Biologia (semestre filtro)

Biologia (6 CFU)

BASI DELL'ORGANIZZAZIONE BIOLOGICA E MOLECOLARE DELLA VITA

L’ALBERO DELLA VITA (1.1)

Nei secoli gli studiosi hanno avuto la necessità di descrivere e classificare gli organismi cioè

di raggruppare gli organismi presenti sulla terra per caratteristiche morfologiche in maniera

da avere un sistema univoco di identificazione di un organismo.

La tassonomia è quindi quella branca della biologia che identifica e classifica organismi in

maniera univoca.

Carolus Linnaeus (1700), scienziato naturalista, durante i suoi viaggi cercò di raccogliere il

maggior numero di informazioni per catalogare le diverse caratteristiche degli organismi per

poi classificarli.

Creò così l’attuale sistema di classificazione degli organismi.

Tutte le specie vengono classificate con il sistema di Linnaeus indicato come nomenclatura

binomiale (con due nomi) che permette agli studiosi di tutto il mondo di identificare le singole

specie in maniera univoca.

→ Esempio:

●​ Homo → indica il genere (divisione macro)

●​ Sapiens → indica la specie tra tutte quelle presenti nel genere (divisione micro)

Dopo lui la tassonomia si è evoluta ed ha puntualizzato quella elaborata da lui classificando

le specie in gruppi ordinati.

●​ Regno

●​ Phylum

●​ Classe

●​ Ordine → classificati dal più generale a più specifico

●​ Famiglia

●​ Genere

●​ Specie 1

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La sistematica è la scienza che studia la suddivisione, la classificazione degli organismi e le

relazioni evolutive tra i vari organismi pluricellulari.

Da queste considerazioni arriviamo ad una classificazione dei vari organismi presenti sulla

terra e successivamente a Linneo i tassonomisti cominciarono a classificare le varie specie

in gruppi ordinati raggruppandoli in un sistema gerarchico di categorie tassonomiche più

ampie (albero della vita) che ci porta a tre grandi domini:

●​ Bacteria

●​ Archaea

●​ Eukarya

A partire dalle singole specie raggruppate nel genere, i generi con proprietà simili formano la

famiglia, le famiglie affini costituiscono un ordini, gli ordini raggruppati nella classe, le classi

con similarità costituiscono i 6 regni che sono:

●​ Animalia → tra cui noi

●​ Fungi

●​ Plantae → mondo vegetale

●​ Protisti → cellule unicellulari

●​ Archaebacteria → archeobatteri → unicellulari

●​ Eubacteria → batteri → unicellulari

●​ Animalia, fungi, plantae e protista → eucarioti

●​ archeobatteri e batteri → procarioti

→ Importante riconoscere è che tutti questi organismi derivano da un progenitore comune,

quindi da una cellula che negli anni si è specializzata e suddivisa nei 3 domini citati.

tassonomia classica > tassonomia molecolare

La classificazione è basata sulle sequenze di basi di DNA, RNA e amminoacidi infatti negli

ultimi anni è nata la sistematica molecolare che usa le molecole biologiche per la

classificazione e la filogenesi delle specie.

Quest’albero filogenetico è creato comparando le sequenze di rRNA della subunità minore

dei ribosomi e mostra le relazioni evolutive tra i tre grandi domini. 2

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→classificazione sulla base della sequenza

nucleotidica del gene della b-globina.

Ad esempio è stato comparato il gene della

b-globina (proteina) dell’uomo con quello di altri

animali per vedere quanto l’uomo è simile ad

altri organismi attraverso l’osservazione delle

percentuali di divergenza.

Ciò che è emerso è che uomo e scimpanzé

hanno una divergenza del 1,7% nelle sequenze

di basi del DNA e questo significa che il 98,3%

del DNA esaminato è identico.

Abbiamo detto che le molecole sulla

quale la tassonomia classifica gli

organismi sono tre: DNA, RNA e

amminoacidi.

In questa immagine è infatti riportata la

differenza tra l’uomo e il macaco di

numero di amminoacidi e possiamo

notare che ci sono 10 aminoacidi solo di

differenza (8 in particolare).

Quindi queste molecole ci permettono di classificare gli organismi in maniera univoca e di

creare l’albero della vita costituito dai 6 regni precedentemente trattato.

Questo è invece l’albero genealogico degli

eucarioti basato sul confronto dei loro genomi.

All’interno del dominio degli eucarioti

specifichiamo quanto una specie è simile a livello

genomico con l’altra.

La tassonomia classica utilizzava solo

comparazioni morfologiche ma oggi esiste la

tassonomia molecolare che è molto più puntuale.

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Ci soffermiamo un attimo sulle cellule eucariote e procariote:

●​ Cellule procariote → cellule senza nucleo che contengono il DNA nel nucleoide.

●​ Cellule eucariotiche → cellule con nucleo dove all’interno è contenuto il DNA.

→ Gli organismi e la teoria cellulare

La biologia (bios = vita) è la scienza della vita che studia le proprietà fondamentali della vita

che sono proprie e uniche in tutti gli organismi viventi.

Quando parliamo di organismi viventi ci riferiamo a individui capaci di crescere, reagire,

metabolizzare e riprodursi.

Il termine cellula fu proposto da Robert Hooke, scienziato naturalista che osservando una

fetta di sughero attraverso un microscopio rudimentale, vide delle strutture ben definite che

chiamò “cellule” perché gli ricordavano le cellette di un monastero.

Si scoprì poi che in realtà lui vide le pareti cellulari di cellule vegetali ormai vuote lasciate

dalle cellule vegetali.

→ Queste importanti scoperte andarono pari passo con la nascita e l’evoluzione dei primi

microscopi.

Inoltre, nel 1674 un altro scienziato osservò i batteri studiando una goccia d’acqua di lago

studiandola attraverso una lente di vetro.

Nascono così le prime considerazioni sulle cellule identificate poi nella teoria cellulare che si

basava su alcuni enunciati:

1.​ Tutti organismi viventi visti nella tassonomia molecolare sono costituiti da unità più

piccole che sono le cellule.

2.​ La cellula è l’unità funzionale più piccola degli organismi.

3.​ Le nuove cellule derivano tutte da cellule già esistenti grazie ai processi di meiosi e

mitosi.

→ Le proprietà fondamentali della materia vivente

Come già detti tutti gli organismi sono costituiti da cellule e ogni cellula può:

●​ Crescere

●​ Riprodursi

●​ Trasformare energia

●​ Adattarsi

●​ Reagire a stimoli ambientali

→ Le cellule si formano per divisione e crescita di una cellula preesistente.

Sappiamo che le cellule possiedono un programma genetico e a conferirlo è il DNA che dà

l'input per lo svolgimento del programma genetico della cellula.

Il programma genetico della cellula consiste che dal DNA, attraverso la trascrizione,

otteniamo un RNA dal quale, attraverso la traduzione, otterremo una proteina. 4

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Inoltre sappiamo che le cellule hanno in comune alcuni aspetti, che sono:

●​ Citoplasma → matrice gelatinosa semifluida e rappresenta il corpo della cellula.

Contiene i composti chimici tra acqua, zuccheri, lipidi o proteine e in alcuni casi al

suo interno si trovano gli organuli cellulari.

●​ Membrana→ circonda la cellula definendone i confini e racchiude il contenuto della

cellula separandola dall’ambiente extracellulare, costituita da un doppio strato di

fosfolipidi ( 5- 10 nm) associati a proteine e carboidrati.

●​ Nucleo o nucleoide → Nelle cellule più semplici (procarioti) è formato da una singola

molecola di DNA che risiede in una zona che si chiama nucleoide non delimitando da

doppia membrana.

Negli eucarioti il nucleo è delimitato dall’involucro nucleare che è una struttura a

doppia membrana in cui sono contenute molecole di DNA.

→ L’interno del nucleo è detto nucleoplasma.

In aggiunta sappiamo che le cellule hanno dimensioni e forme diverse:

●​ Sferica

●​ Colonnare → la forma dipende dalla funzione della cellule e da ciò che

●​ Cuboide sintetizzano.

●​ Appiattita

→ più cellule formano un tessuto → + tessuti formano un organo → + organi formano

sistemi e apparati che costituiscono il corpo umano.

→ La teoria dell’evoluzione di Darwin

→ I ricercatori stimano che nel mondo ci siano dai 5 ai 100 milioni di specie viventi e tutti gli

organismi si sono generati da semplici forme viventi comparse bilioni di anni fa che si

sarebbero diversificate attraverso l’evoluzione.

Charles Darwin diceva, all’interno del libro “origine della specie”, che le specie accumulano

differenze da cui scaturiscono specie discendenti diverse da quella ancestrale.

Il cambiamento delle caratteristiche degli organismi, si mantengono e si trasmettono nel

corso delle generazioni perché permettono maggior sopravvivenza nell’ambiente portando

all’aumento di numero di specie che ha quel carattere.

Questo fa sì che la popolazione si evolva e che si formino nuove specie più adatte

all’ambiente in cui vivono.

Sappiamo che l’evoluzione si basa su due fattori:

●​ La variabilità degli individui data dal cambiamento di caratteristiche preesistenti.

●​ Le forze della natura vengono definite come selezione naturale.

Da questo si è sviluppato un modello sanitario chiamato: One health che crede che la salute

umana, animale e dell'ambiente siano legate in maniera indissolubile e questo fa sì che One

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health abbia come obiettivi la ricerca delle condizioni che permettono di migliorare queste

comunità in modo sostenibile. I VIRUS (1.2)

→ I virus: caratteristiche generali

La parola “virus” deriva da un termine latino che significa veleno.

La virologia è la scienza che studia i virus e i virologi già nel 1892 cercavano quale fosse

l’elemento eziologico che causava alcune malattie (malattia piante di tabacco 1898) come

ad esempio cercavano cosa scatenasse la poliomielite o l’afta epizootica nel bestiame.

Alcuni ricercatori si soffermavano sullo studio di cosa potesse causare la malattia nelle

piante di tabacco.

Studiando i virus capirono che essi erano in grado di infettare i batteri, le piante e l’uomo

(identificati intorno al 1950) e si scoprì che erano in grado di passare attraverso i filtri di

porcellana.

I filtri di porcellana erano in grado di trattenere i batteri mentre i virus, essendo molto più

piccoli, ci passavano attraverso.

Virus del mosaico di tabacco

Verso la fine del 1800, i botanici cercavano cosa causasse il

mosaico del tabacco: malattia in grado di arrestare la crescita

della pianta del tabacco e di conferire alle foglie un aspetto

punteggiato a mosaico

→ Le macchie più chiare sono le cellule morte uccise

dall’infezione causata dal virus chiamato virus del mosaico di

tabacco.

I virus sono microrganismi che infettano piante, funghi, batteri, archea, protisti e animali e

sono i microrganismi più abbondanti sulla terra.

Quando essi non infettano una cellula si chiamano virioni, che sono particelle virali nella

porzione extracellulare invece i virus che infettano i batteri si chiamano batteriofagi o fagi.

Ci sono stati moltissimi studi sui batteriofagi che hanno permesso di capire che i virus non

sono in grado di riprodursi in maniera autonoma (per questo non vengono considerati

cellule) e sono strettamente dipendenti dall’apparato metabolico della cellula ospite vivente e

per questo vengono definiti come parassiti intracellulari obbligati.

Ciò significa che hanno bisogno di un altro organismo per poter svolgere le funzioni di

crescita e riproduzione tipiche di una cellula e per questo se riusciamo a isolare i virus

possiamo bloccarne la loro riproduzione.

Inoltre i virus non fanno parte di nessuno dei 6 regni degli organismi viventi in quanto hanno,

come già detto, bisogno di una seconda cellula per potersi riprodurre. 6

Biologia (6 CFU)

Negli anni 30 il microscopio elettronico (il microscopio ottico non basta per osservarli) ha

permesso di vedere i virus per la prima volta e si è scoperto che avessero delle dimensioni

molto ridotte esprimibili in nm (10 nm - 400 nm).

Il microscopio elettronico, attraverso immagini in bianco e nero, ha permesso di studiare i

virus, il loro ciclo replicativo, la loro struttura e funzione.

→ Parlando di virus è essenziale sapere che esistono virus a RNA e virus a DNA.

Morfologia di un virus

Un virus può avere diverse forme:

-​ Forma filamentosa → rappresenta un'elica cava costituita da proteine legate le une

alle altre a formare un'elica con andamento elicoidale.

Esempio → virus del mosaico del tabacco

-​ Forma poliedrica (cubica) → struttura simmetrica icosaedrica formata da 20 facce

dove ogni faccia è costituita un triangolo equilatero in cui le molecole proteiche si

assemblano formando una struttura cava che racchiude il genoma virale.

La struttura cava si chiama capside ed è costituito da capsomeri.

Esempio → adenovirus

-​ Forma ovale → sono virus di grandi dimensioni (Poxvirus) e sono quelli che causano

il vaiolo o la mononucleosi.

-​ Batteriofagi (forma a ragno) → virus che infettano batteri e hanno una testa costituita

da proteine che racchiudono l’acido nucleico, poi c’è un collare, una guaina e delle

fibre proteiche che sono le spine della coda che servono al virus per infettare il

batterio. → Immagine di un batteriofago. 7

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→ Il virus dell’HIV è un virus a RNA avvolto da proteine (capsomeri) che costituiscono il

capside.

Ha inoltre un ulteriore struttura di protezione costituita da lipidi e proteine, ed è la membrana.

→ L’acido nucleico, il capside e l’involucro membranoso

Un virus consiste di un core di acido nucleico: costituito da DNA o RNA.

L’acido nucleico è raccolto all’interno di una struttura che si chiama capside ed è costituita

da proteine che si chiamano capsomeri.

L’acido nucleico insieme a al capside costituiscono il nucleocapside.

Invece ci sono alcuni virus che possiedono un involucro esterno che si chiama pericapside o

envelope che può contenere lipidi e glicoproteine (quelli che non lo hanno si chiamano virus

nudi).

→ Le classi di virus animali

l sistema Baltimore permette di classificare i virus in base all’acido nucleico e al modo in cui

viene prodotto l’mRNA.

→ Ciclo infettivo di un virus a DNA (generale)

1.​ Attacco → Il virus si aggancia alla cellula grazie a specifici recettori (proteine che

sporgono dalla cellula) che si trovano sulla membrana della cellula (pericapside).

2.​ Penetrazione → L’involucro virale del virus si fonde con la membrana plasmatica e a

questo punto il virus rimane nudo (rimane acido nucleico e capside).

3.​ Liberazione dell’acido nucleico dal capside → Dopo la penetrazione le proteine

del capside vengono degradate e il genoma virale viene liberato nel citoplasma dove,

a seconda del virus può rimanere nel citosol o andare al nucleo.

4.​ Replicazione e biosintesi → Il genoma entra nel nucleo e si replica e l’acido

nucleico virale è trascritto nell’mRNA che verrà tradotto in proteine virali. 8

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5.​ Assemblaggio → Mediante auto-assemblamento si uniscono le proteine e l’acido

nucleico formano il nucleocapside e delle vescicole trasportano le glicoproteine virali

alla membrana.

6.​ Rilascio → I virioni di nuova produzione vengono liberati solitamente mediante lisi

oppure per gemmazione per i virus con l'envelope: le glicoproteine si fondono con il

capside per formare un virus con l’envelope.

→ Il ciclo di un retrovirus (particolare)

I retrovirus sono virus che contengono l’enzima della trascrittasi inversa che è un enzima

che sintetizza una copia di DNA sulla base di uno stampo di RNA.

Tra i più noti c’è HTLV-1 che è il virus che causa la leucemia T o linfomi e l’HIV-1 che causa

AIDS.

Prendiamo come esempio il ciclo dell’HIV

I recettori (proteine) CD4 legano con il virus HIV-1 diventando un virus nudo lasciando

glicoproteine nella membrana della cellula ospite.

Il capside viene rimosso dagli enzimi e la trascrittasi inversa catalizza la sintesi di DNA a

singolo filamento complementare all'RNA virale.

Il filamento di DNA funziona da stampo per la sintesi di un filamento complementare,

originando un DNA a doppio filamento. 9

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Il DNA a doppio filamento è trasferito nel nucleo, dove l'enzima integrasi lo inserisce nel

cromosoma cellulare e se attivato, il DNA virale utilizza gli enzimi cellulari per sintetizzare

RNA virale.

L'RNA virale abbandona il nucleo, vengono sintetizzate le proteine virali sui ribosomi ospiti e

il virus si autoassembla.

Il virus gemma dalla cellula ospite, utilizzando la membrana plasmatica per formare

l’involucro.

→ Ciclo litico e lisogenico di un virus batterico (particolare)

I batteri possono essere infettati dai batteriofagi dove il virus si attacca grazie alle spine virali

alla cellula batterica (attacco) e inietta il proprio DNA fagico dove può riprodurre tutti i virioni

(penetrazione).

Dalla cellula ospite si formano tante proteine capsidiche (replicazione) che per lisi rilascia

tutte le particelle virali e il capside → ciclo litico.

Ma i batteriofagi possono anche iniettare una porzione virale nel batterio che poi rimane lì e

il genoma virale si unisce a quello batterico e non vengono prodotti virioni → ciclo lisogenico.

Il ciclo lisogenico se incontra certi stimoli può passare al ciclo litico.

→ Virus oncogeni

I virus oncogeni fanno parte di un piccolo sottogruppo di virus classificati in base alla natura

degli acidi nucleici che possiedono la capacità di trasformare le cellule normali. 10

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Con il termine trasformazione si indicano le modificazioni cui vanno incontro le cellule ad

opera di virus oncogeni: le cellule perdono la normale capacità replicativa, la regolare

morfologia, possono acquisire anomalie cromosomiche.

La vaccinazione contro certi di virus oncogeni (HPV e HBV) ed il trattamento delle infezioni

virali, sono strategie preventive e terapeutiche fondamentali per ridurre il rischio di

sviluppare tumori di origine virale

LA CELLULA PROCARIOTICA (1.3)

→ Cenni sulla cellula procariotica

Il primo che osservò le cellule procariotiche fu Anton Van Leeuwenhoek che studiò dei

batteri mentre osservava una goccia di acqua di lago con una lente di vetro.

I procarioti sono cellule prive di nucleo e al suo posto hanno una zona citoplasmatica dove è

concentrato il materiale genetico chiamato nucleoide.

Sono esseri unicellulari anche se a volte si possono presentare come aggregati (es:

stafilococchi). 11

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Contengono il citoplasma che è una matrice semifluida con granulosità variabile dove sono

contenuti ribosomi, plasmidi e le altre strutture della cellula procariote.

Importante è però ricordare che essa all’interno del citoplasma non contiene organuli come

invece fa la cellula eucariotica.

I procarioti proprio in quanto non contengono organuli sono di dimensioni ridotte che variano

da 0,2 μm a 30 μm e possono avere forme diverse:

●​ sferica

●​ bastoncelli

●​ spirale (elicoidale)

Alcuni batteri hanno all’interno del citoplasma un'ulteriore molecola di DNA chiamata

plasmide (conferisce resistenza antibiotica al batterio) e che hanno la capacità di replicarsi in

maniera autonoma.

I plasmidi hanno dimensioni inferiori rispetto al DNA principale.

Molti hanno anche una parete cellulare, una grande capacità di adattamento e grande

velocità di riproduzione.

Inoltre alcuni hanno addirittura una capsula.

Alcuni procarioti possono essere:

●​ Aerobi → vivono in presenza di ossigeno

●​ Anaerobi → vivono in assenza di ossigeno

La maggior parte dei batteri contengono meno geni rispetto alla cellula umana (eucarioti) e

hanno un ruolo fondamentale in ecologia e tecnologia in quanto sono in grado di fissare

l’azoto.

Significa che sono in grado di rendere disponibile l’azoto che servirà per tutti i processi che

vengono sulla terra.

Le cellule procariotiche possono essere raggruppate:

●​ in coppie → diplococchi

●​ in lunghe catene → streptococchi

●​ in aggregati irregolari simili a grappoli d’uva → stafilococchi (infezione abbastanza

aggressiva).

→ replicazione dei procarioti

I procarioti si replicano attraverso un processo definito scissione binaria che genera due

figlie identiche.

E’ una replicazione più semplice e più veloce infatti un giro di replicazione impiega solo 20

minuti.

Come abbiamo detto prima, oltre al genoma principale, alcuni batteri e archeobatteri hanno i

plasmidi che possono replicarsi indipendentemente dal DNA genomico e sono molto

importanti perché forniscono resistenza agli antibiotici.

In aggiunta molti batteri formano un biofilm che è una sostanza viscosa polisaccaridica

appiccicosa che protegge ulteriormente le cellule. 12

Biologia (6 CFU)

Questo biofilm ha uno spessore che può raggiungere i 200 micrometri e lo possiamo trovare

sulla placca dentale, sui cateteri, lenti a contatto e protesi articolari.

​

→ La capsula

Alcuni procarioti hanno in superficie un ulteriore strato che si chiama capsula: uno strato

gelatinoso fatto da polisaccaridi o proteine che proteggono la cellula dalla fagocitosi da parte

dei globuli bianchi.

Questi batteri usano la capsula anche per attaccarsi alle superfici come pietre, piante, denti,

ecc e quando hanno questa capsula, sono molto più resistenti e forti.

→ I flagelli

La maggior parte dei batteri si muove grazie alla presenza di flagelli che sono delle

estroflessioni che protrudono dalla superficie cellulare dei procarioti fino a 12 um circa.

Sono costituiti da una proteina che si chiama flagellina.

Ogni flagello batterico è formato da:

●​ Corpo basale formato da piastre (motore)

●​ Uncino

●​ Filamento singolo del flagello

→ Pili o fimbrie

Sono struttur