Riassunto esame Biologia, docente Luciani, libro consigliato Elementi di Biologia, Solomon

Sunto di biologia, docente Luciani, libro consigliato Elementi di Biologia di Solomon

Uno sguardo sulla vita

Caratteristiche di un essere vivente

• Sono composti da cellule (unicellulari o pluricellulari)
• Crescono e si sviluppano
• Regolano i propri processi metabolici
• Rispondono agli stimoli
• Si riproducono
• Si evolvono e si adattano all’ambiente

Le proteine sono molecole importanti nel determinare la struttura e la funzione delle cellule e dei tessuti.

La sistematica è il campo della biologia che studia la diversità degli organismi e le loro correlazioni evolutive. Un aspetto della sistematica è la tassonomia che studia la nomenclatura e la classificazione degli organismi.

Sistema di Linneo (sistema di nomenclatura binomiale): prima parte del nome indica il genere, la seconda parte, l’epiteto specifico, indica una particolare specie appartenente a quel genere.

• Specie (gruppo di organismi con struttura, funzione e comportamento simili)
• Genere
• Famiglia (es. felidi)
• Ordine (es. carnivori)
• Classe (es. mammiferi)
• Phylum (es. cordati)
• Regno (6 regni: batteri, archaea, protisti, piante, funghi, animali)
• Dominio (es. eucarioti)

Pool genico: geni presenti in una popolazione. La selezione naturale agisce sugli individui facenti parte di una popolazione e favorisce quegli organismi con caratteristiche tali da permettere loro di far fronte alle pressioni esercitate dall’ambiente. Tali organismi sono quelli che più probabilmente sopravvivranno e genereranno prole. Poiché questi organismi vincenti possono trasmettere la loro “ricetta” genetica per la sopravvivenza, i loro caratteri diventano quelli più frequenti nella popolazione.

Organismi autotrofi (produttori): piante, alghe e certi batteri trasformano la CO2 e H2O, con l’ausilio dell’energia luminosa, in glucosio (C6H12O6) e O2.

Organismi eterotrofi (consumatori): dipendono dai produttori per ossigeno, cibo ed energia: C6H12O6 + O2 CO2 + H2O + ATP.

Organismi decompositori: maggior parte dei batteri e funghi, ottengono il nutrimento dalla degradazione di materiali organici non viventi come rifiuti, foglie e rami morti e corpi di organismi morti.

Organizzazione della cellula

Teoria cellulare (Schleiden, Schwann, Virchow): 1) le cellule rappresentano l’unità fondamentale di funzione e organizzazione di tutti gli organismi; 2) tutte le cellule derivano da altre cellule.

Weissman: tutte le cellule viventi hanno un antenato comune.

• Micrometro (µm): misurare le cellule
• Nanometro (nm): misurare i componenti della cellula

Perché le cellule sono piccole?

Fattore critico: rapporto tra superficie (area) e volume; l’area deve essere grande rispetto al volume. Se la cellula si ingrandisce il volume aumenta in misura maggiore rispetto all’area. Al di sopra delle dimensioni critiche: 1) le molecole necessarie per la cellula non potrebbero essere trasportate all’interno alla velocità adeguata; 2) la cellula non sarebbe in grado di trasportare fuori i materiali di rifiuto; 3) le molecole una volta all’interno vengono trasportate in regioni in cui vengono modificate, essendo piccole le distanze percorse sono brevi e ciò accelera le attività cellulari.

Microscopio ottico

Microscopio ottico (o composto): 2 proprietà: ingrandimento e potere risolutivo.

Ingrandimento: rapporto tra dimensione dell’immagine vista al microscopio e dimensioni effettive dell’oggetto (massimo ingrandimento fino a 1000 volte).

Risoluzione: capacità di distinguere i più piccoli dettagli di un’immagine (distanza minima tra due punti alla quale questi possono essere distinti l’uno dall’altro). Dipende dalla qualità delle lenti e dalla lunghezza d’onda della sorgente luminosa (da 400 nm a 700 nm). Quando la lunghezza d’onda diminuisce la risoluzione aumenta.

Microscopia in campo chiaro: trasmissione di luce attraverso la cellula (i dettagli non sono visibili, c’è poco contrasto).

Microscopia in campo scuro: raggi di luce diretti lateralmente, solo la luce diffusa attraversa le lenti (la cellula appare luminosa su campo scuro).

Microscopia a contrasto di fase e a contrasto di interferenza differenziale: sfruttano differenze di intensità all’interno delle cellule. Queste differenze fanno sì che le varie regioni del citoplasma rifrangano la luce diversamente.

Microscopia a fluorescenza: utilizzata per individuare molecole specifiche all’interno delle cellule.

Microscopio confocale: immagini più nitide della microscopia a fluorescenza.

Microscopio elettronico

Microscopio elettronico: offre ingrandimenti fino a 250.000 volte.

MET (a trasmissione): si devono preparare sezioni ultrasottili.

MES (a scansione): il fascio elettronico non passa attraverso il campione. Offre un’immagine tridimensionale della superficie del campione. Dà informazioni sulla forma e sulle caratteristiche esterne del campione.

Similitudini tra MO e ME: un fascio di luce (o elettroni) viene diretto da lenti condensatrici sul campione, che viene ingrandito dalla lente dell’obiettivo e dell’oculare (nel caso del MO) o delle lenti proiettori (nel caso del MET). L’immagine MET è focalizzata su uno schermo a fluorescenza, mentre la MES viene trasmessa su uno schermo televisivo. Le lenti dei ME sono magneti che deviano il fascio elettronico.

Limitazioni ME: 1) la preparazione delle cellule per il ME le uccidono o ne alterano la struttura; 2) fornisce poche indicazioni sulle funzioni dei componenti cellulari.

Tecniche biochimiche

Frazionamento cellulare: le cellule vengono rotte e utilizzando una centrifuga viene separato il pellet (materiale più pesante) dal supernatante (particelle più leggere). Nella centrifugazione differenziale il supernatante viene ulteriormente centrifugato per permettere ai componenti cellulari di essere separati.

Cellule procariotiche (archea e batteri)

Sono più piccole delle cellule eucariotiche (circa 1/10).

Hanno due forme principali: sferica, cocchi: possono essere raggruppati in coppie (diplococchi), in lunghe catene (streptococchi) o in aggregati irregolari simili a grappoli d’uva (stafilococchi); e bastoncellare, bacilli: singoli bastoncelli o lunghe catene. Alcuni hanno forma elicoidale: spirillo (elica rigida) e spirocheta (elica flessibile); uno spirillo a forma di virgola è detto vibrione.

Il DNA (singola molecola di DNA circolare) non è racchiuso dal nucleo ma si trova in una regione limitata della cellula (area nucleare o nucleoide), non delimitata da membrana. In aggiunta al DNA genomico, nella maggior parte dei batteri una parte limitata di informazione genetica può essere presente sotto forma di plasmidi (piccole molecole di DNA circolari); essi possono replicarsi indipendentemente dal DNA genomico o integrarsi in esso.

Come le cellule eucariotiche, anche le cellule procariotiche posseggono la membrana plasmatica, che divide l’interno della cellula dall’esterno; possono inoltre possedere una parete cellulare che racchiude l’intera cellula, compresa la membrana plasmatica, costituita da peptidoglicano. Nel 1888 Gram mise a punto la colorazione di Gram: i batteri che assorbono e mantengono la colorazione violetto sono classificati come gram-positivi, mentre quelli che la perdono in seguito al trattamento sono gram-negativi. La parete dei gram-positivi è molto spessa ed è formata principalmente da peptidoglicani, mentre quelle dei gram-negativi è composta da due strati: una sottile parete di peptidoglicani e una spessa membrana esterna. La differenza tra batteri gram-positivi e gram-negativi è di grande importanza nel trattamento di alcune malattie.

Alcune specie di batteri producono una capsula, un sottile strato che circonda la parete cellulare, utile per proteggerli dalla fagocitosi (ad es. dei globuli bianchi). Alcuni batteri posseggono centinaia di pili (appendici pilifere) che li aiutano ad aderire tra loro o a certe superfici e sono utili per la riproduzione sessuata.

Molti procarioti posseggono flagelli, lunghe fibre che si protendono dalla superficie cellulare, utilizzati come propulsori, fondamentali per la locomozione. Il flagello procariotico è formato da un corpo basale (motore), un uncino e un filamento singolo.

Le cellule procariotiche sono prive di nucleo, mitocondri, cloroplasti, reticolo endoplasmatico, complesso di Golgi e lisosomi. Contengono piccoli ribosomi (70s), complessi di RNA e proteine in grado di sintetizzare polipeptidi. In alcuni sono presenti ripiegamenti della membrana plasmatica (mesosomi).

I procarioti si riproducono asessualmente per scissione binaria, un processo mediante il quale una cellula si divide in due cellule figlie simili (durata: meno di 20 min!!). Essi possono riprodursi anche per gemmazione o per frammentazione. Riproduzione sessuata (scambio di materiale genetico): 3 meccanismi diversi: 1) trasformazione (i batteri acquisiscono materiale genetico dall’esterno, proveniente da un batterio morto), 2) trasduzione (un fago trasferisce il DNA batterico da un batterio a un altro), 3) coniugazione (un batterio donatore trasferisce DNA plasmidico a un batterio ricevente attraverso i pili).

Quando l’ambiente diventa sfavorevole molte specie diventano dormienti, altre formano cellule dormienti estremamente durevoli: endospore. Esse possono sopravvivere in ambienti molto secchi, caldi o ghiacciati, o quando il cibo è scarso.

Molti tipi di batteri che vivono in ambienti acquosi formano dense pellicole: biofilm, che aderiscono a superfici solide.

In base alla modalità di ottenimento dei nutrienti, i procarioti sono classificati come: eterotrofi (ricavano atomi di carbonio dai composti organici di altri organismi) o autotrofi (producono le loro molecole organiche utilizzando come fonte di carbonio l’anidride carbonica; sono in grado di organizzare la materia; si nutrono di sostanze inorganiche).

In base alla modalità di cattura dell’energia i procarioti sono classificati come: chemiotrofi (ottengono energia dai composti chimici), fototrofi (catturano l’energia luminosa). Quando si considerano sia la fonte di carbonio sia la fonte di energia i procarioti possono essere suddivisi in 4 gruppi: chemioeterotrofi (la maggior parte; dipendono dalle molecole organiche sia per il carbonio che per l’energia; molti di loro sono decompositori che si nutrono di materia organica morta; alcuni sono patogeni e ricavano nutrimento dagli organismi che infettano e danneggiano gli ospiti causando malattie), fotoeterotrofi (ottengono il carbonio da altri organismi ma catturano l’energia luminosa), fotoautotrofi (es. i cianobatteri; utilizzano l’energia luminosa per sintetizzare i composti organici), chemioautotrofi (utilizzano l’anidride carbonica come fonte di carbonio ma non utilizzano la luce solare come fonte di energia, essi ottengono l’energia attraverso l’ossidazione di composti inorganici).

La maggior parte dei batteri hanno un metabolismo aerobico in quanto richiedono ossigeno per la respirazione cellulare. Molti batteri sono anaerobi facoltativi, cioè possono usare l’ossigeno per la respirazione se è disponibile, ma conducono il metabolismo anaerobicamente se necessario. Altri sono anaerobi obbligati e possono sostenere un metabolismo energetico solo anaerobicamente.

Gli ARCHAEA vivono in ambienti estremi che si ritiene siano simili alle condizioni della Terra primordiale. Tre tipi di archeobatteri: metanogeni (vivono in ambienti privi di ossigeno, comunemente presenti nel tratto digerente dell’uomo, caratterizzati dalla produzione di metano a partire da composti carboniosi), alofili estremi (vivono in soluzioni sature di sali, come le acque saline del Mar Morto, utilizzano la respirazione aerobica per produrre ATP), termofili estremi (crescono in ambienti caldi 45-110°C e talvolta acidi).

I procarioti interagiscono con gli altri organismi tramite la simbiosi. 3 forme di simbiosi: mutualismo (entrambi i partner traggono beneficio), commensalismo (uno dei partner trae beneficio mentre l’altro non è né danneggiato né avvantaggiato), parassitismo (uno dei partner trae beneficio a scapito dell’altro).

Cellule eucariotiche

Presenza di organelli delimitati da membrana e di nucleo che contiene DNA.

Possono essere unicellulari o pluricellulari (negli organismi pluricellulari le cellule si specializzano differenziandosi).

• Porzione di protoplasma al di fuori del nucleo: citoplasma (matrice colloidale e acquosa)
• Porzione di protoplasma interna al nucleo: nucleoplasma
• Componente fluida del citoplasma: citosol

Posseggono un citoscheletro, importante per il mantenimento della forma della cellula e per il trasporto di materiale al suo interno.

Organuli che si trovano solo in certi tipi di cellule: cloroplasti (piante e alghe), parete cellulare (batteri, funghi, piante), vacuolo (piante).

Le membrane cellulari suddividono le cellule in compartimenti. Vantaggi: 1) fanno sì che alcune attività cellulari siano localizzate all’interno di una regione specifica; 2) tengono alcuni composti particolarmente reattivi separati dalle altre parti della cellula che potrebbero da questi essere danneggiate; 3) fanno sì che possano avvenire contemporaneamente attività diverse; 4) permettono di immagazzinare energia.

Esistono numerose membrane considerate come facenti parte del sistema di membrane interne detto sistema di endomembrane. Alcuni organuli hanno connessioni dirette tra le loro membrane ed i diversi compartimenti; altri trasportano materiale all’interno di vescicole, piccole sacche circondate da membrana che si formano per gemmazione della membrana di un altro organulo.

Il nucleo (5 µm visibile al microscopio ottico). L’involucro nucleare è costituito da due membrane separate che ad intervalli si fondono formando pori nucleari, che regolano il passaggio di materiali tra nucleoplasma e citoplasma. Una rete fibrosa detta lamina nucleare forma il rivestimento int