Biologia 1

Biologia

La biologia è la scienza che studia gli esseri viventi (dai batteri all’uomo), i fenomeni della vita e le leggi che li governano. Gli organismi viventi hanno tutti come obiettivo sopravvivere, adattandosi, crescere, riprodursi. Inoltre condividono tutti delle caratteristiche comuni, seguono perciò uno stesso schema:

• Sono formati tutti da cellule
• Tutti si nutrono
• Tutti sono dotati della capacità di muoversi
• Sono eccitabili, cioè sono in grado di ricevere stimoli dall’ambiente esterno
• Si sviluppano, quindi crescono
• Si evolvono

Nascono – Crescono – Si riproducono – Muoiono. La durata della vita della specie cambia l’una dall’altra, dipende dal tipo della specie: es. un batterio ha un ciclo vitale di circa 20 minuti (in condizioni ottimali); la vita media di uomo è di 80 anni; un ulivo può vivere anche 1000 anni.

Le cellule e gli organismi viventi

Tutti gli organismi sono formati da cellule. La cellula è la più piccola unità capace di fare tutto da sola, è autonoma. Le cellule dei vari organismi sono tutte simili tra loro, ma allo stesso tempo sono tutte estremamente specializzate (es: neurone/cellula epiteliale), condividono cioè uno schema principale che è simile e comune a tutte (membrana plasmatica, organelli, citoscheletro ecc).

Ognuna di queste cellule deriva da una cellula precedente, la cellula madre. Le informazioni in essa contenute derivano dalla cellula madre, le informazioni infatti si tramandano da cellula a cellula attraverso il processo di mitosi, identica, e la meiosi, variabilità. Quindi ogni cellula rappresenta un singolo anello di una catena ideale che ha avuto origine da quella che abbiamo chiamato cellula primordiale, da cui qualche miliardo di anni fa ha avuto origine la vita sulla terra.

Le cellule sono trasportatori attivi delle informazioni genetiche. Possono avere per questo delle modifiche: modifiche epigenetiche, modificazione ereditabile che non altera la sequenza del DNA ma l’espressione dei geni; esistono comunque dei sistemi di correzione interni alla cellula stessa. Il genoma è quindi una struttura modificabile, dinamica e plastica. Es. cancro è l’accumulo di modifiche di un gene, la cellula impazzisce e non riesce più a ripristinare l’errore.

Cenni storici

• 1665: Cellula termine impiegato la prima volta da Robert Hooke dopo aver osservato con la lente di ingrandimento la struttura del sughero. Descriveva delle unità cave delimitate da residui di parete cellulare.
• 1674: A. Van Leeuwenhoek migliora il potere di risoluzione delle lenti e descrive per la prima volta il nucleo all’interno di organismi unicellulari liberi (spermatozoi).
• 1855: Rudolf Virchow introduce il concetto di divisione cellulare “Tutte le cellule derivano dalla divisione di una cellula preesistente”.
• 1910: G.B. Carnoy Università di Lovanio in Belgio pubblica il primo giornale dedicato alla biologia cellulare - intitolato La Cellule.
• 1931: Ruska inventa il microscopio elettronico e finalmente si riuscirà a studiare la composizione della cellula costituita da strutture inferiori al micron.

Nel 1858 Virchows mette a punto la cosiddetta teoria cellulare secondo la quale tutti gli organismi sono costituiti da cellule ed ogni cellula deriva da un’altra cellula preesistente, la cellula madre e le cellule compiono tutte le funzioni proprie degli esseri viventi e sono le unità base di tutti gli organismi.

Caratteristiche comuni a procarioti ed eucarioti

• Genoma, contengono DNA
• Membrana, membrana plasmatica che separa l’ambiente interno della cellula dall’ambiente extracellulare, è una separazione dinamica cioè non isola
• Energia, necessitano di energia; il glucosio è la prima fonte di energia per le cellule, grazie alla sua demolizione c’è la formazione di ATP utilizzabile come fonte di energia
• Svolgono attività metaboliche complesse:
  • Sintesi e degradazione di molecole
  • Produzione di energia
  • Assunzione di materiali dall’esterno ed "eliminazione dei rifiuti"
  • Movimento e comunicazione
  • Regolazione e coordinazione delle attività

Ogni organismo vivente può essere definito come un sistema biologico in cui il flusso di materia ed energia si svolge in maniera coordinata e finalizzata all’accrescimento, alla duplicazione, alla riproduzione ed alla selezione. L’informazione biologica è di natura chimica, è depositata nel genoma, non si crea dal nulla bensì si tramanda.

Livelli di organizzazione presenti nei viventi

• Particelle subatomiche (e,p,n)
• Molecole, che possono essere inorganiche o organiche, queste ultime si aggregano fra loro
• Organulo cellulare, tutti questi organelli racchiusi dalla membrana plasmatica
• Cellula, tante cellule negli organismi pluricellulari complessi
• Tessuti, formati dallo stesso tipo di cellule
• Organi, tanti organi
• Apparati, quando sono formati da tessuti diversi e comunicano con l’esterno tramite le cavità
• Sistemi, quando sono formati da un solo tipo di tessuto e non comunicano con l’esterno mediante una cavità
• Organismo pluricellulare
• Popolazioni
• Comunità
• Ecosistema, popolazione più ambiente
• Biosfera, insieme di tutti gli ecosistemi

Dimensioni

Atomi = 0,1 nm. Cellula vegetale e animale = 10-100 micrometri. Per organismi di dimensioni dell’ordine di 10^-9 (nanometri) si usa il microscopio elettronico, la cellula deve essere preparata cioè deve essere tagliata. Per organismi di dimensioni dell’ordine di 10^-6 (micrometri) si usa il microscopio ottico. Gli organismi di dimensioni dell’ordine di 10^-3 (millimetri) si possono osservare ad occhio nudo.

Modelli di organizzazione cellulare: procarioti ed eucarioti

Procariote: dal greco karion=nucleo senza nucleo. Fanno parte di questo i batteri e le alghe azzurre. Eucariote: dal greco = vero nucleo. Sono cellule più complesse, comprendono organismi uni e pluricellulari. Gli eucarioti più semplici sono i protisti poi in ordine di crescente complessità si trovano le piante, i funghi e gli animali. Tutte le cellule anche se possono sembrare morfologicamente diverse, hanno caratteristiche comuni.

Gli esseri viventi oggi esistenti si sono evoluti a partire da altri esseri viventi ancestrali e sono legati da relazioni di tipo evolutivo, schematizzabili in alberi filogenetici. Gli eucarioti infatti provengono da procarioti ancestrali.

Procarioti

Si dividono in due domini:

• Eubatteri, dal greco “batteri veri”, fanno parte di questo dominio la maggior parte dei batteri esistenti; fotosintetici: alghe azzurre. Possono essere patogeni e non patogeni
• Archea/Archeobatteri: sono batteri estremofili perché riescono a sopravvivere in condizioni estreme. Alcuni esempi di questi batteri sono i metanobatteri, che vivono in ambienti privi di ossigeno e producono metano e possono trovarsi nelle paludi nel fango o nello stomaco dei ruminanti; termofili, che hanno la crescita ottimale in ambienti con una temperatura compresa tra 60°C e 100°C, si possono trovare in prossimità di solfatare, sorgenti calde naturali, vulcani; alobatteri, che hanno crescita ottimale ad una concentrazione di NaCl superiore a quella dell’acqua marina, sono stati isolati principalmente nei laghi salati; sulfobatteri, che si trovano nelle acque superficiali, nelle falde acquifere, nell’acqua di mare. I solfobatteri hanno un’elevata adattabilità e sono capaci di resistere, in generale, a temperature fino a 60°C e alcuni ceppi arrivano a resistere fino a 80°C. In ambienti aerobici non sono attivi, ma possono sopravvivere, pronti a svilupparsi nel caso in cui si creino dei microambienti anaerobici.

I procarioti sono dotati di parete cellulare, formata da zuccheri e proteine; il DNA è concentrato tutto in una zona detta area nucleare non circondata da membrana. Possiedono una singola molecola di DNA circolare. Contengono ribosomi 70S, sono privi di organelli circondati da membrana: assenza di compartimentalizzazione.

I procarioti, come tutti gli organismi viventi, si nutrono, crescono, si riproducono, in condizioni normali ogni 20 minuti. I procarioti si riproducono per scissione binaria, essa avviene con la formazione di un setto trasversale (o invaginazione) al centro della cellula, moltiplicazione del DNA (un'unica molecola circolare), il quale è associato alla membrana cellulare in corrispondenza di una piega detta mesosoma, senza alcuna strozzatura delle pareti originali della cellula madre; quando il processo è completo si divide in due parti uguali e distinte, tali da permettere la separazione delle due nuove cellule.

La maggior parte dei batteri è in grado di muoversi grazie ai flagelli batterici, il flagello ruota su se stesso e ruotando spinge il batterio in avanti. Ogni flagello è costituito da tre porzioni proteiche: il corpo basale, l’uncino e il filamento. Il corpo basale ha una duplice funzione: permette l’ancoraggio del filamento alla cellula e costituisce il motore del flagello. Il motore di questo flagello è formato da un motore attaccato alla membrana, è la polimerizzazione della flagellina, una proteina.

Il movimento rotatorio del filamento del flagello è impartito dal motore del corpo basale. Il motore flagellare utilizza l’energia del gradiente elettrochimico della membrana cellulare per generare la rotazione del filamento, meccanismo simile a quello dell’ATP nei mitocondri della cellula eucariotica. Il movimento nelle cellule eucariotiche sarà permesso grazie al citoscheletro, i batteri invece non hanno il citoscheletro e per darsi forma serve il loro rivestimento, la parete di peptidoglicano.

Possono essere rotondi/sferici (cocchi) allungati (bacilli e lattobacilli) a forma di virgola tipo il Vibrio cholerae, a spirale tipo le spirochete (Treponema pallidum responsabile della sifilide).

I batteri hanno anche delle strutture di superficie dette pili, importanti per comunicare con l’ambiente esterno. I pili detti coniugativi sono importanti per i batteri perché attraverso di essi possono passare i plasmidi, vettori di informazione genica, da una cellula all’altra. Grazie ai pili, i batteri hanno una grande adesione. I batteri possono poi avere anche una capsula in questo caso si parla di batteri Gram + o Gram - (Gram-positivi quei batteri che rimangono colorati di blu o viola dopo aver subito la colorazione di Gram; batteri Gram-negativi, che invece subiscono la decolorazione. I batteri Gram-positivi sono in grado di trattenere la colorazione del cristalvioletto a causa dello strato di peptidoglicano presente nella loro parete cellulare.)

Eucarioti

Eucarioti = vero nucleo. La prima differenza rispetto ai procarioti è la loro dimensione. Entrambi hanno una membrana che delimita lo spazio interno, in più nella cellula eucariotica c’è tutto un sistema di endomembrane interne che delimitano i vari organelli presenti al suo interno. Ha un nucleo vero e proprio delimitato dalla membrana nucleare. Ha la cromatina genoma + proteine (DNA + istoni), il DNA ha una lunghezza che può arrivare a misurare 1,20 m quindi per stare in un ambiente tanto piccolo deve essere fortemente impacchettato e ben organizzato e questo avviene grazie alle proteine istoniche.

La cellula eucariotica contiene al suo interno anche tutte quelle proteine che servono al nucleo per la sintesi, la replicazione, la trascrizione ecc. Quindi il nucleo può essere considerato il centro direzionale della cellula. Il nucleo ha una doppia membrana interna ed esterna; la cromatina al suo interno è organizzata in cromosomi, visibili durante la divisione, 46 bastoncini; i cromosomi servono a ripartire il patrimonio genetico della cellula per la divisione cellulare. Cromosomi e cromatina sono strettamente correlati fra loro. La membrana esterna del nucleo è in continuità con il sistema di endomembrane della cellula.

Reticolo endoplasmatico, si chiama così perché ha tante membrane. Può essere liscio o rugoso in base alla presenza o meno dei ribosomi. Il RER è subito in continuità con il nucleo, è cosparso di ribosomi sulla membrana esterna proprio perché sede della sintesi proteica (es. le plasmacellule fanno tanta sintesi proteica quindi possiedono tanti ribosomi e la superficie del RER di questo tipo cellulare sarà molto espansa).

Apparato del Golgi, costituito da un’unica membrana che delimita il suo interno, il lume che non comunica fisicamente con l’esterno. Si trova in prossimità del RE da cui riceve i prodotti del RE per poi smistarli dopo averli modificati. Ha la faccia CIS, di entrata, e la faccia TRANS, di uscita. Importante: in tutti questi passaggi ci sono molecole, segnali che fanno capire dove queste vescicole devono andare, le vescicole scorrono sui microtubuli. Il paziente si ammala perché la cellula si ammala o non funziona bene!

Vescicole, alcune servono solo per trasporto altre invece hanno proprio una propria identità: perossisomi e lisosomi. Mitocondri, costituiti da 2 membrane, una esterna ed una interna che forma delle invaginazioni creste. Sono immersi in mezzo a tutti questi sistemi di membrane, sono ben riconoscibili perché all’interno hanno le cosiddette creste mitocondriali. Sono organelli semiautonomi, hanno un proprio DNA ereditato dalla mamma, unica molecola di DNA circolare, viene usato per la sintesi proteica ed hanno per questo anche i ribosomi.

*Il ribosoma è un organulo costituito da RNA e frazioni proteiche aggregate insieme. Esistono diverse tipologie di ribosomi che vengono comunemente identificate tramite i valori di coefficiente di sedimentazione. Per esempio, il ribosoma 70S proprio di una cellula procariote (ad esempio di batteri) ha un coefficiente di sedimentazione di 70 svedberg; esso è composto da una subunità grande 50S e una subunità piccola 30S (notare la non additività del coefficiente di sedimentazione). Nella cellula eucariote invece il ribosoma 80S è costituito sempre da due subunità: una grande di 60S e una piccola di 40S.

Il citoplasma è quindi cosparso di vescicole e membrane e per mantenere tutto questo ben organizzato e collocato nel giusto posto, c’è bisogno di una rete. Questa rete è formata da fibre che avvolgono il nucleo e poi si diramano in tutta la cellula.

Si possono distinguere 3 tipi di fibre che convivono e coesistono tutte e tre nella stessa cellula:

• Microfilamenti, Con il loro spessore di 6-7 nm, sono i filamenti citoscheletrici più sottili
• Filamenti intermedi, sono così chiamati per il loro spessore (circa 10 nm), intermedio tra quello dei microtubuli e quello dei microfilamenti, possiedono una grande resistenza alla trazione e consentono alla cellula di sopportare stress meccanici
• Microtubuli, sono strutture proteiche cilindriche cave dal diametro esterno di 25 nm

La riproduzione delle cellule eucariotiche avviene tramite la mitosi in cui i cromosomi vengono separati e portati all’estremità della cellula, in questo entrano in gioco i microtubuli per andare a formare il fuso mitotico. Il citoscheletro è una struttura estremamente dinamica, è una struttura plastica.

La complessità della cellula eucariotica si è evoluta a partire da strutture preesistenti in cellule di procarioti ancestrali grazie a ripetizioni seriali di processi come: invaginazioni della membrana plasmatica, endosimbiosi.

Fonti di nutrizione

Gli organismi viventi possono essere poi classificati in base alla loro fonte di nutrizione e in base a questa si possono distinguere 2 gruppi:

• Autotrofi: organismi viventi in grado di produrre il proprio nutrimento sfruttando l’energia luminosa del sole attraverso il processo di sintesi clorofilliana, sono organismi autotrofi le piante ed alcune alghe unicellulari.
• Eterotrofi: organismi che contengono l’energia di cui hanno bisogno nutrendosi di altri organismi.
• Chemiotrofi: ottengono l’energia dall’ossidazione di sostanze chimiche.

Un'ulteriore distinzione degli esseri viventi si può avere in base alla capacità di vivere in presenza (aerobi) o in assenza (anaerobi) di ossigeno.

Virus

Virus = dal tedesco veleno. I virus sono unità genetiche indipendenti, sono contenitori di acidi nucleici, per vivere hanno bisogno di una cellula ospite. Il genoma virale può essere DNA o RNA (retrovirus).

Cenni storici

Verso la fine del 1800, i botanici stavano cercando la causa del mosaico del tabacco, una malattia in grado di arrestare la crescita della pianta del tabacco e di conferire alle foglie un aspetto punteggiato a mosaico. Il botanico olandese Beijerinck scoprì nel 1898 che l’agente che lo causava possedeva molte delle caratteristiche degli esseri viventi ma in grado di riprodursi solo all’interno di una cellula vivente e lo denominarono virus (parola che in latino significa veleno). Negli anni ‘30 il microscopio elettronico ha permesso di vedere i virus per la prima volta. La maggior parte dei virus che infettano animali, piante e batteri sono stati identificati durante la II metà del XX secolo.

Caratteristiche generali

I virus sono parassiti intracellulari obbligati, possono cioè sopravvivere solo usando le risorse di una cellula ospite, infettano ogni tipo di cellula inclusi batteri, archea, protisti, piante, funghi ed animali. I virus che infettano i batteri sono detti batteriofagi (mangiatori di batteri) o fagi. Lo studio dei virus è definito virologia e coloro che li studiano sono virologi. Inoltre, i virus sono i microrganismi più abbondanti sulla terra. Sono costituiti da core di acido nucleico. I virus sono piccole particelle infettive, visibili solo al microscopio elettronico.