Biologia e genetica - Introduzione

8-settembre: Biologia 1

La biologia è la scienza che studia la vita.

L’origine della vita: circa 3.7 miliardi di anni fa si sono formati gli stromatoliti a causa di

sedimenti di carbonato di calcio e per questo si possono definire strutture sedimentarie.

Dopo il big bang l’universo si è evoluto e sulla terra si è sviluppata la vita ma nel resto

dell’universo non sappiamo cosa sia veramente successo. La vita non aveva la forma che

possiede adesso ma si ipotizza che ci fosse un mondo pre-DNA che si basava sull’RNA.

Tuttavia, prima ancora di questa macromolecola deve essere successo qualcosa che la ha

creata.

Gli esseri viventi avevano proprietà fondamentali simili alle nostre. Sono unità altamente

organizzate e hanno un genoma con caratteristiche metaboliche (trasformare materia in

energia) e capaci di riprodursi ed evolversi (per questo non si sono estinti). Pertanto, gli

esseri viventi hanno come caratteristiche principali genoma, metabolismo, riproduzione,

evoluzione.

C’è un diverso complesso di organizzazione. Riproduzione, crescita, sviluppo e morte: i

viventi si riproducono, si accrescono e si differenziano e infine muoiono seguendo le

istruzioni presenti nel loro programma genetico. Il metabolismo serve perché gli organismi

incamerano energia e la trasformano per compiere tutte le loro funzioni (es. movimento).

Inoltre, gli esseri viventi devono dare delle risposte in funzione dell’ambiente in cui vivono

quindi devono avere capacità di reagire agli stimoli ambientali. Legato a questo c’è

l’adattamento evolutivo.

La vita si è originata spontaneamente (così si pensava inizialmente) perché la materia si

aggrega e quindi si genera spontaneamente. Ovviamente è stato soggetto di discussione, fino

a che la teoria è stata confutata da un medico che fece un esperimento con un pezzo di

carne. Un pezzo chiuso in un barattolo e un altro in un barattolo lasciato aperto. Il secondo si

era decomposto e c’erano mosche ma nel primo, seppur si era decomposto, non c’erano

mosche. Pertanto, le mosche non si generano spontaneamente (prova inconfutabile ma non

tutti ci credevano). Dopo ci fu l’esperimento di Pasteur che fece un esperimento simile ma

con un contenitore con un collo ricurvo da cui non passava aria e questa entrava solo se il

collo veniva rotto portando così batteri.

Le cellule primordiali come si sono create? L’ipotesi più credibile prevede che i processi

chimici e fisici nell’ambiente della Terra primordiale finirono per produrre cellule rudimentali

a partire da materiale inorganico attraverso una serie di stadi. Pertanto, si parla di

evoluzione chimica.

Evoluzione chimica:

1. Sintesi abiotica di piccole molecole organiche

2. Formazione di polimeri

3. Origine di molecole auto-replicante da sole

4. Impacchettamento in protobionti circondati da membrana

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Anche questa teoria venne messa in esame da Oparin che formulò la teoria dell’evoluzione

chimica, secondo cui le molecole presenti nei primordiali oceani avrebbero reagito fra loro

fino a formare le biomolecole. Oparin ipotizzò che dai gas dell’atmosfera si sarebbero potute

formare grandi quantità di molecole organiche; col tempo, esse si sarebbero raccolte nei mari

e nei laghi del pianeta, dando origine a un «brodo primordiale». Venne poi fatto un

esperimento di Miller-Urey (1953) di simulazione delle condizioni verosimilmente presenti

sulla Terra primitiva. Riscaldamento dell’acqua in presenza di

CH4, NH3, and H2; la miscela vaporizzata viene colpita da

scariche elettriche. Si ottiene produzione ed accumulo di

composti organici (4 amminoacidi e poi con altri esperimenti ne

trova molti di più). Prima usava solo scariche elettriche ma poi

negli esperimenti successivi simula anche fattori ambientali

come la presenza di vulcani, i quali hanno avuto un ruolo

fondamentale nell’origine della vita.

Bisogna però poter formare dei polimeri: insieme di monomeri (elementi di base) che fanno

una struttura complessa e anche i monomeri dovevano essere lì prima che si formasse la

vita. Se l’acqua passa nelle rocce riscaldate porose essa evapora e forma dei polimeri.

RNA (acido ribonucleico) è un filamento fatto da 4 basi diverse. Si pensa che uno si sia

generato spontaneamente e abbia fatto d a base come filamento da cui stampare per

generare altri. Si ipotizza quindi che le prime cellule fossero basate sulla trasmissione delle

info attraverso RNA e non DNA. Questi RNA potevano auto-replicarsi ma questa è più di

un’ipotesi perché adesso accade.

Tra le molecole di base presenti all’origine della vita, alcune sono

solubili in acqua, mentre altre non lo sono, come ad esempio l’olio.

Nel brodo primordiale, i fosfolipidi si sono organizzati

spontaneamente formando membrane fosfolipidiche, poiché sono

molecole anfipatiche. In presenza di acqua, infatti, i fosfolipidi

tendono ad aggregarsi in strutture ordinate come doppi strati e

vescicole, capaci di racchiudere una soluzione acquosa. L’RNA svolge

il ruolo di intermediario tra DNA e proteine perché, nel corso

dell’evoluzione cellulare, si sono susseguiti diversi stadi evolutivi che

hanno portato all’attuale organizzazione della cellula.

Grazie all’invenzione del microscopio, Robert Hooke osservò per la

prima volta le cellule: studiando il sughero, notò delle piccole strutture che chiamò cellule,

dal termine latino cellulae, che significa “piccole cellette”. In seguito, gli studi sulle cellule si

ampliarono: Schwann osservò al microscopio le cellule animali. Da queste osservazioni

nacque l’idea che ogni essere vivente deriva da altri esseri viventi e che tutti gli organismi

sono costituiti da cellule. Inoltre, ogni cellula deriva da un’altra cellula. Per questo motivo, la

cellula è considerata l’unità fondamentale della vita.

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La nomenclatura binomiale cioè il sistema di classificazione delle cellule lo diede

Linnaeus. La tassonomia è quella branca della biologia che si occupa della identificazione,

denominazione e classificazione degli organismi, sia attuali che fossili, sia dal punto di vista

teorico che pratico. La nomenclatura binomiale permette agli studiosi di tutto il mondo di

identificare in maniera inequivocabile le singole specie. Sistema gerarchico di categorie

tassonomiche progressivamente più ampie. A

partire dalle singole specie raggruppate nel

genere, i generi con proprietà simili formano la

famiglia, le famiglie affini costituiscono un

ordine; gli ordini, a loro volta, sono raggruppati

per far parte della classe. Le classi con similarità

sono incluse nello stesso phylum. I phyla

costituiscono i sei regni. Un ottavo livello di

classificazione è infine quello dei tre grandi

domini dei Bacteria, Archaea ed Eukarya in cui

sono inclusi tutti i regni.

In origine la classificazione è fatta su base morfologica oggi su base molecolare. Più sono

grandi le differenze più si sono separate velocemente da un progenitore comune.

L’evoluzione: per Lamarck è avvenuta spiegando l’esperimento della giraffa che si allunga

per mangiare e quindi poi le è cresciuto il collo. Quindi formulò il principio dell’eredità dei

caratteri acquisiti. Poi ci fu Darwin che viaggiò e pubblicò “L’origine delle specie” dove

spiega che gli organismi avevano caratteristiche simili ma tra loro c’è la competizione e

magari alcuni hanno migliori caratteristiche; gli individui di una popolazione presentano

differenze, alcune di queste variazioni ovvero quelle migliori sono ereditabili; a causa della

limitatezza delle risorse (cibo, spazio, ecc.), gli individui competono per la sopravvivenza; le

variazioni che conferiscono un vantaggio in un determinato ambiente aumentano le

probabilità di sopravvivenza e riproduzione degli individui che le esprimono; sulle popolazioni

agisce il processo di selezione naturale; con il tempo la selezione naturale porta alla

comparsa di nuove specie che hanno un genoma migliore. Pertanto, l’ambiente rappresenta

lo strumento e il mezzo per indirizzare lo sviluppo delle popolazioni: esso seleziona

positivamente gli organismi che sono meglio adattati per la sopravvivenza. Oggi ci basiamo

sulle proteine ma prima sugli acidi nucleici per classificare su base molecolare. (N.B. e

Archea sono dei batteri che vivono in condizioni estreme ma sono più simili agli eucarioti).

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Tutti gli organismi viventi sono formati da una o più cellule. Ogni cellula “ha vita” nel senso

che può crescere, riprodursi, trasformare l’energia, reagire agli stimoli ambientali, adattarsi e

così via. Tutte le cellule, pur nella loro straordinaria diversità, nello stesso organismo e tra

organismi diversi, hanno qualcosa che le accomuna in quanto possiedono le proprietà degli

esseri viventi, e possiamo ancora dire che, pur nella diversità, si somigliano per alcuni aspetti

fondamentali. Le cellule si somigliano marcatamente sotto il profilo chimico: sono infatti

composte dagli stessi tipi di molecole che partecipano agli stessi tipi di reazioni; questo

perché svolgono le funzioni di base con lo stesso tipo di “macchinario” funzionale. Sono fatte

da una membrana plasmatica, il citoplasma dove si svolgono funzioni cellulari, il materiale

genetico dove si trovano le info della regolazione cellulare. In base all’organizzazione del

materiale genetico e alla presenza di comparti cellulari chiamati organuli si distinguono:

• le cellule procariotiche: tipiche di microrganismi come batteri e archei

• le cellule eucariotiche: tipiche degli organismi più complessi e possono essere pluri- o uni-

cellulari

Cellule procariotiche: sono le più semplici e sono

talmente piccole che noi non le possiamo vedere a

occhio nudo ma ci serve uno specifico microscopio che

fa vedere fino ai micron. Si identifica una zona del

citoplasma, detta nucleoide, in cui è presente il DNA

sotto forma di un singolo cromosoma circolare. In

alcuni batteri sono presenti ulteriori molecole di DNA

circolari, di numero variabile, denominate plasmidi.

Sono prive di organuli e membrane interne, eccetto i

ribosomi che sono presenti e più piccoli di quelli

eucariotici. Le cellule procarioti sono delimitate da una parete cellulare formata da

peptidoglicano, la membrana plasmatica racchiude il citoplasma. La cellula procariote nel

citoplasma può presentare dei corpi di inclusione che svolgono una funzione di riserva

energetica. Molte cellule batteriche sono circondate da una capsula o da uno strato

mucoso all’esterno della parete cellulare che è importante soprattutto quelli patogeni

perché evadono il sistema immunitario. Alcune hanno anche il flagello (simile alla coda) che

permette di muoversi e ci possono anche essere pili con i quali si scambiano materiale

genetico o le fimbrie con le quali si attaccano, aderiscono alle cellule tipo quelle sulle nostre

pareti.

La parete cellulare: caratteristiche: involucro rigido ma permeabile presente in tutte le

cellule batteriche (eccetto micoplasmi e alcuni archeobatteri). Porosa, elast