Biologia Animale

Introduzione: Natura e cultura

La natura, cioè la biologia codificata nel DNA, è plasmata dall'ambiente e dalla cultura. Ad esempio, i giamaicani sono l'etnia eletta dal punto di vista sportivo perché su di loro ha agito la selezione naturale nel periodo dello schiavismo degli anglo-africani. Non esistono le razze ma le etnie, in quanto ciò che rende gli individui diversi è la variabilità genetica che nella popolazione umana è molto bassa.

Chimica della vita

Definizione della vita

Non è possibile dare un'unica semplice definizione della vita. Siamo in grado di percepire la vita in relazione ad alcune proprietà degli organismi viventi. I tre aspetti fondamentali che conferiscono agli organismi caratteristiche uniche sono:

• Evoluzione
• Trasmissione dell'informazione da un sistema ad un altro
• Trasferimento di energia

Proprietà della vita

Le proprietà della vita, cioè i processi biologici condivisi dagli organismi viventi nonostante la loro diversità, sono che gli organismi:

• Sono organizzati
• Sono composti da cellule (unità funzionali della vita)
• Crescono, si sviluppano e compiono l'apoptosi: la crescita biologica è l'aumento delle dimensioni delle singole cellule di un organismo (ipertrofia) o l'aumento del numero di cellule (iperplasia). Ogni parte dell'organismo continua a funzionare mentre cresce.
• Regolano i propri processi metabolici (consumano energia): il metabolismo è l'insieme delle attività chimiche dell'organismo; le reazioni metaboliche devono essere regolate per mantenere l'omeostasi, che è uno stato di equilibrio dell'ambiente interno di un organismo, preservato da meccanismi di regolazione che sono sistemi di controllo che si autoregolano e mantengono l'ordine interno di un sistema; è il complesso delle funzioni che consentono all'ambiente interno di mantenere costante la propria composizione e i valori delle diverse funzioni vitali. L'omeoresi è un processo in grado di mantenere un flusso dinamico in un sistema biologico regolando i tassi metabolici (lo sconfinamento da ciò ricade nella patologia).
• Rispondono agli stimoli (ambiente): gli stimoli in grado di provocare una risposta sono cambiamenti di colore, intensità o direzione della luce, cambiamenti di temperatura, pressione e suono, cambiamenti della composizione chimica del terreno, aria, acqua. La risposta determina il movimento (movimento ameboide: lento scivolamento della cellula, oscillazione delle ciglia o flagelli della cellula, alcuni batteri si muovono per rotazione dei flagelli, le spugne e i coralli allo stato larvale possono muoversi ma una volta adulti no e sono detti sessili perché possono avere ciglia e flagelli che muovono l'acqua e avvicinano il nutrimento)
• Si riproducono: può essere sessuata o asessuata
• Si evolvono e si adattano: ciò migliora la capacità di un organismo di sopravvivere. Gli adattamenti possono essere strutturali, fisiologici o comportamentali

Riduzionismo e gerarchia dell'organizzazione biologica

Il riduzionismo è lo studio di una struttura mediante l'analisi delle sue parti; ogni livello ha proprietà emergenti, cioè proprietà non presenti ai livelli inferiori.

Gerarchia dell'organizzazione biologica:

• Atomo (più piccola unità di un elemento)
• Molecole
• Organuli
• Cellule (unità elementare della vita)
• Tessuti (possono essere solidi ma anche liquidi come il sangue e la linfa)
• Organi (apparato)
• Sistemi
• Organismi (individui)
• Popolazioni (membri di una stessa specie che vivono contemporaneamente in una stessa area geografica)
• Comunità (popolazioni che vivono in un'area articolare ed interagiscono)
• Ecosistema (comunità insieme all'ambiente)
• La biosfera (insieme di tutti gli ecosistemi della terra)

Ecosistema e sistemi biologici

Un ecosistema autosufficiente è costituito da produttori autotrofi (piante, alghe, batteri), consumatori eterotrofi (animali) e decompositori (batteri e funghi). L'atomo, la molecola e gli organuli non sono un sistema o entità biologica perché non sono viventi (l'unico organulo che è un'entità biologica è il mitocondrio perché ha il DNA).

Un sistema biologico è un complesso vivente più grande della somma delle sue parti (proprietà emergenti). Diversi apparati funzionano in sinergia al fine di mantenere l'ambiente interno dell'organismo su valori costanti, consentendo quindi all'organismo di spostarsi attraverso ambienti esterni differenti. L'evoluzione è il concetto unificante della biologia ed è il processo tramite cui le popolazioni cambiano nel tempo; coinvolge il passaggio di geni da una generazione all'altra generando differenze nelle popolazioni.

Sistematica e tassonomia

La sistematica studia la diversità degli organismi e le loro correlazioni evolutive mentre la tassonomia è la scienza che studia la nomenclatura e la classificazione degli organismi (Linneo elaborò la classificazione binomia: genere con la maiuscola e specie con la minuscola). La classificazione è un metodo di ordinamento che permette il riconoscimento delle diverse forme viventi (unità naturali) e il loro raggruppamento in classi progressivamente più estese.

Pool genico

L'unità base per la classificazione è la specie; i membri di una popolazione hanno un pool genico comune (tutti i geni presenti in una popolazione) e derivano da un antenato comune. Il genere è costituito dalle specie strettamente correlate fra loro e un certo numero di generi correlati costituisce la famiglia che può essere raggruppata in ordini, che possono essere raggruppati in classi che possono essere raggruppati in phyla che possono essere raggruppati in regni e questi in domini. Ad ogni livello ciascun raggruppamento formale rappresenta la diversità biologica.

Domini e regni

I tre domini basati sulla genetica sono:

• I Bacteria (batteri moderni)
• Gli Archea (batteri antichi, archeobatteri)
• Gli Eucaria (eucarioti)

I cinque regni sono:

• Le Monere: procarioti (batteri unicellulari, alghe azzurre o cianobatteri)
• Protisti: protozoi (eucarioti unicellulari o pluricellulari semplici o entità coloniali)
• Piante: eucarioti pluricellulari (sono autotrofi e compiono la fotosintesi)
• Funghi: eucarioti pluricellulari (decompositori)
• Animali: eucarioti pluricellulari (si nutrono ingerendo altri organismi)

Elementi e composti chimici

Gli elementi sono sostanze che non possono essere scisse in sostanze più semplici; gli elementi che costituiscono più del 96% della massa di un organismo sono: ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto e in quantità minori calcio, fosforo, potassio e magnesio. L'acqua è il 70% del peso corporeo; le molecole d'acqua sono coesive cioè hanno una forte tendenza ad attaccarsi fra loro e sono anche adesive cioè si attaccano anche ad un'altra grande quantità di sostanze e queste due forze sono alla base dell'azione capillare dell'acqua. L'atomo è la più piccola porzione di un elemento ed è composto da elettroni, protoni e neutroni. I legami covalenti sono i legami stabili dei sistemi biologici mentre i legami a idrogeno sono i legami mobili dei sistemi biologici. Il pH condiziona la polarità di un sistema biologico e il corretto funzionamento di un organismo (pH intracellulare è 7,2-7,4).

Richiami di chimica

• Protoni: particella subatomica dotata di carica positiva
• Neutroni: particella subatomica priva di carica elettrica
• Isotopo: atomo dello stesso elemento chimico con lo stesso numero atomico ma con differente numero di massa
• Numero atomico: è il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo
• Numero di massa: è il numero di protoni e neutroni presenti in un atomo
• Orbitali: regione dello spazio in cui è più probabile trovare l'elettrone
• Mole: unità di misura della quantità di sostanza di un sistema che contiene un numero di entità pari al numero di atomi di 12 grammi di carbonio 12
• Legami chimici: interazioni fra atomi che portano alla formazione di molecole
• Acidi: sostanze che possono accettare una coppia di elettroni
• Basi: sostanze che possono donare una coppia di elettroni
• pH: grandezza che misura l'acidità o basicità di una soluzione
• Soluzioni tampone: sono soluzioni contenenti miscele di soluti che impediscono significative variazioni di pH
• Sali: composto chimico elettronicamente neutro costituito dall'insieme di più ioni uniti da un legame ionico

Composti organici

I composti organici sono macromolecole che hanno un peso molecolare superiore a 5000 dalton (1 dalton=1 u.m.a.). Gli idrocarburi sono composti organici costituiti da carbonio e idrogeno in cui la loro forma è importante nel determinare le proprietà biologiche e le loro funzioni. Gli isomeri hanno stessa formula molecolare ma differenti strutture e possono essere strutturali (diversa disposizione degli atomi), geometrici (differente disposizione spaziale cis, trans) o enantiomeri o stereoisomeri (in cui due molecole sono l'immagine speculare l'una dell'altra). Gli idrocarburi sono insolubili in acqua e tendono a raggrupparsi mediante interazioni idrofobiche. I gruppi funzionali polari e ionici sono idrofili perché si associano saldamente con le molecole polari dell'acqua. La sintesi può avvenire per condensazione cioè il passaggio dal monomero al polimero attraverso la sottrazione di una molecola di acqua che attua la formazione del legame; l'idrolisi invece è il passaggio dal polimero al monomero cioè la scissione del legame per aggiunta di una molecola di acqua.

Proteine

Le proteine sono macromolecole costituite da amminoacidi uniti da legami peptidici (è un legame covalente che lega il carbonio di un gruppo carbossilico all'azoto di un gruppo amminico mediante una reazione di condensazione); gli amminoacidi essenziali per l'uomo assunti con la dieta (specie-specifici) sono: isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptofano, valina, istidina, arginina (nei bambini). Le principali classi di proteine sono: enzimi, proteine strutturali (collagene), proteine di riserva (albumina), proteine di trasporto (emoglobina), proteine di regolazione (ormoni es. insulina), proteine di movimento (actina e miosina), proteine di difesa (anticorpi). Alcuni amminoacidi rari sono l'idrossiprolina e l'idrossilisina.

Struttura delle proteine

• Struttura primaria: è una sequenza di monomeri amminoacidici in cui due catene di amminoacidi sono legate da legami covalenti e peptidici;
• Struttura secondaria: si ottiene per il folding della proteina ossia un ripiegamento inizialmente spontaneo della struttura primaria; nella struttura secondaria vi sono legami a idrogeno ed è elicoidale e può essere a-elica (in cui i legami a idrogeno sono distanti di amminoacidi e sono principalmente proteine globulari) e ß foglietto ripiegato (in cui i legami a idrogeno si formano tra catene polipeptidiche differenti e sono principalmente proteine fibrose).
• Struttura terziaria: ha una conformazione globulare e si formano grazie a legami a idrogeno, legami ionici, interazioni idrofobiche e legami covalenti come ponti disolfuro (cisteina)
• Struttura quaternaria: è l'unione di più subunità polipeptidiche (collagene)

Chaperoni molecolari

I chaperoni molecolari mediano il ripiegamento di certe proteine rendendo il processo più ordinato ed efficace. Sono enzimi che catalizzano l'arrangiamento tridimensionale delle proteine (folding). Essi:

• Assicurano corretto mantenimento stato conformazionale
• Dirigono assemblaggio complessi multiproteici
• Favoriscono denaturazione parziale durante trasporto
• Stabilizzano proteine attraverso maturazione o degradazione

Conformazione e funzione delle proteine

La conformazione di una proteina ne determina la funzione e un cambiamento della struttura tridimensionale di una proteina può alterare la sua attività biologica; una proteina misfolded o prione è malripiegata ed è pericolosa per l'organismo perché non funziona correttamente (es. encefalopatia spongiforme bovina, morbo di Alzheimer...). La denaturazione delle proteine è il cambiamento conformazionale e conseguente perdita delle attività biologiche ad alte temperature (se la temperatura è maggiore di 40°C è irreversibile).

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici conservano, trasmettono ed esprimono l'informazione genetica ereditaria e determinano quali proteine devono essere sintetizzate nella cellula; i principali sono l'acido ribonucleico (RNA) e l'acido desossiribonucleico (DNA). Sono fondamentali per il metabolismo energetico. Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi legati da legame fosfodiesterico (gruppo fosfato attaccato allo zucchero che si lega covalentemente allo zucchero del nucleotide adiacente) costituiti da: uno zucchero pentoso a 5 atomi di carbonio, ribosio o deossiribosio (hanno legami covalenti e quindi una struttura rigida), uno o più gruppi fosfato, base azotata (in cui vi sono legami a idrogeno quindi la struttura non è rigida) che possono avere un doppio anello (purine: adenina e guanina) o ad anello singolo (pirimidine: citosina e timina e uracile). Alcuni nucleotidi svolgono un ruolo importante nei trasferimenti di energia e in altre funzioni cellulari come: adenosina trifosfato (ATP), guanosina trifosfato (GTP), adenosina monofosfato (cAMP), nicotinamide adenindinucleotide (NAD⁺).

Carboidrati

I carboidrati (CH₂O)_n: sono gli zuccheri semplici (monosaccaridi e disaccaridi) e complessi (amido, glicogeno e cellulosa). Sono:

• I monosaccaridi sono formati da 3 a 7 atomi di carbonio. Possono essere triosi (gliceraldeide), pentosi (ribosio, ribulosio) ed esosi (glucosio: aldoesoso e il fruttosio: chetoesoso; in soluzione avviene la formazione del legame emiacetalico e quindi di una struttura circolare ad anelli).
• I disaccaridi sono due monosaccaridi ad anello legati con legame glicosidico (legame covalente di condensazione polimerizzato) e sono: saccarosio (α-D-glucosio+ß-D-fruttosio), lattosio (ß-D-glucosio+ ß-D-galattosio) e maltosio (2 α-D-glucosio).
• I polisaccaridi immagazzinano energia e hanno una funzione strutturale e sono: l'amido (riserva dei vegetali negli amiloplasti, si può presentare sotto forme di amilosio semplice o amilopeptina ramificata), glicogeno (è strutturalmente simile all'amido vegetale ma è più ramificato e idrosolubile e si accumula nel fegato e nei muscoli), cellulosa (è un carboidrato strutturale, insolubile e non digeribile dall’uomo). I carboidrati combinati con le proteine sono glicoproteine, gli amminozuccheri sono zuccheri complessi come la galattosammina (cartilagine) e i glicolipidi sono i carboidrati combinati con i lipidi.

Lipidi

I lipidi sono macromolecole costituite da acidi grassi. Sono solubili nei solventi apolari e insolubili in acqua. I grassi sono riserve energetiche (adipociti=contenitori). Gli acidi grassi saturi sono rigidi e contengono il maggior numero possibile di atomi di idrogeno e formano lunghe catene con interazioni di van der Waals (acido palmitico) mentre gli acidi grassi insaturi sono fluidi e non vi sono le interazioni di van der Waals (acido oleico). Alcuni lipidi sono mediatori chimici come le prostaglandine legate all'infiammazione. Tra i più importanti ci sono:

• Trigliceridi: esteri degli acidi grassi con il glicerolo (legame esterico)
• Fosfolipidi: lipidi anfipatici, è nella membrana cellulare (ha una coda idrofobica costituita da due acidi grassi e una testa idrofila che comprende il glicerolo legato al gruppo fosfato. In acqua forma un doppio strato fosfolipidico in quanto le teste interagiscono con l'acqua e le code sono all'interno del doppio strato).
• Steroidi: ormoni formati da 4 anelli carboniosi, hanno una funzione strutturale e sono: colesterolo, ormoni sessuali, cortisone, sali biliari...
• Cere: grassi strutturali
• Terpeni e carotenoidi: pigmenti vegetali insolubili in acqua (possono essere convertiti in vitamina)

Organizzazione della cellula

La cellula è l'unità funzionale della vita. La proliferazione cellulare è l'aumento del numero di cellule. Il differenziamento cellulare è la trasformazione da un tipo cellulare a un altro. La cellula è la più piccola unità in grado di svolgere tutte le attività vitali. Secondo la teoria cellulare le cellule si possono formare solo per divisione di una cellula preesistente.

Storia della cellula

Le prime scoperte sulla cellula:

• 1665: Robert Hooke - cellule di sughero (30x)
• 1677: A. von Leeuwenhoek - organismi acquatici unicellulari, cellule del sangue e dello sperma (300x)
• 1839: M. Schleiden e T. Schwann - le cellule sono le unità di vita di tutti gli esseri viventi

Affinché possa essere mantenuta l'omeostasi il contenuto della cellula deve essere separato dall'ambiente esterno e questo compito è svolto dalla membrana plasmatica che è una barriera estremamente selettiva. Il micrometro è l'unità di misura delle cellule. Alcune cellule hanno delle estroflessioni della membrana plasmatica (microvilli) che aumentano l'area superficiale. Le dimensioni e la forma delle cellule sono correlate alla loro funzione, il che consente una grande diversità tra le cellule stesse.