Biologia animale

Biotecnologie

Le caratteristiche della vita

Gli organismi sono composti da cellule. Le cellule sono l'unità di base di tutti gli esseri viventi, si generano esclusivamente dalla divisione di cellule precedenti. Ogni cellula è circondata da una membrana plasmatica che la separa dall'ambiente circostante e regola il passaggio di sostanze. Le cellule possiedono molecole contenenti l'informazione genetica codificata dall'acido deossiribonucleico (DNA).

Le forme di vita possono essere unicellulari (es. protozoi, batteri) o pluricellulari (le cellule sono coordinate per svolgere i processi vitali).

Tipi di cellule

• Procariotiche: Es. batteri, solo in organismi unicellulari, non posseggono un nucleo né organelli circondati da membrana.
• Eucariotiche: Possono essere unicellulari o pluricellulari, varietà di organelli circondati da membrana incluso un nucleo che contiene DNA.

Gli organismi

• Crescono e si sviluppano: La crescita biologica è costituita da aumenti nella dimensione delle cellule, dall’aumento nel numero di cellule o entrambi. Oltre alla crescita gli organismi si sviluppano (es. dalla cellula uovo fecondata all’individuo adulto).
• Regolano i propri processi metabolici: In tutti gli organismi la vita è permessa da reazioni chimiche e trasformazioni energetiche (metabolismo).
• Rispondono agli stimoli: Rispondono ai cambiamenti che avvengono nell’ambiente circostante (colore, luce, temperatura, salinità, pressione, composizione chimica).
• Si riproducono: Riproduzione asessuata (es. ameba): raggiunta una certa dimensione viene fatta una copia del materiale genetico prima di dividersi in due cellule identiche. La variabilità tra individui è mantenuta grazie a mutazioni genetiche. La riproduzione sessuata avviene con la produzione di cellule specializzate, uova, e cellule spermatiche, che si uniscono per formare un uovo fecondato, che darà origine ad un organismo. Il nuovo individuo sarà composto da geni forniti dalla madre e dal padre, generando la variabilità genetica necessaria all’evoluzione e all’adattamento.
• Si evolvono e adattano all’ambiente: La capacità di una popolazione di evolversi e adattarsi ai cambiamenti ambientali (es. climate change) le permette di sopravvivere. Gli adattamenti (es. strutturali, fisiologici, comportamentali) sono caratteri ereditari che migliorano la capacità di un organismo di sopravvivere in determinate condizioni ambientali. I processi evolutivi permettono alle popolazioni di adattarsi a determinate condizioni.

Gli organismi presentano dei livelli di organizzazione ecologica: La cellula è l'unità funzionale della vita, il più semplice componente della materia vivente in grado di svolgere tutte le attività necessarie per la vita. L'evoluzione degli organismi pluricellulari ha avuto come passaggio fondamentale l'associazione di cellule nel formare i tessuti. A loro volta i tessuti si associano in strutture chiamate organi, il cui coordinamento forma sistemi (es. sistema circolatorio). Gli organismi che vivono in una determinata area costituiscono una popolazione. Le popolazioni di organismi che vivono in un’area particolare ed interagiscono tra loro formano una comunità. Una comunità, insieme all’ambiente nel quale si trova è detto ecosistema (es. Laguna, Oceano, Stagno). L’insieme di tutti gli ecosistemi della terra è definito Biosfera, che comprende l’atmosfera, l’idrosfera e la litosfera.

Per la trasmissione dell'informazione si ha il DNA

L'informazione codificata nel DNA trasmette l'informazione genetica da una generazione all'altra. Il codice genetico è universale, identico in tutto gli organismi. Il DNA rappresenta la "ricetta" per la sintesi delle proteine necessarie alla vita degli organismi. Le proteine svolgono, a seconda della propria struttura (e quindi della sequenza genetica che le codifica) una vasta infinità di funzioni (recettori ormonali, marcatori, enzimi). Le varie componenti di un organismo comunicano tra loro mediante segnali chimici (Es. ormoni, neurotrasmettitori) e elettrici (sistema nervoso).

L'evoluzione

L'evoluzione è il processo con il quale le popolazioni di organismi cambiano nel tempo. La teoria evoluzionistica è considerato il concetto unificante della biologia. La scienza che studia l’evoluzione si chiama sistematica, studia la diversità degli organismi e le correlazioni evolutive e permette la classificazione, organizzare e assegnare un nome alle molteplici forme viventi. Nel XVIII secolo, Linneo propose un metodo di classificazione gerarchico delle specie, tuttora utilizzato dai biologici: sistema di nomenclatura binomiale. Ad ogni specie è assegnato un nome doppio, il genere e la specie.

Come più specie possono appartenere allo stesso genere, più generi possono appartenere alla stessa famiglia, più famiglie possono appartenere allo stesso ordine, più ordini possono appartenere alla stessa classe, e più classi possono appartenere allo stesso phylum, che possono essere raggruppati in regni, che a loro volta possono essere raggruppati in domini. Ad ogni livello ciascun raggruppamento formale rappresenta un taxon. Ogni taxon è più ampio di quello che segue e formano una gerarchia che va dalla specie ai domini.

Diverse tecnologie permettono di stabilire una comune origine tra gruppi di organismi. La biologia cerca di classificare gli organismi basandosi su correlazioni evolutive (caratteristiche condivise da un gruppo). Un gruppo di organismi con un antenato comune è un clade. La sistematica si basa su alberi genealogici che mostrano le correlazioni tra gli organismi (similarità di struttura, di sviluppo, di alimentazione, di comportamento, molecolare).

Attualmente gli organismi si assegnano a tre domini e a diversi regni o clade. L'analisi del rRNA (RNA ribosomale) ha permesso di stabilire che i procarioti si suddividono in Bacteria e Archae. Gli eucarioti sono classificati nel dominio Eukarya. Riguardo agli Eukarya, i protisti rappresentano il primo e fondamentale stadio evolutivo degli organismi eucarioti. Sono un gruppo eterogeneo e polifiletico di organismi, dove s'includono quegli eucarioti che non si possono considerare né animali né piante o funghi. Successivamente si hanno le plantae, organismi pluricellulari in grado di svolgere la fotosintesi. I funghi, ne fanno parte lieviti, muffe e funghi. Non sono fotosintetici e ottengono nutrienti mediante la secrezione di enzimi digestivi e l’assorbimento di cibo predigerito. E infine gli animalia, organismi pluricellulari che devono mangiare altri organismi per trarne nutrimento. Alto grado di specializzazione dei tessuti e di organizzazione del corpo. La maggior parte degli animali si riproduce sessualmente.

Se tutti gli organismi appartenenti ad una specie fossero identici tra loro non esisterebbe una variabilità in grado di far fronte ad ogni cambiamento ambientale. Gli adattamenti ai cambiamenti ambientali sono il frutto di processi evolutivi che avvengono in periodi lunghissimi attraverso il coinvolgimento di molte generazioni. La selezione naturale è il più importante meccanismo mediante il quale procede l’evoluzione. Un cambiamento ambientale può influenzare la capacità di sopravvivenza degli individui.

Selezione naturale

Nel 1859 Darwin nel libro "L'Origine della specie" porta all'attenzione generale la teoria dell'evoluzione, introducendo il concetto di selezione naturale. Da qui elaborò quella che ora è definita come la teoria della selezione naturale che consiste in una serie di osservazioni:

• Ogni membro di una specie è diverso dall'altro.
• Nascono più individui di quelli in grado di sopravvivere.
• Dal momento che una popolazione può essere composta da molti più individui di quelli che l’ambiente può sostenere, gli organismi devono competere per le risorse disponibili.
• Gli individui che possiedono caratteristiche vantaggiose per ottenere ed utilizzare le risorse, hanno più possibilità di riprodursi (riproduzione differenziale). L'ambiente quindi seleziona gli organismi che sono meglio adattati per la sopravvivenza.

L'adattamento comporta cambiamenti nelle popolazioni piuttosto che nei singoli individui. Le differenze tra gli organismi sono il risultato di geni differenti che codificano ciascuna caratteristica. Alla base delle differenze nei geni ci sono le mutazioni casuali, ossia cambiamenti di natura chimica o fisica del DNA che sono persistenti e possono essere ereditate. Le mutazioni rappresentano la materia prima su cui agisce la selezione.

Organizzazione della cellula

Le cellule si dividono in due classi principali, definite in prima istanza in base alla presenza o meno del nucleo:

• Cellule eucariotiche (protisti, piante, funghi e animali). In queste cellule il DNA si trova all’interno di un nucleo ben delimitato. Hanno un nucleo in cui il materiale genetico resta separato dal citoplasma grazie alla presenza della membrana nucleare.
• Cellule procariotiche (batteri). In queste cellule il DNA si trova in un area non delimitata. Sono prive di nucleo (e quindi di una membrana nucleare). Il materiale genetico è localizzato in una regione del citoplasma definita nucleoide.

Il nucleo cellulare

Può essere considerato il centro di comando da cui partono tutti gli ordini che regolano la vita della cellula. Costituisce la sede dell’informazione genetica; contiene la maggior parte del patrimonio genetico. Al suo interno è conservato il DNA sotto forma di cromatina ed hanno luogo la replicazione del DNA nucleare e la sua trascrizione ad RNA. Sede di meccanismi indispensabili all’espressione genica e alla duplicazione cellulare. Considerato il ruolo e la valenza del DNA, il nucleo può essere considerato come il “coordinatore” ed il “controllore” delle attività che si svolgono nella cellula. Il nucleo è formato da quattro componenti principali:

1. Membrana nucleare o involucro nucleare: La membrana esterna è continua con il sistema di membrane interno al citoplasma, cioè il reticolo endoplasmatico. L’involucro nucleare non è continuo, sono infatti presenti dei pori nucleari. I pori nucleari sono interruzioni dell’involucro nucleare che non è un limite continuo perché le due membrane si fondono in alcuni punti determinando dei passaggi che assumono la forma di canali. La replicazione e la trascrizione del DNA avvengono nel nucleo e richiedono l’intervento di proteine sintetizzate nel citoplasma trasportate nel nucleo attraverso i pori.
2. Nucleoscheletro: È formato da una matrice nucleare e una lamina nucleare. Quest’ultima è sottile e densa rete di proteine, altamente insolubili, adesa al versante nucleoplasmatico della membrana interna dell’involucro nucleare. La matrice nucleare è un’estesa matrice fibrogranulare insolubile che sembra costituire un nucleoscheletro che partecipa a mantenere la forma del nucleo. Impalcatura cui si associano strettamente le fibre di cromatina per la propria organizzazione strutturale. È un sistema di ancoraggio per alcuni complessi molecolari coinvolti nella duplicazione e nella trascrizione.
3. Cromatina: Essa è formata dal DNA eucariotico e dalle proteine. Si tratta di una sostanza basofila che occupa gran parte del nucleo. È costituita da DNA e proteine che ne permettono la spiralizzazione. La struttura è dinamica, cioè cambia stato di condensazione. Si ricompatta formando i cromosomi. Il DNA all’interno del nucleo è super avvolto. Il primo livello di organizzazione della cromatina sono i nucleosomi. La doppia elica di DNA è avvolta attorno a proteine (istoni) a formare i nucleosomi, che interagiscono tra loro avvolgendosi a spirale. Gli istoni sono le proteine principali della cromatina. Il DNA è avvolto intorno agli istoni a formare i nucleosomi. La cromatina può poi essere ulteriormente condensata da un avvolgimento in fibre di 30 nm la cui struttura rimane ancora da determinare. Il grado di condensazione della cromatina varia durante il ciclo vitale della cellula. La cromatina si compatta in unità strutturali distinte, dette cromosomi. (Il cariotipo: corredo cromosomico caratteristico di ogni specie. È definito dalle dimensioni, dalla forma e dal numero di cromosomi presenti nella cellula).
4. Il nucleolo: Il nucleolo è una regione del nucleo responsabile della sintesi dell'RNA ribosomiale (rRNA). È una regione densa di materiale genetico e proteico. Presente durante le fasi G1, S e G2 del ciclo cellulare, scompare durante la mitosi ricompare quando la cellula ha completato la divisione cellulare e riprende la sua attività di sintesi. Nel nucleolo vengono sintetizzati i ribosomi. I ribosomi vengono sintetizzati nel nucleolo. Sono formati da quattro molecole di RNA ribosomiale e da proteine che si associano a formare due subunità di dimensioni differenti (una più grande dell'altra). I ribosomi dei batteri, degli archea e degli eucarioti differiscono sensibilmente tra loro sia per la struttura sia per le sequenze di RNA.

La struttura del DNA

L'acido deossiribonucleico (DNA) contiene l'informazione per la sequenza degli aminoacidi nelle proteine. L'acido ribonucleico (RNA) partecipa alla sintesi proteica sottoforma di mRNA, tRNA, rRNA. Dal punto di vista chimico, il DNA è un polimero organico costituito da monomeri chiamati nucleotidi. Tutti i nucleotidi sono costituiti da tre componenti fondamentali: un gruppo fosfato, il desossiribosio (o zucchero pentoso) e una base azotata che si lega al desossiribosio con legame N-glicosidico. Le basi azotate che possono essere utilizzate nella formazione dei nucleotidi da incorporare nella molecola di DNA sono quattro: adenina, guanina, citosina e timina mentre nell'RNA, al posto della timina, è presente l'uracile.

Le basi azotate vengono classificate in:

• Pirimidine: Le pirimidine sono formate da un anello eterociclico azotato derivato dalla pirimidina. Le pirimidine più note sono la citosina, la timina e l'uracile dal momento che fungono come basi azotate del DNA e dell'RNA (l'uracile).
• Purine: Le purine constano di due anelli eterociclici, come la purina da cui derivano. Le purine più note per essere basi azotate di DNA e RNA sono l'adenina e la guanina.

I due filamenti del DNA hanno un orientamento antiparallelo, inoltre nel DNA ci sono eguali quantità di adenina e timina (A=T) e eguali quantità di guanina e citosina (G=C). Nell’RNA al posto della timina si trova l’uracile.

Il collegamento tra i geni e le proteine

Questo collegamento avviene principalmente attraverso la trascrizione e la traduzione. Le informazioni genetiche immagazzinate nel DNA dirigono la sintesi di migliaia di differenti proteine nelle cellule. La trascrizione e la traduzione sono i due stadi fondamentali del processo di sintesi delle proteine. La prima parte di questo processo (quella in cui le istruzioni del DNA vengono copiate nell’mRNA) è detta trascrizione; la seconda parte (quella in cui, in base alle istruzioni contenute nell’mRNA, viene fabbricata la catena polipeptidica) è detta traduzione.

In biologia molecolare, la trascrizione è il processo mediante il quale le informazioni contenute nel DNA vengono trascritte enzimaticamente in una molecola complementare di RNA. Concettualmente, si tratta del trasferimento dell'informazione genetica dal DNA all'RNA. Nel caso in cui il DNA codifichi una proteina, la trascrizione è l'inizio del processo che porta, attraverso la produzione intermedia di un mRNA, alla sintesi di peptidi o proteine.

Trascrizione del DNA

La trascrizione del DNA rappresenta effettivamente un evento chiave per l'espressione dei geni tanto nelle cellule procariotiche quanto in quelle eucariotiche. In una serie di eventi enzimaticamente favoriti, la catena di DNA stampo viene copiata in una catena di RNA complementare. Senza l'aiuto degli enzimi, come vedremo, non sarebbe in alcun modo possibile operare la trascrizione. L'RNA polimerasi è la molecola chiave della trascrizione ed è presente, con alcune differenze strutturali e funzionali, nei procarioti e negli eucarioti. La sequenza di basi trascritte dall'RNA polimerasi è complementare a quella letta dall'enzima. DNA ed RNA sono due molecole che differiscono per la struttura dello zucchero ribosio e per la sostituzione di una T del DNA in una U dell'RNA. Per questo motivo, nelle sequenze complementari, non figura una T ma una U.

Gli eventi che avvengono durante la trascrizione del DNA sono tre e prendono il nome di:

• Inizio: La prima fase della trascrizione coincide con il momento in cui l’RNA polimerasi si unisce al promotore sul DNA e incomincia la sintesi dell’RNA.
• Allungamento: Nell’allungamento i nucleotidi che si posizionano dell’RNA di nuova sintesi seguono le stesse regole di appaiamento della duplicazione (tranne che A si appaia con U e non con T), e si legano alle basi nucleotidiche del DNA con legami idrogeno. A poco a poco, l’RNA si allunga e si separa dal DNA, consentendo così ai due filamenti del DNA di appaiarsi nel tratto già trascritto.
• Terminazione: Infine nella terminazione l’RNA polimerasi raggiunge la sequenza di terminazione, che implica la fine gene; l’RNA polimerasi si stacca, ed è libera di catalizzare altre trascrizioni. Questo processo determina la sintesi di tre tipi di RNA: il mRNA, il tRNA e il rRNA.