Biologia, semestre filtro

Unità 1

Basi dell’organizzazione biologica e molecolare della vita .

Gli organismi viventi, rappresentano l’obiettivo di studio della Biologia , termine

coniato tra due naturalisti francesi , ad indicare una scienza della vita che si propone di

studiare le fondamentali proprietà uniche della “vita” e che dunque si manifestano in tutti

gli organismi viventi . In realtà non semplice dare una de nizione esaustiva del concetto

di vita, ma di fatto essa si esprime in tutti gli individui costituiti da un organizzazione

cellulare , capaci di crescere e svilupparsi ( dunque implicazione di reazione chimiche

che la cellula usa per accrescere e dividersi ) , di riprodursi (capacità di trasmissione

dell’informazione genetica che caratterizza i singoli organismi) , di metabolizzare , di

cambiare e perpetuare variazioni ( ex : omeostasi ) e quindi di un adattamento evolutivo .

Parlando di evoluzione , tale concetto è da intendere come accumulo di cambiamenti

ereditabili all’interno di una popolazione nel corso del tempo e di numerose generazioni,

questi cambiamenti possono essere così modesti da essere dif cili da individuare o così

macroscopici che la popolazione differisce enormemente da quella ancestrale. Benché il

nome di Darwin venga normalmente associato all’evoluzione, alcuni concetti in merito

all’evoluzione risalgono a molti secoli prima di Darwin. Aristotele (384-322 a.C.)

riconobbe l’evidenza di af nità naturali tra gli organismi. Questo lo condusse a

classi care tutti gli esseri viventi a lui noti in una “Scala della Natura”, che andava dagli

organismi estremamente semplici ai più complessi. Concettualmente, immaginava gli

organismi viventi come esseri imperfetti “che tendevano a raggiungere uno stato di

maggior perfezione”. Questo concetto è stato interpretato da alcuni storici del pensiero

scienti co come il precursore della teoria dell’evoluzione, benché Aristotele fosse vago

sulla natura di questo “movimento verso la perfezione” e per certo non propose che il

processo evolutivo fosse guidato dalla selezione naturale. Inoltre, la moderna teoria

evolutiva ora ammette che l’evoluzione non spinge al raggiungimento di stati di maggior

perfezione, e neanche necessariamente verso una maggiore complessità.

In seguito, fu il naturalista francese de Lamark a proporre un meccanismo evolutivo

alquanto differente da quello proposto in seguito da Darwin, il quale sosteneva che un

cambiamento ambientale poteva determinare un’alterazione nel comportamento di un

organismo, che cominciava a usare di più alcuni organi o parti del corpo e di meno altri.

Attraverso varie generazioni, un dato organo (o parte del corpo) sarebbe aumentato di

dimensioni se usato molto, oppure si sarebbe rimpicciolito e sarebbe eventualmente

sparito se usato poco.piuttosto che dell’intervento divino. Per quanto riguarda invece la

teoria darwiniana , slla base della sua teoria vi era la convinzione che tutte le specie

attuali derivassero da specie più antiche in seguito a un processo di graduale divergenza

o evoluzione, dunque in poche parole: la separazione della linea evolutiva

(convergenza evolutiva).Così, organismi che sono radicalmente diversi, sono

imparentati lontanamente gli uni agli altri e sono legati, attraverso numerosi antenati

intermedi, no a un unico progenitore comune. Ipotizzò quindi che le modi che di

alcune caratteristiche dei viventi si mantengono e si diffondono , trasmettendosi nel 1

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corso di molte generazioni , perché capaci di permettere maggiore sopravvivenza e

miglior successo riproduttivo con prole più fertile e numerosa . L ambiente è dunque

rappresentato come strumento e mezzo per indirizzare lo sviluppo delle popolazioni:

infatti esso seleziona positivamente gli organismi che, in un dato momento si sono

adattati per la sopravvivenza, favorendoli con caratteristiche ereditatili che permettono

loro di far fronte alle pressioni evolutive esercitate dall’ambiente stesso .

Ma, Darwin non fu in grado di spiegare come questo si veri casse o perché gli

individui variassero all’interno di una popolazione. Negli anni fra il 1930 e il 1940, i

biologi unirono i princìpi della genetica ( Mendel ) con la teoria di Darwin sulla selezione

naturale così da sviluppare una spiegazione uni cata dell’evoluzione, nota come neo-

darwinismo, o sintesi moderna o teoria sintetica dell’evoluzione. La teoria sintetica

spiega l’osservazione fatta da Darwin sulla variazione tra la prole in termini di mutazioni o

cambiamenti nel DNA, come le sostituzioni di nucleotidi. In altre parole, la mutazione

fornisce la variabilità genetica su cui la selezione naturale agisce nel corso della

evoluzione.

Dall integrazione di varie discipline è stato suggerito poi il modello One Healt :

approccio integrato ed uni cante che mira a bilanciare ed a ottimizzare in modo

sostenibile la salute di persone animali ed ecosistemi. Tale modello riconosce e si basa

sul fatto che la salute umana , degli animali , delle piante e dell’ambiente in generale

sono indissolubilmente legate tra loro e quindi interconnesse , chiarissimo esempio è

stato dimostrato dalla pandemia di covid-19, con essa infatti è stato ravvisato come la

trasmissione di patogeni da animale all’uomo ha avuto un impatto signi cativo sulla

salute pubblica globale

L’evoluzione dunque si basa su 2 fattori :

- il cambiamento di caratteristiche preesistenti , da cui una notevole variabilità degli

individui all’interno di una popolazione

- le forze della natura, complessivamente de nite come selezione naturale .

Come dicevamo precedentemente gli organismi de niti viventi, nonostante si

differenzino tra di loro per complessità, sono accomunati da un comune substrato per

tutte le reazioni basilari biochimiche, ma anche dall’unitarietà strutturale in quanto

costituiti da cellule. La cellula è l unità biologica fondamentale per la vita , difatti è la più

piccola unità in grado di svolgere da sola tutte le attività vitali . Le cellule vennero

individuate per la prima volta (1665) nella storia dal monaco Hooke , che le de nì così

per via delle celle , in riferimento ai loro dormitori . Con il passare del tempo si venne a

formare quello che viene identi cato come il concetto uni cante della biologia : teoria

cellulare , la quale stabilisce che :

cellula è la più piccola unità vivente , nonchè unità base degli organismi viventi

-la

- tutti gli organismi sono costituiti da cellule

- ogni cellula deriva da una preesistente (hanno tutte un antenato comune), ciò è

suggerito dalla somiglianza delle loro strutture e tra le molecole che le costituiscono

Dunque se la cellula è l’unità biologica fondamentale per la vita, ne deduciamo che

essa stessa da sola possiede le proprietà di un essere vivente , ovvero : 2

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- Autoconservazione : mantenimento della sua complessa organizzazione grazie a

trasformazioni energetiche

- Autoreplicazione : produzione di copie di se stessa

- omeostasi ( autoregolazione ): controllo delle reazioni biologiche che avvengono

al suo interno, per poter mantenere in equilibrio l’ambiente intra ed extra-cellulare

- adattamento evolutivo : congruità con la funzione e con l’ambiente

Nonostante le cellule si accomunano tra loro sotto il pro lo chimico : sono infatti

composte dagli stessi tipi di molecole che partecipano agli stessi tipi di reazioni in

quanto svolgono funzioni di base, con lo stesso tipo di macchinario funzionale , esse

assumono le forme più svariate ————- forma elude la funzione (sono strettamente

interconnesse ).

La distinzione che sicuramente le marca macro e microscopicamente sarà il loro

dominio di appartenenza . Per studiare la vita difatti si necessitano di un sistema per

organizzare , classi care e assegnare un nome alle sue molteplici forme. La sistematica è

ilc ampio della biologia che studia la diversità degli organismi e le loro correlazioni

evolutive. La tassonomia, la quale rientra nel campo della sistematica , studia e si occupa

di studiare la nomenclatura e la classi cazione degli organismi per : Dominio - Regno -

phylum-classe -ordine -famiglia -genere e specie . Tuttavia tale classi cazione risulta

obsoleta ed arbitraria poiché soggetta a continue modi cazioni ed aggiornamenti , si

pensi ad esempio ai grandi passi compiuti con l’avvento della sistematica molecolare,

perciò l’unica vera categoria sistematica e che dunque gode di oggettività è stata

identi cata con la categoria di specie : gruppo di organismi simili con struttura, funzione

e comportamento simili, capace di generare prole fertile .

Per molti anni il regno tassonomico più alto è stato identi cato con il regno , ed

inizialmente i viventi erano divisi in due soli regni : Planteae e Animalia. Con il

progressivo accumulo di dati , la scoperta di nuove specie , ma soprattutto lo sviluppo

della microscopia elettronica il numero di regni è aumentato progressivamente , e

dunque è stato necessario e funzionale introdurre un rango superiore : i Domini.

Per comprendere la natura dei domini è necessario ricordare che gli organismi si

dividono in due categorie fondamentali sulla base di numerose differenze a livello di

organizzazione cellulare : procarioti (organismi unicellulari privi di nucleo ) , eucarioti

(organismi uni o pluricellulari le cui cellule sono dotate di nucleo e di altri organuli

membranosi) . Nell’ambito dei procarioti si distinguono tuttavia due sottogruppi che

differiscono in aspetti biochimico -strutturali, sia nei meccanismi molecolari e nelle

sequenze geniche :

Archeobatteri ( batteri estremo li, vivono in condizioni estreme, come ad esempio

all’interno di vulcani a temperatura particolarmente elevate; la loro membrana cellulare

non è costituita da acidi grassi o fosfolipidi ma da unità idrocarburiche dette unità

isoprenoidi, che sono legate fra loro da un legame etereo (difatti possiedono un gruppo

carbossilico poichè sono idrocarburi legati al glicerolo, con quel tipo di legame ), che è

molto più forte rispetto al legame estereo ed è per questo meno facile da rompere in

condizioni estreme, dunque molto + stabile. Inoltre contrariamente non possiedono un

unico tipo di RNA polimerasi, difatti come negli eucarioti il processo traduzione inizia con

la metionina , anziché con la formilmetionina come nei batteri ) 3

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Eubatteri: è costituito da organismi uni- cellulari con organizzazione strutturale della

cellula di tipo procariotico che si riproducono esclusivamente in modo asessuato

mediante scissione binaria, anche se diversi meccanismi di “parasessualità” garantiscono

lo scambio orizzontale di informazioni genetiche che ha contribuito all'origine dei tre

domini. Tuttavia i batteri possono essere classi cati in base a vari parametri tra cui

modalità nutritiva, colorazione, ambiente di vita e temperatura di proliferazione, anche se

la distinzione maggiormente evidente dal punto di vista evolutivo corrisponde proprio al

confronto delle sequenze di rRNA.

Mentre il dominio degli eucarioti comprende i quattro regni : protisti , funghi ,

piante ed animali. Nel dominio Eukaria sono inclusi tutti quegli organismi caratterizzati da

una o più cellule dotate di numerose compartimentalizzazioni membranose del

citoplasma, tra cui un involucro nucleare che racchiude il materiale genetico organizzato

quasi sempre in molteplici molecole di DNA lineare. Tra gli organuli cellulari sono

presenti, tranne rarissime eccezioni, i mitocondri, | risultato di un processo di

endosimbiosi con un antico proteobatterio, e, negli organismi fotosintetizzanti, I plastidi,

frutto dell’endosimbiosi con un cianobatterido con un'alga verde o rossa.

La pluricellulari di un individuo ne identi ca e va di pari passo con quella che è, non

solo la sua complessità, ma anche la sua estensione. Difatti come successivamente

andremmo a vedere , le cellule che caratterizzano tale dominio , sono cadauna

circondata da una membrana plasmatica, più cellule costituiscono un determinato

tessuto, maggiore sarà l’interazione e gli scambi con l’ambiente esterno. Altra

particolarità degli organismi pluricellulari corrisponde al fatto che questi sono composti

da miliardi di cellule con funzioni specializzate e che mostrano morfologia, siologia,

biochimica estremamente differenziate.

VIRUS

La loro scoperta

I virus sono stati scoperti alla ne del 1800 quando dei botanici cercavano la causa

di una malattia che colpiva piante di tabacco e conifere.

Le piante sane venivano infettate semplicemente in seguito al contatto con estratti

di piante malate.

In seguito ad una serie di esperimenti, nel 1892 il botanico russo Dmitri Ivanowsky si

accorse che gli estratti continuavano ad essere infetti anche dopo essere stati ltrati con

appositi ltri che riuscivano a trattenere qualsiasi tipo di batterio. Martinus Beijerinck, un

microbiologo olandese, provò che ciò che causava tale malattia aveva molte

caratteristiche dei viventi, ma che poteva riprodursi all'interno di cellule viventi,

denominandolo Virus, dal latino.

Un virus è un agente infettivo molto piccolo costituito da un core di acido nucleico e

dipendente per la sua sopravvivenza da un ospite vivente. Molti biologi considerano i

virus particelle non viventi (non possiedono le 7 proprietà dei viventi) in quanto non

hanno una struttura cellulare e non possono né svolgere le attività metaboliche né

riprodursi in modo autonomo.

I virus contengono gli acidi nucleici necessari per produrre copie di se stessi e si

replicano invadendo le cellule ospiti ed utilizzando i loro sistemi metabolici. Per 4

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moltiplicarsi, i virus devono quindi infettare altre cellule in cui replicarsi . Dunque proprio

per tale ragione vengono de niti parassiti endocellulari obbligati , devono quindi

sfruttare le risorse cellulari della cellula ospite che invadono .Hanno dimensioni

comprese tra i 20 e i 300 nm, anche se i virus giganti raggiungono addirittura la

dimensione di 1 μm di lunghezza per 0.5 μm di larghezza. Il virione è la particella virale

matura esterna alla cellula ospite in uno stato dormiente, presenta il core, costituito da

acido nucleico (sia a DNA che a RNA da 5000 a 100000 coppie di basi; in entrambi i casi

sia a doppio lamento che a singolo lamento) ed è proprio in base alla natura del

genoma presente nel core , che si classi cano le sei classi di virus animali : dsDNA,

ssDNA,dsRNA,ssRNA,ssRNA,ss(+) RNA, ss(-)RNA . Tale acido nucleico è circondato da un

rivestimento proteico detto capside ( che ha dunque il compito su racchiudere e

proteggere al suo interno l’acido nucleico da eventuali danni fisici o chimici,

particolarmente enzimatici ). L’insieme di capisce e dell’acido nucleico che esso racchiude

, vene denominato nucleocapside (tale struttura è tipica dei cosiddetti virus nudi ) . Il

capside è costituito da subunità proteiche dette capsomeri. Alcuni virus hanno un

involucro membranoso esterno che circonda il capside, tale involucro esterno de nito

pericpaside o envelope può contenere molecole glicproteiche e lipidiche che in parte

acquisiscono dalla cellula ospite al momento del rilascio , dopo l’infezione , e in parte

sono codi cate dal genoma virale. Per quando riguarda la morfologia dei virus,

determinata dal tipo di organizzazione dei loro componenti, generalmente è limitata a

pochi tipi di organizzazione basilare:

- poliedrica (cubica ) : come ad esempio gli adenovisrus ( che sono la causa di

numerose malattie nell’uomo , tra cui infezioni alle vie respiratorie ) , appaiono di forma

sferica. I loro capsomeri sono disposti a formare triangoli equilateri, la struttura

poliedrica più comune è l’icosaedro , una struttura con 20 facce identiche ( ogni faccia

è triangolare )

- elicoidale : i virus elicoidali appaino come lunghi bastoncelli o lamenti, il loro

capisce è un cilindro cavo costituito da proteine che formano un solco, nel quale si

adatta l’acido nucleico , anch’esso in forma elicoidale.

Esiste poi un gruppo di virus a forma complessa, come ad esempio i Proxvirus, di

grandi dimensioni e di forma ovale o a mattone , e che dunque presentano una

combinazione di entrambe le forme.

Nello strato intracellulare i virus perdono la loro individualità strutturale , in quanto il

capisce ed eventuale involucro lipoproteico vengono degradati e consistono dell acido

nucleico e dei suoi prodotti che controllano i parte l’attività biosisntetica della cellula

ospite avendo come ne quelli di replicare il materiale genetico virale e di portare alla

sintesi delle proteine virali. Altri virus tuttavia , in alternativa possono inserire il loro acido

nucleico in quello della cellula ospite in tal modo , questo porterà alla formazione di un

provirus il quale si riprodurrà ogni qualvolta si duplica il materiale genetico della cellula,

in tal modo si produrranno nuovi virioni nel momento in cui si presentano delle

particolari condizioni.

Vu sono poi una particolare categoria di virus che infetta i batteri , de cit

batteriofagi o semplicemente fai , tali virus sono costituiti da una testa e talvolta provvisti

anche di una coda : 5

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-la testa , di forma e dimensioni variabili , contenente il core virale , è costituita da

unità proteiche , capsomeri , composti da più copie di un solo tipo dei proteina

- la coda , di varie dimensioni rappresentata da un cilindro proteico interno cavo ,

funge da connettore , difatti è proprio tramite la coda del fago che il genoma virale

entra nel batterio al momento dell’infezione. In alcuni casi , come ad esempio nel fago

T4 la coda è circondata da una guaina contrattile separata da