Appunti corso di Biologia generale

Corso di biologia generale

Francesca De Pascalis - Secondo semestre a.a. 2021/2022

http://bit.ly/PIRAINO31

Cos'è la biodiversità?

La biodiversità è la varietà degli organismi del pianeta. Questa varietà include:

• La loro diversità genetica;
• La loro diversità morfologica e funzionale (a livello di popolazioni e specie);
• Le differenti aggregazioni o comunità che gli organismi possono comporre.

La biodiversità fornisce beni e servizi ecosistemici:

• Assicurare la circolazione dei nutrienti;
• Regolazione della CO₂ e del clima;
• Ci sono organismi che proteggono e contribuiscono a ridurre i disturbi ambientali (alluvioni, tempeste, erosione costiera);
• Biorimediazione/degradazione di rifiuti e sostanze tossiche;
• Cibo;
• Materiali grezzi (molecole bioattive/medicine, biomateriali, cibo per allevamenti e colture).

Quante specie?

Biodiversità degli eucarioti conosciuta: 1.5-2 milioni di specie. Ogni anno vengono scoperte 17,000 nuove specie e più di 1 milione sono insetti. La biodiversità massima potenziale di eucarioti è stimata in 8.7 milioni di specie, di cui il 20-25% vive in mare.

L'importanza della tassonomia

La tassonomia è lo studio della teoria e delle regole di classificazione. Circa 2 milioni di specie sono state descritte ed identificate, e ogni anno vengono scoperte 3 specie di uccelli.

Popolazioni e specie

Una popolazione è un gruppo di organismi che coesistono in uno stesso spazio e tempo, condividendo caratteristiche o proprietà biologiche comuni ed assicurando coesione riproduttiva al gruppo.

Una specie è la più grande popolazione esistente di individui i cui membri possono incrociarsi tra loro e produrre individui fertili, ossia capaci di riprodursi a loro volta. Ogni specie deve evolvere continuamente per nuovi adattamenti per non rischiare l'estinzione (Ipotesi della regina rossa). L'interazione con l'ambiente o con altre specie genera cambiamenti reciproci.

Diversità genetica

Si riferisce alla variabilità dei geni all'interno di diversi organismi:

• Variabilità all'interno della stessa popolazione;
• Fra diverse popolazioni di una stessa specie;
• Fra diverse specie.

A cosa serve la diversità genetica? È indispensabile per la sopravvivenza. Acclimatazione (processo fisiologico dell’individuo) e adattamento (processo evolutivo delle popolazioni o delle specie).

Effetto collo di bottiglia

Quando l’ultima popolazione di una specie si riduce a pochi individui, ha perso per sempre gran parte delle caratteristiche che hanno consentito la comparsa e l’evoluzione di tale specie, si perde diversità genetica.

Estinzione e cambiamento climatico

Alla velocità più alta mai raggiunta nella storia della Terra con rischio di estinzione nel 2050.

Cause di perdita della biodiversità

• Perdita e frammentazione degli habitat;
• Invasione di specie non indigene;
• Sovrasfruttamento delle risorse;
• Inquinamento e cambiamento climatico globale.

Caratteristiche dei viventi

• Costituiti da composti chimici comuni: zuccheri, acidi grassi, acidi nucleici, aminoacidi.
• I viventi sono in prevalenza costituiti da cellule, delimitate da membrane che permettono di far avvenire processi chimici all'interno.
• Continua trasformazione della materia.
• Questo metabolismo ha lo scopo di permettere di ottenere le risorse energetiche. Estraggono energia dall'ambiente e la usano per compiere lavoro biologico.
• Contengono un'informazione genetica che utilizza un codice universale per specifiche proteine.
• Condividono caratteristiche simili e vengono trasmesse alle generazioni successive tramite la riproduzione.
• I viventi autoregolano l'ambiente interno, mantenendo condizioni che permettono la sopravvivenza e la riproduzione (omeostasi).
• Esistono all'interno di popolazioni che evolvono mediante cambiamenti di frequenze di varianti genetiche nel tempo.
• Tutti originano da una stessa forma di vita originaria. Se ci fossero state origini diverse, non troveremmo omologie nelle anatomie, modalità di sviluppo, sequenze genetiche, codice genetico e nelle molecole biologiche (Bio-omologia).
• Risalenti a circa 3.8-3.5 miliardi di anni fa, sono state trovate delle stromatoliti, alghe formate da cianobatteri che erano in grado di produrre O₂ nell’aria.

Le sostanze chimiche dei viventi

Bioelementi

I bioelementi si suddividono in:

• Macroelements (C, H, O, N) circa il 96%;
• Microelements (o oligoelementi) circa il 4% (P, S, Cl, Ca, Fe, I, Mg, Co, Mn, Se, V, Zn, Mo,...).

Sono ugualmente essenziali alla vita.

Biomolecole

• Inorganiche: composti senza carbonio;
• Organiche: composti del carbonio ad eccezione del CO₂ e CO, e di sali bicarbonato e carbonato.

Acqua

L'acqua è un elemento indispensabile per la vita, è un dipolo elettrico (ossigeno debolmente elettronegativo, idrogeno debolmente positivo - legami covalenti) che rende possibile il movimento di cellule su di essa.

Capillarità: tensione superficiale (coesione interna) + forze adesive liquido - contenitore.

Caratteristiche degli animali o metazoi

• Pluricellulari;
• Metabolismo eterotrofo o mixotrofo (coralli - eterotrofia + autotrofia);
• Ingestione del cibo (digestione extra e intracellulare);
• Motilità (in alcuni stadi del ciclo vitale);
• Presentano spermatozoi che non hanno sempre la stessa forma;
• Passaggio attraverso uno stadio di sviluppo comune: blastula;
• Collagene;
• Sistema nervoso: sensibilità chimica.

L'architettura della vita multicellulare

Ogni specie è depositaria di una enorme quantità di informazioni, raccolte nel DNA in maniera ordinata sotto forma di geni (sequenza di DNA che codificano per proteine). In ogni cellula di uno stesso individuo è presente un nucleo. In tutte le cellule si trovano sempre le stesse identiche informazioni. Tutte queste informazioni (il genoma) sono ordinatamente raccolte in geni. Le molecole di DNA sono sempre le stesse ed il linguaggio è quello del codice genetico. Il contenuto dei geni varia in relazione a come sono le triplette di nucleotidi. Tutte le cellule di un medesimo organismo pluricellulare hanno lo stesso genoma, composto dagli stessi geni, ma non tutti verranno letti.

La pluricellularità consente il differenziamento cellulare. Già nelle spugne, tra gli organismi pluricellulari più primitivi, ci sono almeno 4-5 differenti tipi di cellule. Ogni cellula utilizza i geni necessari a realizzare la propria particolare forma e struttura e per svolgere la particolare funzione.

Organismi diversi e specie diverse contengono, all’interno del loro DNA, differenze a livello dei singoli geni e delle interazioni tra diversi geni. Alcuni geni sono condivisi anche da molte specie diverse, mentre altri sono caratteristici ed esclusivi di una sola specie.

La diversità dei viventi è basata su caratteri unificanti

• Costituenti primari comuni a tutti i viventi: H, N, O, C, P, S...
• Unico programma per la biosintesi: DNA, RNA — proteine
• Unico codice genetico
• 20 aa conosciuti in natura, infinite combinazioni possibili.

Macromolecole

In ogni vivente, la macromolecola principale è la proteina (71%), seguita dai lipidi (7%), dai carboidrati (5%), acidi nucleici e sostanze inorganiche (ioni e metaboliti). La sintesi delle macromolecole avviene per condensazione e disidratazione dei vari monomeri e il processo opposto è definito demolizione per idratazione in cui vi è un rilascio di energia nell’ambiente.

Proteine

Elementi strutturali e funzionali più importanti nei sistemi viventi. Qualsiasi processo vitale dipende da questa classe di macromolecole, come la catalisi delle reazioni (enzimi), le difese immunitarie (immunoglobuline), trasporto di molecole, movimento (actina, miosina). Le proteine sono formate da amminoacidi (aa). Ciò che distingue una proteina da un’altra è il residuo aminoacidico.

In natura vi sono diverse forme di aminoacidi, sotto forma di acido o base e a seconda delle catene legate, possono essere idrofobici o idrofili. Tutti gli aa (tranne la glicina) hanno il carbonio alfa legato a 4 gruppi diversi. Il carbonio alfa è chirale (otticamente attivo). Gli aa che hanno un carbonio alfa possono esistere in due forme speculari, detti enantiomeri. Queste forme sono dette D e L. In base all’angolo di rotazione della luce al polarimetro, si possono distinguere in destrogiri (luce deviata in senso orario +) e levogiri (luce deviata in senso antiorario -).

Sintesi delle proteine

Avviene sui ribosomi. Formazione legame peptidico (di natura amminica) tra il carbossile di un aa e il gruppo amminico di un aa successivo. Il legame ammidico si forma per disidratazione (condensazione). Può essere ripetuto molte volte. La catena presenta una estremità amminica ed una carbossilica. All’interno di un peptide o di una proteina, gli aa sono per convenzione definiti residui aminoacidici:

• Residuo Aminoterminale l’aa con il gruppo NH₃⁺ libero
• Residuo Carbossiterminale quello con il gruppo COO^- libero

La sintesi di una proteina di 100 aa avviene in circa 5 secondi. È un legame forte, grazie anche al doppio legame planare che non permette la torsione.

Configurazioni CIS e TRANS

• Gruppi residui su piani opposti: TRANS (più stabile)
• Gruppi residui sullo stesso piano: CIS (instabile)

La struttura e dimensione del gruppo residuo di ciascun aa determina i diverso livello di ingombro sterico (NB: repulsione tra nuvole di elettroni degli atomi e dei legami chimici che formano una molecola per effetto di loro eccessivo avvicinamento o sovrapposizione).

Diversità di peptidi e proteine

Stessa categoria di polimeri, la differenza sta nel numero di aa:

• Peptidi: polimeri più piccoli (<5,000 Dalton) – dipeptidi, tripeptidi (2,3 aa); oligopeptidi (<10aa); polipeptidi (10-50 aa)
• Proteine: polimeri più lunghi (in media 50-2700aa) – TITINA (nel muscolo striato) contiene oltre 34,000aa, dimensioni: circa 1 micron

Il numero delle combinazioni potenziali è enorme (permutazione statistica): e.g. 100aa = 20¹⁰⁰ = 1,267¹³⁰ = oltre 11 mila miliardi…

Livelli struttura delle proteine

• 1 sequenza lineare
• 2 sequenza secondaria ad alfa elica o beta foglietto a seconda dei residui aminoacidici (legami a idrogeno nel passo dell’elica, a distanza di 4aa, tra catene adiacenti, circa 2,5 Å)
• 3 terziaria o globulare (tridimensionale) si formano altri legami a seconda dei residui aminoacidici: e.g residuo idrofobico che si dispone internamente alla molecola e i residui idrofilici sono rivolti verso la parte esterna.
• 4 quaternaria (più subunità monomeriche a struttura terziaria si uniscono): e.g. Emoglobina (4 molecole proteiche, 2 alfa e 2 beta). Patologia: Anemia falciforme: mutazione, sostituzione di un aa (glutammico (residuo idrofilico) —> valina (residuo idrofobico)) che porta alla modifica della struttura tridimensionale.

Forze per la struttura 3D

• Interazioni idrofobiche: Lo scheletro peptidico è idrofilo, quindi si formano strutture regolari (secondarie) all’interno delle proteine (strutture ala-elica e beta-foglietto). L’interno delle proteine globulari è idrofobico: per l’impacchettamento della molecola, le catene laterali idrofobiche si dispongono verso l’interno, allontanandosi dal mezzo esterno.
• Legami a idrogeno
• Interazioni elettrostatiche
• Ponti di disolfuro (-S-S-): legame covalente formato dall’unione di due cisteine. Molto stabile. Importante per la stabilizzazione intra- ed intercatene di proteine soprattutto extracellulare. E.g. Strato corneo dell’epidermide negli Amnioti (gruppo di tetrapodi che include uccelli, rettili e mammiferi).

Denaturazione di una proteina

Agenti che distruggono la struttura, abolendo la funzione. Essi non rompono il legame peptidico, ma le interazioni deboli che definiscono la struttura (e.g. Sali, pH, temperatura, riducenti). Conformazione nativa: molecola funzionalmente attiva.

Frederick Sanger (2 Nobel)

Processo di sequenziamento delle proteine. Esse vengono poste su di un gel e attratte da un campo elettrico: più la molecola è pesante, più risulta lento il movimento. Si può dunque separare e distinguere le proteine (Elettroforesi). Altro metodo per la visione e lo studio delle proteine è la Cristallografia a raggi X: determinazione struttura 3D delle proteine. Un raggio X viene rifratto da una proteina e questi venivano osservati nella loro distribuzione su di uno schermo rivelatore detto film.

Funzione delle proteine

Ogni proteina ha una o più funzioni: lega pacificamente una o più molecole. Le funzioni sono determinate dalla struttura (sequenza di aa) e dalla conseguente conformazione. La forma e la funzione delle proteine è determinata dalla specifica sequenza di aa, che a sua volta è determinata dalle info scritte sotto forma di sequenza di nucleotidi – nel DNA.

DNA

Il DNA è un polimero di nucleotidi formati da: Base azotata + zucchero pentoso + fosfato = Nucleotide. Base azotata + zucchero = Nucleoside. L'elemento variabile sono le basi azotate.

Struttura delle basi azotate

• Pirimidine: singolo anello (Citosina, Timina e Uracile) esagonale, 6 atomi (4C+2N)
• Purine: doppio anello (Adenina, Guanina) nove atomi (5C+4N) esagonale + pentagonale

La differenza tra DNA e RNA si nota nello zucchero pentoso che nel primo è deossiribosio (senza un “O” nel C), mentre nell’RNA è un ribosio (-OH nel C). I nucleotidi sono connessi da legami covalenti tra il gruppo fosfato del C5’ di un nucleotide e il gruppo ossidrilico C3’ di quello successivo, formano un legame fosfodiestere.

Lo scheletro è costituito da un’alternanza di gruppi fosforici e residui di pentosio, mentre le basi azotate sono considerate come gruppi laterali uniti allo scheletro. Le due estremità di una catena polinucleotidica sono diverse: l’estremità 5’ con un gruppo fosfato, l’estremità 3’ con zucchero finale (entrambi senza legame).

Appaiamento delle basi

L'appaiamento delle basi azotate è essenziale per la stabilità della doppia elica. A questo sono utili anche le dimensioni delle basi azotate. Infatti, una purina può solo legarsi a una pirimidina e viceversa. Le basi sono al centro della doppia elica. C-G: tre legami idrogeno. Un doppio anello (purina) + un singolo anello (pirimidina). A-T: due legami idrogeno. Un doppio anello (purina) + un singolo anello (pirimidina).

Regole di appaiamento

• Numero di legami idrogeno: 2 legami A e T; 3 legami C e G.
• Dimensione (ingombro sterico) delle basi: singolo anello C e T, doppio anello A e G.

DNA complementarità e anti-parallelismo

La doppia elica del DNA è costituita da catene polinucleotidiche complementari (secondo le regole di appaiamento delle basi) e antiparallele (con una direzione 5’-3’, l’altra con direzione 3’-5’). L’informazione genetica è contenuta in questo complesso e dipende proprio dalla variabilità delle basi azotate.

La replicazione del DNA

Ogni filamento ha un’estremità 3’ e un’estremità 5’. L’estremità 5’ è quella presenterà un gruppo fosfato terminale libero, l’estremità 3’ è quella che avrà al livello del deossiribosio, al gruppo ossidrilico al carbonio 3 libero.

Processo di replicazione

1. L’Enzima elicasi rompe la doppia elica e il risultato è la formazione di una forcella di replicazione. Entrambi i filamenti fungono da stampo per la sintesi di nuovo DNA.
2. L’enzima primasi inizia il processo di replicazione. Il primer è un piccolo pezzetto di RNA, le basi azotate che possiamo trovare presentano quindi, zucchero diverso e potrebbe esserci uracile come base azotata.
3. Un enzima chiamato DNA polimerasi (si posizionerà più o meno al centro del leading strand) andrà a creare il nuovo polimero di DNA, sintetizzando un nuovo filamento che diventerà complementare al filamento guida. La DNA polimerasi agisce solo in direzione 5’-3’ del nucleotide. I nuovi nucleotidi si legheranno al 3’ con il gruppo fosfato che è presente in posizione 5’ del nuovo nucleotide. La DNA polimerasi procede agganciando i nucleotidi e stabilisce il primo nucleotide. L’RNA primasi sintetizza il primo nucleotide del nuovo filamento. La replicazione è così detta semiconservativa.

Sintesi lungo il filamento principale: Leading Strand

La sintesi sul Leading Strand avviene in maniera continua. Sul Lagging Strand la sintesi avviene in maniera opposta, sempre in direzione 5’-3’. La DNA polimerasi troverà un orientamento non compatibile con il movimento del filamento. Essa avrà bisogno di avere diversi punti di innesco (più primer) andando ad aggiungere nucleotidi nello spazio mancante. Questi frammenti sono chiamati frammenti di Okazaki. È una crescita un po’ ritardata perché più lenta di una replicazione continua. Come nel leader strand, un’altra DNA polimerasi cambia i primer di RNA in DNA. Poi, l’enzima ligasi unisce i segmenti di DNA. L’aggiunta di nucleotidi avviene solo dall’estremità 5’.