VIRIONI). Il virus riprogramma

quelle componenti metaboliche e biosintetiche preesistenti

all’interno dell’ospite. I virioni NON crescono di dimensioni e NON si

dividono, ma vengono montati per interazione di macromolecole. I

virioni NON hanno metabolismo né sistemi enzimatici per la

produzione di energia. Il virione non esplica funzioni respiratorie e

biosintetiche. Il processo attraverso cui un genoma virale si

introduce e si replica in una cellula viene chiamato infezione.

STRUTTURA DEI VIRIONI

I virioni sono composti da:

- Acido nucleico: genoma

- Capside: avvolge il genoma ed è sempre presente

- Envelope: involucro membranoso presente solo in alcuni virus

animali

I virus non sono quindi veri e propri organismi viventi ma sono

parassiti intracellulari obbligati, che per riprodursi devono

introdursi obbligatoriamente all’interno della cellula ospite.

I virus che dispongono di un genoma a RNA sono detti retrovirus

retrotrascritti

perché necessitano di essere in DNA all’interno

dell’ospite.

CAPSIDE

È il rivestimento proteico che ricopre fino al 90% il virione. Fornisce

protezione dell’acido nucleico. È importante per l’infettività.

ACIDI NUCLEICI

- RNA a singolo filamento

- DNA a singolo filamento

- RNA a doppio filamento

- DNA a doppio filamento (con le estremità saldate/con proteine

terminali legate covalentemente

- DNA circolare a singolo filamento

- DNA circolare a doppio filamento

ENZIMI DEI VIRUS

- Lisozima: enzima che produce un foro nella parete batterica

- Neuroaminidasi: rompe i legami glicosidici nelle glicoproteine

e dei glicolipidi del tessuto connettivo aiutando la liberazione

della progenie virale

- DNA polimerasi RNA dipendente (retrotrascrittasi):

retrotrascrive l’informazione genetica dell’RNA genomico in un

intermedio a RNA

- INTEGRASI: prodotto dai retrovirus e permette l’integrazione

del genoma virale in quello dell’ospite

BATTERIOFAGO

Una cellula virale che infetta un batterio, un procariote, viene

chiamata “batteriofago”.

Le fimbrie del batteriofago si legano alla parete del batterio, grazie

a degli antirecettori che riconoscono specifici siti di adesione sulla

parete cellulare. La piastra aderisce alla parete del batterio. Viene

liberato un enzima, detto lisozima, che va a ledere il peptidoglicano.

La coda si contrae ed il DNA del virus viene integrato all’interno del

DNA batterico.

Se il virus uccidesse tutti gli ospiti eliminerebbe sé stesso, e

allo stesso tempo al di fuori dell’ospite il virus è

estramemente labile. Quindi il virus attua due tipi di cicli:

- CICLO LITICO: all’inizio il DNA si replica, vengono sintetizzati

RNA e proteine virali, queste si uniscono fra loro per formare

nuovi virus. Al termine del processo, i nuovi virioni escono

dalla cellula, portandola a morte, per andare a infettare nuovi

batteri

- CICLO LISOGENO: quando il virus infetta il batterio, il suo

DNA va ad integrarsi nel DNA batterico. I virus che

intraprendono questo ciclo vengono detti “virus temperati”

perché il loro DNA si integra in quello batterico influenzando

come esso si comporta. Di conseguenza con la replicazione del

batterio, il DNA misto viene trasferito alle nuove generazioni

senza determinare danno per il batterio. Il virus, a seguito di

stimoli opportuni (raggi UV, non nutrienti, antibiotici, stress,

ecc…), si può staccare, passando dal ciclo lisogeno a quello

litico.

CICLO DI UN VIRUS ANIMALI

1. Adsorbimento del virus alla cellula

2. Ingresso nella cellula:

a. inglobamento del virione per fagocitosi

b. Fusione dell’involucro virale con la membrana cellulare

3. Liberazione del genoma virale

4. Trascrizione del genoma virale

5. Traduzione del genoma in proteine virali

6. Replicazione del genoma

7. Assemblaggio di nuovi virioni

8. Liberazione delle particelle virali

a. Lisi cellulare

b. Gemmazione

c. Esocitosi

I virus sono i più numerosi e diversificati soggetti genetici

presenti sulla Terra, possono infettare tutti e tre i domini

della vita e persino altri virus. Un virus può essere contratto:

- Nell’aria che respiriamo

- Mediante scambi di liquidi organici

- Mediante animali, come insetti

- Alimentazione

LA CELLULE EUCARIOTICA

CELLULA ANIMALE

Possiede generalmente:

- Centriolo

- Lisosomi, perossisomi

- Nucleo

- Apparato di Golgi

- Filamento del citoscheletro

- Citosol

- Reticolo endoplasmatico

- Membrana plasmatica

- Mitocondri

CELLULA VEGETALE

Possiede generalmente:

- Parete cellulare

- Cloroplasto

- Vacuolo

- Lisosomi, perossisomi

- Nucleo

- Apparato di Golgi

- Filamento del citoscheletro

- Citosol

- Reticolo endoplasmatico

- Membrana plasmatica

- Mitocondri

NUCLEO

È l’organello più grande della cellula, separato dal citoplasma

dell’involucro.

È il centro di controllo di tutte le operazioni cellulari e svolge un

ruolo cruciale nel controllo della vita della cellula e nel processo di

divisione cellulare. Il nucleo contiene il materiale genetico della

cellula. È delimitato da un involucro nucleare discontinuo che lo

separa dal citosol. Attraverso i pori nucleari passano le informazioni

dal citoplasma al nucleo e viceversa.

I pori nucleari sono siti nei quali le membrane nucleari, interna ed

esterna, si fondono a formare un’apertura circolare contenente il

complesso del poro nucleare (transito RNA e proteine). La struttura

del nucleo è mantenuta dalla LAMINA NUCLEARE struttura fibrosa di

lamine (filamenti intermedi). All’interno del nucleo si trova il

DNA, complessato con proteine e ripiegato a costituire la

CROMATINA. Prima dell’inizio della divisione cellulare la

cromatina si addensa nei cromosomi.

NUCLEOLO

È la fabbrica per la c