La materia vivente e le macromolecole

Bios: vita

Logos: parola, discorso.

La vita sulla terra è nata circa 4 miliardi di anni fa. L’uomo moderno è comparso “solo” 500.000 anni fa. L’homo sapiens.

Quando si parla di organismi viventi bisogna dire che molto probabilmente tutte le forme di vita che conosciamo oggi si sono evolute da un’unica forma di vita.

Si può fare una prima distinzione tra Bacteria, Archaea e Eukarya.

4x organismi. Organismi eucarioti. Procarioti.

Biologia e discipline specialistiche

Vi sono diverse discipline specialistiche della biologia, tra cui:

• Anatomia
• Biologia molecolare
• Botanica
• Citologia
• Embriologia
• Genetica
• Fisiologia
• Microbiologia
• Zoologia
• Paleontologia
• Ecc...

Ci sono tantissime forme di vita, anche completamente diverse tra di loro, diffuse in tutta la terra. Tutte queste forme di vita hanno però qualcosa in comune, tra cui alcune caratteristiche.

Caratteristiche generali della materia vivente

4 concetti e caratteristiche fondamentali:

• Complessità
• Capacità di accrescimento
• Capacità di riprodursi
• Adattamento all’ambiente

La complessità

Qualunque forma di vita ha una complessità nella:

• Forma
• Composizione chimica
• Struttura molecolare

Queste caratteristiche sono definite in modo specifico nel caso degli organismi viventi, e sono dunque specifiche a seconda del tipo di organismo preso in esame. Inoltre queste caratteristiche si ripetono in tutti gli individui facenti parte della stessa specie.

Ogni organismo è tale perché dotato di un programma complesso, il genoma. Infatti tutte queste informazioni specifiche e proprie di ogni organismo, sulla sua struttura e sul suo funzionamento, sono contenute nel genoma che ha come unità di base il gene.

Genoma e gene non sono sinonimi!!!

Genoma: è il DNA, acido desossiribonucleico.

Gene: è una porzione di DNA.

Capacità di accrescimento

Tutti gli organismi viventi crescono e si sviluppano.

• Crescita: aumento della dimensione e del numero delle cellule di un organismo, nel caso di organismi pluricellulari. La crescita continua durante tutta la vita, es. gli alberi, oppure per un periodo di tempo limitato fino al raggiungimento dell’età adulta, es. animali.
• Sviluppo: comprende tutti i cambiamenti che avvengono durante la vita di un organismo. Questi cambiamenti determinano la formazione di strutture “adatte” alle funzioni che l’organismo dovrà svolgere.

Gli organismi per potersi accrescere e sviluppare hanno bisogno di energia, proveniente dall’ambiente circostante, e di trasformare quest’ultima per potersi mantenere in vita.

Si tratta dunque di sistemi aperti dal punto di vista termodinamico.

Riescono a trasformare l’energia da una forma all’altra. Infatti avvengono una serie di reazioni chimiche che prendono il nome di metabolismo cellulare.

Gli organismi viventi utilizzano principalmente due forme di energia:

• Luminosa - organismi fototrofi, che sono autotrofi
• Chimica - organismi chemiotrofi, che sono eterotrofi

L’uomo è un organismo chemiotrofo ma necessita comunque dell’esistenza degli organismi fototrofi, come le piante.

Gli autotrofi, fototrofi, sono in grado di sintetizzare le proprie molecole organiche a partire da sostanze inorganiche, come la CO2, H20, etc., utilizzando energia non derivante da fonti metaboliche.

Gli eterotrofi, chemiotrofi, invece non sono in grado di sintetizzare il proprio nutrimento in maniera autonoma a partire da molecole semplici. Quindi per sopravvivere essi devono usare composti organici già “pre - sintetizzati” da organismi autotrofi, es. le piante.

Alcuni organismi autotrofi fototrofi:

• Piante in grado di attuare fotosintesi

Alcuni organismi eterotrofi chemiotrofi:

• Uomo
• Animali in generale
• Protozoi
• Funghi
• Maggior parte dei batteri

La vita sulla terra è strettamente dipendente dall’energia solare.

Commento immagine...

La respirazione cellulare è un processo fondamentale che avviene all’interno della cellula. In particolare avviene in un organello cellulare specifico, ovvero il mitocondrio.

La respirazione cellulare consiste nella demolizione delle molecole organiche complesse dall’ambiente per ricavare energia e liberare CO2 e H20.

Questa energia ricavata serve per svolgere tutti quei processi che avvengono nella cellula e che richiedono energia, es. la sintesi di molecole che andranno a costituire le strutture cellulari, la divisione cellulare, il movimento del corpo in generale, ecc...

Le cellule sono delle strutture dinamiche che dunque richiedono continuamente energia attraverso l’assunzione di nutrienti.

L’energia, una volta prelevata dall’ambiente, subisce una serie di trasformazioni, catalizzate da enzimi specifici che nel loro insieme costituiscono il metabolismo energetico.

Gli enzimi sono definiti catalizzatori biologici in quanto intervenendo nelle reazioni chimiche, che prendono il nome di metabolismo energetico, in genere redox, riescono ad accelerare lo svolgimento della reazione stessa.

Dal punto di vista molecolare invece gli enzimi sono delle proteine.

Questa energia che si libera durante le reazioni chimiche si presenta sotto forma di una molecola, ATP, nucleotide, sempre pronta all’uso.

Nucleotide: molecola di base.

La struttura dell’ATP, adenosin tri fosfato:

• Zucchero a 5 atomi di carbonio, pentoso —> ribosio
• Una base azotata —> adenina
• 3 gruppi fosfato

Nucleoside. Adenosina.

L’ATP contiene l’energia che poi può essere utilizzata all’interno della cellula. In particolare l’energia è contenuta nei legami che collegano i gruppi fosfato al resto della molecola.

Nel momento in cui è necessaria energia all’interno della cellula può avvenire la reazione di idrolisi dell’ATP. Ciò significa che uno dei 3 gruppi fosfato viene liberato e l’ATP, perdendo un gruppo fosfato, diventa ADP + fosfato inorganico.

Quindi con la rottura di un legame chimico si libera energia.

Questo “pacchetto” di energia è unico. Se per i processi cellulari questa energia risulta “in eccesso” rispetto al fabbisogno energetico della cellula, allora l’energia viene liberata e dissipata sotto forma di calore.

Inserisci immagine ciclo dell’ATP con scritta e fotosintesi catabolismo, figura 17.9.

Metabolismo, anabolismo e catabolismo

Metabolismo o anabolismo, catabolismo. Costruzione, scissione.

• Metabolismo: insieme totale delle reazioni chimiche.
• Catabolismo, sottogruppo del metabolismo: l’insieme delle reazioni e dei processi metabolici con i quali l’organismo scinde le molecole organiche complesse in molecole più semplici, con conseguente liberazione di energia.
• Anabolismo: costruzione e sintesi di nuove molecole complesse a partire da molecole più semplici.

Inserisci Figura 3.16.

Zucchero + base azotata = nucleoside.

Ribosio + adenina = adenosina.

Adenosina + 1 gruppo fosfato = adenosina mono fosfato, AMP.

Adenosina + 2 gruppi fosfato = adenosina di fosfato, ADP.

Adenosina + 3 gruppi fosfato = adenosina tri fosfato, ATP.

Nucleotide: un nucleotide è un nucleoside fosfato, dunque nel caso dell’ATP il nucleotide è formato dall’intera molecola dell’ATP e quindi da nucleoside + tre gruppi fosfato.

Nucleoside: zucchero + base azotata.

Le cellule animali hanno bisogno di assumere molecole complesse dall’ambiente circostante, come:

• Glucidi, che poi vengono trasformati in glucosio
• Proteine, scisse in amminoacidi
• Acidi grassi

La respirazione cellulare e la fosforilazione ossidativa avvengono nei mitocondri della cellula.

Il catabolismo di queste sostanze, combustibile, è una ossidazione che quindi avviene in presenza di ossigeno.

Capacità di riprodursi

Tutti gli esseri viventi generano organismi simili a se stessi. Dunque ogni organismo deriva dalla riproduzione di un altro organismo, così come ogni cellula deriva dalla “riproduzione” di un’altra cellula.

A seconda del tipo di organismo la riproduzione può essere:

• Asessuata: senza produzione di cellule sessuali. Quindi la cellula figlia sarà perfettamente identica alla cellula madre, stesso pool genetico, eccetto mutazioni.
• Sessuata: delle cellule specializzate, cellula uovo e spermatozoo, si fondono per dare origine allo zigote che svilupperà un nuovo organismo.

Dunque i geni provenienti dalla via materna e paterna interagiscono e tutto ciò determina la variabilità genetica.

L’esperimento di Redi

Nel suo esperimento Redi pose dei pezzi di carne in recipienti aperti o muniti di coperchio e dimostrò che la generazione di larve e mosche, fino ad allora definita spontanea, era possibile solo nei recipienti tenuti aperti in cui le mosche avevano depositato le uova.

Dunque Redi dimostrò che le larve presenti nella carne in decomposizione non si generano spontaneamente, ma derivano dalle uova deposte sulla carne dalle mosche.

L’esperimento di Pasteur

La teoria della generazione spontanea venne però accantonata solo nel XIX secolo grazie agli esperimenti del microbiologo Louis Pasteur.

Lui dimostrò una volta per tutte che i microorganismi originano esclusivamente da altri microorganismi e che in ambiente sterile non si può avere alcuna generazione spontanea di esseri viventi.

Adattamento all’ambiente

Le specie e gli organismi viventi si adattano all’ambiente in cui vivono e in risposta ai cambiamenti.

L’adattamento non comporta dei cambiamenti nel singolo individuo bensì nella popolazione.

Tutti gli organismi viventi sono diversi tra di loro ma “adattati” all’ambiente in cui vivono.

Per evoluzione si intende proprio un lento processo di modificazione delle forme, delle strutture e delle funzioni degli organismi viventi nel tempo.

Charles Darwin propose il meccanismo della selezione naturale.

Secondo questo processo quando all’interno di una popolazione appaiono individui con caratteristiche particolari e questi riescono a sopravvivere e a riprodursi, mentre altri con caratteristiche diverse vengono eliminati, e se queste caratteristiche sono particolarmente utili per l’ambiente in cui l’individuo vive, ecco che l’individuo è avvantaggiato rispetto agli altri e quindi sopravviverà e lentamente si modificherà.

L’informazione genetica è alla base della diversità e fornisce la “materia prima” per l’evoluzione.

La variabilità genetica tra individui della stessa specie risulta dunque necessaria alla selezione naturale e all’evoluzione.

La riproduzione sessuata è il meccanismo che genera variabilità genetica.

La teoria dell’evoluzione attraverso la selezione naturale consente di conciliare due osservazioni opposte:

• Grande diversità tra le varie specie
• Somiglianza strutturale e funzionale che caratterizza tutti gli esseri viventi

Le strutture omologhe sono strutture anatomiche che si sono evolute in specie diverse dove svolgono funzioni diverse, ma che, conservate bene, hanno le stesse caratteristiche morfologiche.

Tutto ciò si può spiegare solo con l’evoluzione.

Es. tetrapode ancestrale...

Prima di Darwin però c’era la teoria di Lamarck. Lui non parlava di evoluzione.

Secondo lui forme più complesse di vita si originavano da forme più semplici tramite una progressione regolata da due principi:

• Gli organi degli animali diventano più o meno sviluppati in seguito all’uso o disuso che l’animale ne fa;
• Questi cambiamenti possono essere trasmessi ai figli.

Classificazione degli organismi

Parlare di classificazione degli organismi significa parlare anche di tassonomia.

Classificare significa raggruppare secondo il criterio delle affinità e delle somiglianze, non solo dalle caratteristiche esteriori.

La tassonomia, dal greco tonis = ordine, studia la nomenclatura e la classificazione degli organismi. Linneo, Carl Linnaeus.

La nomenclatura secondo Linneo:

• Primo sistema di classificazione naturale
• Nel Systema Naturae sono descritte 4400 specie di animali
• Le categorie sistematiche
• La specie è la categoria fondamentale ed è l’insieme di tutti gli individui con caratteristiche simili che, accoppiandosi, generano figli simili ai genitori e fecondi, cioè capaci di generare figli.
• Il genere raggruppa specie simili tra di loro, es. cane e lupo appartengono a specie diverse ma allo stesso genere, che è il Canis.
• La famiglia raggruppa generi simili tra di loro, es. volpe, cane e lupo vengono raggruppati nella famiglia dei cánidi. La volpe appartiene ad un altro genere mentre cane e lupo alla stessa specie??
• L’ordine raggruppa più famiglie simili tra di loro, es. cane e leone vengono raggruppati entrambi nell’ordine dei carnivori.
• La classe raggruppa ordini simili tra loro. Ad esempio gli animali che partoriscono possiedono le mammelle per allattare, la pelle coperta di peli e sono raggruppati nella classe dei mammiferi.
• Il Phylum o tipo raggruppa diverse classi simili.
• Il Regno è la categoria sistematica più ampia e comprende più phyla.

Regni di classificazione degli esseri viventi.

Classificazione di Whittacker del 1969: eucarioti, procarioti.

Nei procarioti il DNA non si trova in un’area delimitata come invece accade negli eucarioti.

Più tardi nel 1977 Woese propose un altro tipo di classificazione.

Eucarioti.

Classificazione della specie umana

Alcuni accorgimenti...

Il genere e la specie si scrivono sempre in corsivo.

Il genere si indica sempre con la lettera maiuscola, mentre la specie sempre con la lettera minuscola.

I livelli di organizzazione della vita

Si parte dagli atomi.

Atomi uniti tra di loro costituiscono le molecole.

Molecole più complesse formano le macromolecole biologiche, DNA, proteine, ecc...

Più macromolecole biologiche messe insieme costituiscono le cellule. Queste ultime possono essere singole, organismi unicellulari, o associate tra di loro a formare tessuti, organismi pluricellulari.

Tessuti diversi possono essere assemblati insieme a formare organi.

Organi diversi formano apparati e gli apparati costituiscono l’organismo completo.

Dagli atomi agli organismi.

• Gli atomi sono composti da particelle subatomiche.

La teoria cellulare

Una cellula è l’unità fondamentale della materia vivente che ne possiede tutte le proprietà fondamentali.

Il termine cellula fu proposto da Hooke, un fisico che con un microscopio, anche se molto lontano da quello che oggi definiamo.