Appunti di Biologia generale

In oduzi e

- La biologia è cruciale per la medicina perché permette di acquisire ed interpretare informazioni relative ad

essere viventi (anche patogeni), aiuta lo sviluppo di approcci alternativi e innovativi (es. CRISP), integra

le conoscenza degli esseri viventi con le discipline adottate nella medicina (es.purificazione taxolo usato

in oncologia da Taxus brevifolia). Comprendere i processi cellulari e molecolari delle malattie è alla base

dello sviluppo di nuovi trattamenti e terapie.

- Un altro aspetto è quello dell’editing: ha permesso di decifrare il codice genetico, interpretarlo

(sequenziamento) in modo da chiarire come si sviluppavano queste malattie (individuazione dei geni

malattia) e in caso come correggerle (terapie con forbici molecolari - gene and base editing).

- Il secondo genoma (microbioma) è una parte che ancora oggi non conosciamo bene, è 100 volte più

grande del genoma umano, influenza la salute, l’immunità e il metabolismo, è inoltre di recente scoperta

che lo stato del microbioma è suscettibile per l’insorgenza di malattie (malattie neurogenerative per

squilibrio del microbioma).

- I superbatteri resistono a una grande quantità di farmaci.

- Epigenetica: esistono inoltre differenze anche tra persone che presentano la stessa mutazione. C’è una

componente che non dipende da ciò che è scritto ma da altro, come lo stile di vita e l’ambiente.

L’epigenetica è infatti il legame tra l’ambiente e le malattie. Questo ci aiuta a capire perché alcuni

individui sono più suscettibili di altri nonostante presentino la stessa mutazione.

- Cellule staminali importanti per la rigenerazione dei tessuti.

Le c a istiche gen ali di un ganismo vivente

- Crescita continua o definita, sviluppo e organizzazione precise;

- Richiesta di energia: metabolismo in grado di autoregolarsi (omeostasi: stato di equilibrio interno);

- Capacità di rispondere agli stimoli (luce, temperatura, pressione suono, sostanze chimiche);

- Riproduzione asessuata e sessuata;

- Adattamento ai cambiamenti ambientali (fisiologico, strutturale e comportamentale);

- Complessità ordinata: organizzazione precisa caratterizzata da un’organizzazione gerarchica.

Tutti i viventi hanno una grande percentuale di carbonio che possiamo considerare in giga tonnellate di

carbonio. Noi specie animale (2 giga tonnellate) rappresentiamo una parte irrisoria. Grande componente

vegetale (450), batteri (70), funghi (12), protisti (4), virus (0,2), archei (7). C’è una cosa che

contraddistingue: tutte le specie manifestano un adattamento evolutivo. Ogni specie va incontro a dei

fenomeni che permettono a quella specie di adattarsi meglio: chiave del concetto darwiniano. Siamo il

sottoprodotto di un fenomeno evolutivo continuo di adattamento all’ambiente circostante. Fino al XIX secolo

si riteneva che ogni essere vivente fosse stato creato per vivere in un determinato ambiente. Essere

immutabili nel tempo: creazionismo e fissismo. All’inizio del IX secolo comincia a farsi strada il concetto di

evoluzione: un progenitore comune da cui gli essere viventi hanno cominciato a differenziarsi. Lamarck fu il

primo scienziato a proporre una teoria evoluzionista che affermava la mutazione della specie nel corso del

tempo portando la biologia fuori dal creazionismo e fondando una dinamica della storia della natura e dei

viventi. La teoria di Lamarck sull’ereditarietà dei caratteri acquisiti basata sulle conseguenza dell’uso e del

disusi degli organi. La teoria di Darwin è invece basata sull’insorgenza casuale delle mutazioni. Queste

avrebbero determinato la presenza di caratteri a vantaggio o a svantaggio nella lotta per la sopravvivenza. I

concetti alla base della teoria darwiniana sono:

- Variabilità intraspecifica;

- Lotte per l’esistenza;

- Sopravvivenza dei più adatti;

- Selezione naturale;

- Nascita di una nuova specie (accumulo di mutazioni vantaggiose fa comparire caratteri nuovi);

- Estinzione di specie.

Ciascuna specie va incontro a variazioni casuali, le mutazioni non favorevoli vengono selezionate contro.

Questo fenomeno di selezione e adattamento può essere riprodotto, come ad esempio nel test di Ames. Viene

utilizzato per validare la mutagenicità di una sostanza. Viene preso un ceppo di batteri (in questo caso

salmonella) che normalmente è incapace di vivere senza istidina. Se lo si mette in un terreno con livelli

minimi di istidina cresce piano piano. Se viene messo a contatto con il mutageno, quest’ultimo può rendere

la crescita del ceppo indifferente alla presenza o assenza di istidina. Il mutageno può quindi modificare il

patrimonio genetico del ceppo, cambiandone la sopravvivenza.

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tr ar tt er on er or

Tutti gli organismi viventi derivano da un antenato comune: un progenitore ancestrale che è il capostipite di

tutte le specie viventi. Tutti gli esseri viventi possono essere divisi in tre domini (Bacteria - Archaea -

Eukaryota) all’interno dei quali ci sono i regni. All’interno degli eucarioti ci sono più regni distinti: funghi,

vegetali, animali, protisti. Tutti quindi abbiamo similarità con specie anche molto distanti: lo scimpanzé è

quello che ci assomiglia di più. La differenza è la distanza evolutiva dei cambiamenti: lo scimpanzé è vicino

a noi per l’identità del DNA perché il tempo trascorso dalla loro evoluzione alla nostra evoluzione è un

tempo molto breve. Noi abbiamo anche caratteristiche simili ai batteri. Possiamo determinare anche quanto

tempo è trascorso dalla separazione tra vegetali e animali. Durante tuti questi passaggi non solo mutazioni

causali vanno a impattare perché nel corso dell’evoluzione possono avvenire anche fenomeni di

trasferimento genico orizzontale: evoluzione dei primi eucarioti dotati di mitocondri. La cellula eucariote

primordiale non aveva infatti mitocondri ma è avvenuto un inglobamento di un mitocondrio da parte di una

cellula nel corso dell’evoluzione perché il mitocondrio presentava caratteristiche favorevoli.

È necessario effettuare la filogenesi, che è la descrizione della storia evolutiva nelle parentele tra gli

organismi e un albero filogenetico è un diagramma che ricostruisce questa storia. Per creare gli alberi

filogenetici si confrontano i caratteri condivisi da più specie, somiglianze e differenze. Le relazione

(filogenesi) tra gli organismi viventi sono state stabilite mediante: somiglianza nelle caratteristiche

morfologiche e nello sviluppo e analisi dei fossili (genere Homo è stato studiato proprio basandosi sui reperti

che vengono ritrovati per capire chi è stato il primo progenitore). Ciò che offre maggiore garanzia e permette

di costruire un albero filogenetico in maniera più precisa è l’analisi molecolare: si prende in considerazione

l’acido nucleico. Siccome le varie sequenze nucleotidiche sono precise, se si trovano tante differenze è

possibile già stabilire la distanza evolutiva tra due specie. La filogenesi molecolare prevede l’analisi della

parentela proveniente dall’analisi degli acidi nucleici. Le parentele/relazioni filogenetiche vengono

analizzate in modo più efficace usando le molecole che gestiscono l’informazione genetica (replicazione del

DNA) piuttosto che le molecole coinvolte nel metabolismo e nella conversione dell’energia. I geni coinvolti

nelle attività informazionali sono il migliore materiale per determinare le relazioni filogenetiche in quanto

sono altamente conservati. Sulla base di queste indagini poi sono comparse delle figure: tassonomo che si

occupa dell’identificazione delle specie definendone le caratteristiche e attribuendone un nome e il

sistematico che si occupa della valutazione dei rapporti filogenetici tra le specie in base alla descrizione del

tassonomo. La tassonomia e la sistematica sono i rami della biologia che si occupano della classificazione.

La classificazione si basa su un livello gerarchico: partono dal dominio e arrivano alla specie (dominio,

regno, phylum, classe, ordine, famiglia, genere e specie). Noi siamo abituati a definire gli esseri viventi solo

con genere e specie (Homo sapiens). Ci sono almeno tre principali criteri di definizioni di una specie:

- Criterio morfologico: criterio più antico, quello utilizzato da Linneo. Spesso risulta difficile valutarne la

similitudine.

- Criterio biologico: appartengono ad una stessa specie gli individui di una popolazione interfecondi e con

una discendenza anch’essa interfeconda. È più recente del precedente e attualmente considerato il più

sicuro, anche se non può essere applicabile a tutte le possibili specie.

- Criterio molecolare: la somiglianza tra individui è valutata in base all’analisi del genoma, metodo più

diretto e potente.

La specie rappresenta la categoria tassonomica di base: gli individui di una stessa specie sono interfecondi

ma tra specie esiste una barriera riproduttiva. Vengono solitamente descritte le specie con due nomi: il nome

del genere scritto in corsivo con la prima lettera grande e il nome che distingue la specie dalle altre, tutto

corsivo e minuscolo. Nella nomenclatura binomiale di Linneo, ogni specie animale o vegetale viene

designata da un binomio (un’espressione a due parole) in latino. La prima parola (nome generico) è

condiviso dalla specie dello stesso genere (maiuscolo), la seconda parola è un aggettivo specifico o epiteto

specifico, allude a una caratteristica distintiva. C’è stata una riclassificazione nel 2005. Le specie che noi

conosciamo solo ancora una piccola parte quindi questa classificazione in futuro potrà essere cambiata.

D inio Bact ia

I batteri sono i procarioti maggiormente diversificati e diffusi. Sono divisi in diversi sottordini (phyla) che

comprendono specie con caratteristiche diversificate in base alla morfologia e a caratteristiche molecolari.

Comprendono ad esempio cocchi, vibrioni, spirilli, spirochete, ecc. I batteri presentano una parete costituita

da peptidoglicano e possono essere distinti in base alla colazione di Gram: positivi o negativi. Si riproducono

per scissione binaria. Lo scambio di DNA però può avvenire anche per trasformazione batterica, trasduzione,

coniugazione: da questi meccanismi deriva la variabilità genetica dei batteri. Si stima che conosciamo solo lo

0,001 % di tutte le specie. I batteri tra loro sono diversi anche come dimensione: il batterio è sempre stato

considerato invisibile a occhio nudo ma ci sono batteri anche grandi un centimetro. Il microbioma

comprende tutte le popolazioni batteriche che vivono con noi.

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om er

D inio Archaea

Rappresentano microorganismi procarioti distinti dai batteri. Sono originalmente identificati in habitat con

condizioni estremi. La filogenesi e la relazione evolutive tra Archaea, Bacteria e Eukarya non sono ancora

completamente chiare: come i batteri sono procarioti unicellulari, ma presentano diverse somiglianze nei

processi genetici con gli eucarioti. Negli Archei infatti ad esempio può avvenire lo splicing.

D inio Euc ya

Presentano un nucleo ben definito, anche se non tutte le cellule sono nucleate. Gli eucarioti sono organismi

unicellulari o pluricellulari appartenenti a quattro regni distinti: regno degli animali, vegetali, funghi e

protista (raggruppano eucarioti autotrofi o eterotrofi unicellulari e alcuni pluricellulari semplici privi di

struttura tissutale). quest’ultimi rappresentano un gruppo eterogeneo e polifiletico di organismi,

comprendente tutti gli eucarioti che non sono considerati né animali né piante né funghi. Gli organismi

classificati fra i protisti non hanno molto in comune tra di loro e tale regno è in realtà una categoria

artificiosa che include gli eucarioti non inseribili in altri regni. Sulla base di studi di filogenesi molecolare si

sta cercando di abbandonare questa categoria eterogenea proponendo classificazioni più precise. Per quanto

riguarda i funghi, ad esempio il lievito è un fungo, è unicellulare ma è eucariote. Questo regno è costituito da

eucarioti eterotrofi unicellulari e pluricellulari e comprende più di 100 000 specie. Le piante sono eucarioti

autotrofi e comprendono 350 000 specie. La maggior parte delle piante sono incluse nel gruppo delle

angiosperme. Per quanto riguarda gli animali, ci sono ancora specie in ambienti estremi delle quali non

abbiamo conoscenze. Ci sono tanti phyla e quello più abbondante è quello degli artropodi. Troviamo diverse

suddivisione perché ci sono diverse forme. Caenorhabditis ha alcune morte cellulari molto simili alle nostre

cellule: sono stati creati modelli sperimentali di neurodegenerazione (Parkinson). La drosofila è stata studiato

per le prime analisi genetiche. Viene usato anche per il sonno/veglia. Il genere Octopus è stato invece usato

per analisi cognitive.

La “te ia cellul e mod na”

Tutti gli organismi viventi sono formati da cellule, le cellule rappresentano le unità fondamentali della vita,

le cellule hanno origine dalla divisione di una cellula preesistente: questa è la teoria cellula di Virchow.

1. Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule.

2. Le reazioni chimiche di un organismo hanno luogo all’interno della cellula.

3. Le cellule hanno origine da altre cellule mediante replicazione del DNA e la divisione cellulare.

4. Le cellule contengono le informazioni ereditarie e tali informazioni passano dalla cellula madre alla

cellula figlia.

5. La biologia molecolare ha poi dimostrato che in contrapposizione alla grande varietà di strutture e forme

degli organismi viventi, i processi genetici di base sono uniformi a livello cellulare.

Gli elementi chiave della cellula sono: membrana plasmatica, genoma, trasferimento di informazioni, utilizzo

di energia. All’interno della cellula ci sono sia legami covalenti forti sia legami deboli di natura diversa:

ionici, a idrogeno, forze di Van der Walls. I legami ionici giocano un ruolo importante nell’impalcatura della

cromatina: permette al DNA di impacchettarsi. Queste forze deboli servono quindi per la struttura

tridimensionale e nell’interazione tra le macromolecole.

Ma ec e bi ogiche

La cellula è composta dal 70% da acqua e il restante 30% sono i composti chimici, come ioni, piccole,

molecole, fosfolipidi, DNA, RNA, proteine e polisaccaridi. I carboidrati sono polimeri quindi si parte da uno

scheletro di base che è il monomero e questo può essere un esoso, un pentoso, un trioso. La polimerizzazione

dei monomeri avviene per condensazione e la rottura dei legami covalenti fra monomeri avviene per idrolisi.

La polimerizzazione è diversa a seconda se si prende in esame carboidrati, proteine o acidi nucleici. Può

essere una polimerizzazione di testa (il legame ad alta energia è fornito dal monomero già inserito e avviene

nel caso del proteine) o polimerizzazione di coda (il legame ad alta energia è fornito dal monomero entrante

come nel caso di DNA ed RNA). In quest’ultimo caso il monomero entrante è un nucleotide trifolato e per

essere incorporato dovrà scindere due gruppi fosfato. Nella cellula inoltre le reazioni energicamente

sfavorevoli sono accoppiate con quelle favorevoli e avviene anche nei processi di polimerizzazione stessa.

Durante la fase di incorporazione ci possono poi essere errori e il metodo di polimerizzazione utilizzato

influenza anche il modo in cui questi errori vengono corretti. Se in una molecola (polimero) ci sono errori, è

necessario eliminare tutta la molecola per eliminare l’errore, se invece la macromolecola si forma da

monomeri, il monomero che porta l’errore viene eliminato. La cellula a seconda delle macromolecole adotta

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om cr om or ol ol ar ar ol er

modelli di correzioni distinti, come ad esempio la correzione pre-sintesi: il monomero è analizzato prima di

venire incorporato nel polimero e se è errato viene sostituito. Questa situazione avviene nella sintesi proteica

ed è abbastanza efficiente. Si stima che ci sia un errore ogni 10^4 amminoacidi nel caso della sintesi

proteica. Può avvenire anche una correzione post-sintesi: il monomero viene analizzato dopo essere stato

incorporato nel polimero. Questa situazione avviene nella sintesi del DNA e si ha un errore ogni 10^9

nucleotidi aggiunti: risulta quindi più efficiente la correzione post-sintesi. Le proteine sono anch’esse

polimeri, ma di amminoacidi con caratteristici gruppi laterali e ruolo catalitico. La natura delle proteine

dipende dal tipo di amminoacidi che li costituiscono, anche le proteine come gli acidi nucleici sono dette

informazioni, in quanto per definirle non basta indicare il numero e tipo di monomeri che presentano, ma

deve essere indicata anche la successione. I lipidi si localizzano nel nucleoplasma e partecipano attivamente

alle dinamiche all’interno del nucleo, non solo come costituenti della membrana. Addirittura influenzano il

comportamento della cromatina. I gruppi carichi positivamente (lisina, istidina, arginina) si trovano spesso

nelle molecole istoniche.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi con sequenze diverse di basi azotate e

hanno un ruolo informazionale. Ogni nucleotide è formato da tre componenti: uno

zucchero a 5 atomi di C (ribosio o desossiribosio), una base azotata, uno o più gruppi

fosfato. Nel caso del ribosio è presente un gruppo ossidrile legato al carbonio 2’ che è

assente nel desossiribosio. Nel caso dell’RNA lo zucchero è il ribosio, mentre il DNA

è un polidesossiribonucleotide. Le basi vengono distinte in purine e pirimidine: le

purine hanno uno scheletro a due anelli e sono adenina e guanina, le pirimidine hanno

uno scheletro ad anello singolo e sono citosina, uracile e timina. Le purine ci sono sia

nel DNA e RNA, le pirimidine che sono presenti normalmente nel DNA sono citosina

e timina, mentre nell’RNA sono citosina ed uracile. Normalmente perché ci possono

essere delle eccezioni. Il legame tra la base e lo zucchero viene chiamato N-glicosidico o glicosidico ed è un

legame covalente tramite l’enzima glicosilasi. Base + zucchero = nucleoside (adenosina, guanosina, citidina,

uridina, timidina). Base + zucchero + fosfato = nucleotide. Disossi viene inserito all’inizio del nome per

indicare se è presente o meno il gruppo ossidrilico. Le purine però non sono solo adenina e guanina ma

anche ATP, GTP, xantina, ipoxantina, teobromina, teofilina, paraxantina, acido urico e isoguanina. La

guanina come tale si trova nelle scaglie dei pesci, come pigmento nel piumaggio di certi uccelli e nel guano.

Sono essenziali nella sintesi degli acidi nucleici perciò l’inibizione della loro sintesi è impiegata nella

chemioterapia (cladribina, nelarabina, tiazofurina). Alcune basi puriniche o pirimidiniche meno comuni sono

la metilguanosina ad esempio, frequenti nelle piante, animali o batteri. Ci sono altre basi minori presenti nel

tRNA e sono ad esempio inosina e pseudouridina. I nucleotidi hanno diverse funzioni:

- Trasportano energia chimica sotto forma di legami fosfato facilmente idrolizzabili. Il gruppo fosfato in

posizione gamma dell’ATP è molto energetico;

- Si combinano con altri gruppi per formare coenzimi;

- Sono usati come vettori di specifici messaggi intracellulari come ad esempio dei segnali. Le cellule

producono alcuni nucleotidi per rispondere a uno stimolo (AMP ciclico funge da messaggero

intracellulare - cAMP);

- Sono parte di importanti trasportatori di elettroni.

I nucleotidi si uniscono tra loro tramite legame fosfodiestere tra gli atomi di carbonio 3’ e 5’ per formare

catene polinucleotidiche (DNA e RNA).

DNA

La scoperta definitiva risale al 1953 da parte di Watson e Crick. Alcuni esperimenti furono importanti:

esperimenti di Griffith (trasformazione dei batteri), esperimenti di Hershey Chase (l’agente trasformate è il

DNA), Avery-MacLeod-McCarty (la conferma del DNA come agente trasformante). La vera detentrice però

della scoperta del DNA è Rosalind Franklin che si era spesso esposta ai raggi X per questa scoperta e poi

morì di leucemia.

• Rosalind: la cristallografia a raggi X ha mostrato che la molecola di DNA è una doppia elica. Le analisi

cristallografiche definirono anche che la molecola aveva un diametro costante di circa 2 nm e che un giro

completo dell’elica richiedesse 3.4 nm.

• Watson e Crick: il DNA presenta due catene polipeptidiche antiparallele avvolte a spirale in direzioni

opposte l’una rispetto all’altra formando una doppia elica intorno all’asse centrale. Le basi sono disposte

all’interno in posizione perpendicolare rispetto all’asse centrale. Gli appaiamento tra le basi sono precisi:

A si appaia sempre con T e G con C per ragioni energetiche. I due filamenti sono antiparalleli cioè un

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filamento è orientato in senso opposto all’altro. Ciascun filamento di una molecola di DNA contiene una

sequenza di nucleotidi che è esattamente complementare alla sequenza dell’altro filamento. La doppia

elica è asimmetrica rispetto all’asse: non sono equidistanti dall’asse generando un solco maggiore e uno

minore del DNA. Il solco maggiore riveste un ruolo importante perchè è sede di legame della maggior

parte dei complessi proteici deputati allo svolgimento di processi chiave (es. trascrizione). C’è un

appaiamento specifico tra basi mediante legami a idrogeno: tra C e G ci sono tre legami e tra A e T due. La

doppia elica è quindi stabilizzata da legami deboli: legami a idrogeno fra le basi dei due filamenti e forze

di Van der Walls tra le basi successive in un filamento. Il numero di ponti idrogeno che si formano tra le

basi determina la stabilità di una particolare sequenza di DNA. Sequenze ricche di coppie G-C formano

catene di DNA particolarmente resistenti alla denaturazione.

La molecola di DNA si può denaturare: modificando il pH o innalzando la temperatura > 80° di una

soluzione di DNA, la sua viscosità diminuisce. I legami a idrogeno tra le basi e l’alterazione

dell’impacchettamento delle basi provocano la separazione dei filamenti polinucleotidici (denaturazione

parziale o totale). Non vengono rotti i legami covalenti. Se la temperatura o il pH ritornano vicini a quelli

fisiologici, si ha riunione (annealing) dei filamenti. Accanto quindi a un processo di denaturazione ci sarà un

processo di rinaturazione del DNA. Ogni specie di DNA ha una caratteristica temperatura di denaturazione,

detto punto di fusione o temperatura di melting (tm). La tm