Biologia applicata

Biologia animale

La biologia animale si occupa dei processi dei viventi, in particolare degli animali o Metazoi. Gli animali sono organismi eterotrofi che si nutrono per ingestione, quindi a spese di altri animali, sono formati da cellule eucariotiche e sono organismi pluricellulari.

Proprietà dei viventi

• Organizzazione biologica: Gli esseri viventi hanno un’organizzazione complessa basata su una gerarchia di livelli strutturali. Si passa da atomi a molecole, a organelli, a cellule, a tessuti, a organi, ad apparati o sistemi, a organismo. Ad ogni livello si acquisiscono nuove proprietà che sono dette proprietà emergenti e sono risultato delle varie interazioni tra i vari livelli. In particolare dalla cellula in poi compare la VITA. A tutti i livelli vi è una correlazione forma-funzione e all’aumentare del livello aumentano anche le dimensioni.
• Teoria cellulare: Gli esseri viventi sono formati da almeno una cellula. Tutte le reazioni chimiche avvengono all’interno della cellula e queste reazioni chimiche permettono la sopravvivenza. Le cellule possono originarsi solo da altre cellule e al loro interno si trova il patrimonio genetico che si tramanda.
  • Cellule procariotiche: Formano solo organismi unicellulari come i batteri. Al loro interno il DNA è circolare ed è libero nel citoplasma. Hanno meno organuli e esternamente hanno una parete batterica di protezione.
  • Cellule eucariotiche: Possono formare organismi sia unicellulari che pluricellulari e possono essere sia cellule animali che vegetali. Al loro interno il DNA si trova in una membrana e hanno molti organuli. Per quanto riguarda la cellula vegetale, ha anche una spessa parete oltre la membrana plasmatica, ha un vacuolo e molti cloroplasti.

  Tutte le cellule sono microscopiche in quanto il rapporto superficie-volume deve essere molto piccolo. La superficie aumenta al quadrato mentre il volume aumenta al cubo, quindi l’unico modo affinché ci sia meno differenza possibile è che le dimensioni siano molto piccole. Inoltre i gas si muovono di 0,5 mm, quindi se la cellula fosse molto grossa i gas arriverebbero solo agli organuli periferici facendo morire la cellula in quanto la parte centrale non è alimentata. Una volta formate, le cellule si specializzano e possono cambiare forma. Possono diventare cellule nervose, fibre muscolari, cellule intestinali, globuli rossi... La prima tappa evolutiva è la diversificazione tra cellule germinali (per la riproduzione) o cellule somatiche (per la nutrizione o la locomozione). Per aumentare le dimensioni dell’organismo inoltre non aumenta la grandezza delle cellule ma aumenta il numero di cellule. Gli organismi possono essere di due tipi: autotrofi o eterotrofi. Gli autotrofi sono in grado di sintetizzare le proprie molecole organiche a partire da sostanze inorganiche e utilizzando energia non derivante da sostanze organiche. Gli eterotrofi sono organismi che non sono in grado di sintetizzare le proprie molecole organiche partendo da molecole inorganiche ma devono utilizzare molecole organiche come fonte di energia.

• Acquisiscono, trasformano, utilizzano energia: A livello dei mitocondri avviene il flusso di energia. Per quanto riguarda la fotosintesi, avviene a livello dei cloroplasti delle cellule vegetali, converte l’energia luminosa in ATP e questa energia viene utilizzata per sintetizzare glucosio partendo da CO₂ e H₂O. (fotosintesi: CO₂ + H₂O → O₂ + zuccheri). Per quanto riguarda la respirazione cellulare aerobica, avviene nei mitocondri di tutte le cellule eucariotiche. In questo caso l’energia chimica del glucosio viene trasformata in energia chimica sotto forma di ATP. (respirazione cellulare aerobica: O₂ + zuccheri → H₂O + CO₂). Gli organismi eterotrofi riescono ad avere energia solo tramite la nutrizione. Una volta che gli alimenti vengono ingeriti, possono essere utilizzati per produrre molecole più grosse, o possono essere utilizzati nel processo respiratorio per produrre energia sotto forma di ATP necessaria per produrre altre molecole.
• Metabolismo: Svolgono reazioni chimiche. Questo processo si verifica a livello cellulare. Il metabolismo è l’insieme di tutte le reazioni che avvengono a livello cellulare. Le vie metaboliche sono tutte collegate. Queste reazioni sono strettamente regolate e collegate dalle attività cellulari e avvengono tutte in acqua. Esistono due tipi di reazioni: di catabolismo e di anabolismo che hanno funzioni diverse ma sono collegate. Le vie cataboliche permettono di digerire le molecole rompendo i legami che le formano. Rompendo questi legami si produce energia. Una parte di questa energia viene dispersa in calore, una parte invece intraprende le vie anaboliche per andare a sintetizzare le molecole. Queste reazioni sono velocizzate dagli enzimi. Gli enzimi sono catalizzatori che permettono di abbassare l’energia di attivazione delle reazioni. Sono specializzati e ogni enzima ha solo un sito e se è attivo si lega autonomamente al substrato. Nella reazione l’enzima rimane invariato. (Lisozima: enzima presente in tessuti animali con proprietà battericida)
• Risposta agli stimoli: Gli organismi non sono isolati dall’ambiente ma hanno organi specifici che permettono la comunicazione tra ambiente esterno ed interno (sistema nervoso). La risposta agli stimoli è strettamente collegata all’omeostasi. Questi sistemi sono più sviluppati negli animali ma anche le piante possono rispondere agli stimoli.
• Omeostasi: Hanno dei meccanismi di autoregolazione in modo da raggiungere un equilibrio anche in base all’ambiente esterno. Scambi gassosi e respirazione cellulare vengono regolati dall’omeostasi in base alle situazioni. Questi processi sono alla base della sopravvivenza. Vengono regolati anche l’equilibrio idro-salino e la temperatura corporea.

Temperatura corporea e regolazione

Ci sono processi che mantengono costante la temperatura corporea nonostante le variazioni ambientali. In base a questo si distinguono animali:

• Endotermi → traggono tutto il calore corporeo dai loro processi metabolici
• Ectotermi → traggono la maggior parte del calore corporeo dall’ambiente esterno
• Omeotermi → hanno la capacità di mantenere costante la loro temperatura
• Eterotermi → non hanno questa capacità

L’uomo è un organismo omeoterma-endoterma. La nostra temperatura corporea deve rimanere costante e questo accade grazie a dei recettori a livello della cute (ghiandole sudoripare) e a livello dell’ipotalamo (centri di riscaldamento e raffreddamento).

• Possiedono informazioni genetiche: Queste informazioni sono contenute nel DNA che è formato da geni. L’insieme delle informazioni genetiche prende il nome di genoma.
• Si riproducono: Producono qualcosa di uguale o diverso dai genitori. La riproduzione può avvenire anche da un solo individuo. Non è vantaggiosa per l’individuo ma è vantaggiosa per la specie e la popolazione in quanto ne evita l’estinzione. Può essere di due tipi:
  • Vegetativa (asessuale) → senza sessualità
  • Sessuale → in stretta associazione con la sessualità

  Alla base della riproduzione c’è un meccanismo di divisione cellulare. Esistono 3 tipi di divisione cellulare in base a come viene diviso il materiale genetico:

  • Scissione → nelle cellule procariotiche. Può essere binaria, nel caso si formino 2 cellule, oppure multipla nel caso si formino più di 2 cellule. Tramite il secondo tipo di scissione si ottengono linee clonal in quanto le cellule che si originano sono tutte uguali nel genoma. Anche le anemoni, che sono pluricellulari, si riproducono in questo modo formando organismi con la stessa forma ma di taglia più piccola.
  • Mitosi → nelle cellule eucariotiche somatiche. In questo caso non si modifica il patrimonio genetico.
  • Meiosi → nelle cellule eucariotiche sessuali. In questo caso si dimezza il patrimonio cromosomico tramite la citodieresi.

  Gli aspetti comuni sono che in tutti e 3 i casi il materiale genetico viene amplificato tramite la duplicazione e vi è una spartizione di organuli e citoplasma.

Sesso/sessualità

È l’insieme dei fenomeni che portano all’unione in un solo nucleo di due patrimoni genetici provenienti da cellule differenti. Questi DNA si combinano dando origine ad un organismo che possiede nuove combinazioni di alleli. Negli organismi unicellulari due cellule mettono in comune il loro genoma. Negli organismi pluricellulari come i metazoi serve una sola cellula, non l’intero organismo. Queste cellule sono i gameti, che sono uno maschile e uno femminile. Questi due si fondono andando incontro ad un processo sessuale (fecondazione, anfimissi, singamia) e si origina lo zigote che è una cellula aploide e il suo patrimonio cromosomico è diverso da quello dei genitori. Con lo sviluppo embrionale si ottiene un adulto.

• Si sviluppano e crescono: Il ciclo biologico è dato dalle fasi che caratterizzano la vita degli individui. Durante la crescita aumentano le dimensioni, modificano in alcuni casi la loro forma e anche le loro funzioni. Lo sviluppo da individuo giovanile ad individuo adulto può essere:
  • Diretto → se sono simili ma di taglia diversa
  • Indiretto → se sono molto diversi (tipo girino e rana)
• Si evolvono: Da individuo si passa a specie/popolazione. Durante l’evoluzione cambiano e si trasformano in base alle esigenze e in base all’ambiente esterno. Un esempio è la farfalla Biston Betularia che inizialmente era bianca ma poi ha dovuto modificare il suo colore per proteggersi in quanto le cortecce degli alberi, a causa dello smog, si erano inscurite e se fosse rimasta bianca sarebbe stata più visibile per gli animali che la cacciavano. Si trasformano anche attraverso le mutazioni. Se la mutazione è idonea l’organismo sopravvive.

Diversità dei viventi

La diversità dei viventi è una conseguenza dell’evoluzione. Tutto ha un progenitore comune, LUCA, che non si sa come sia fatto. Grazie a questo si possono usare modelli che condividono genomi con l’uomo ad esempio per alcuni esperimenti che vengono eseguiti su animali invece che direttamente sull’uomo. Vengono utilizzati il pesce zebra, i ratti, i topi che sono tutti vertebrati. Vengono utilizzati anche invertebrati come il Caenorhabditis elegans che è facile da allevare, è molto piccolo, si riproduce molto velocemente, se ne conosce l’intero genoma, si nutre solo di batteri e ha caratteristiche e proprietà di un organismo animale. Viene utilizzato anche il moscerino della frutta (Drosophila).

Chimica dei viventi

La chimica dei viventi segue le leggi fondamentali della chimica infatti molti elementi della tavola periodica sono presenti anche nel nostro organismo come ad esempio O, C, H, N che sono il 95% delle componenti delle molecole dei viventi. Altri elementi principali sono Ca (per le ossa), Cl, K, Na, Mg. Per agire si legano tra di loro tramite legami chimici:

• Legame ionico: Molto forte. In questo caso gli elettroni vengono donati da un atomo all’altro.
• Legame covalente: Forte. In questo caso vi è una condivisione di elettroni. Sono quelli più frequenti nei composti organici.

Il legame covalente può essere:

• Polare → se le cariche non sono distribuite in modo simmetrico (acqua)
• Apolare → nel caso le cariche siano distribuite simmetricamente

Nei viventi non si formano legami ionici in quanto i composti ionici sono solubili in acqua e la maggior parte delle molecole biologiche sono immerse in acqua. La vita dipende dall’acqua e dalle sue proprietà:

• Elevate forze di coesione
• Elevata tensione superficiale
• Elevata temperatura di ebollizione e fusione
• Elevato calore specifico
• È un solvente versatile

Tutte queste proprietà sono conseguenza della sua polarità. Le molecole di H₂O interagiscono tramite legami ad H che fanno sì che si formi un reticolo tridimensionale labile in cui l’ossigeno si lega ad un idrogeno. I legami ad idrogeno sono molto deboli infatti la molecola di acqua è molto reattiva.

Sostanze idrofile

Le sostanze idrofile interagiscono con l’acqua e si sciolgono. Sono composte da ioni o molecole che attraggono le molecole di acqua tramite interazioni elettriche. Sono ad esempio il saccarosio o il cloruro di sodio.

Sostanze idrofobe

Sono sostanze che non sono cariche elettricamente quindi l’acqua non riesce a separare le cariche. È ad esempio l’olio.

Composizione dei composti organici/inorganici

I composti organici sono molecole a base di carbonio che è in grado di formare 4 legami covalenti. I composti inorganici sono sostanze semplici e di piccole dimensioni come sali, acidi, basi. Le molecole organiche sono polimeri formati da monomeri. Le macromolecole dei viventi hanno ossature carboniose in cui gli atomi di carbonio possono disporsi in catene lineari, a formare anelli o in catene ramificate.

Composti C-H

Sono detti idrocarburi, sono apolari, non formano legami a H e generalmente sono insolubili in acqua. Sono le strutture base degli acidi grassi.

Composti C-O

Possono essere:

• Alcoli → se hanno il gruppo ossidrile -OH
• Aldeidi o chetoni → se hanno il gruppo carbonile C=O
• Acidi carbossilici → se hanno il carbossile –COOH

Composti C-N

Sono le ammine (formano le proteine) e gli ammidi. Anche le purine e le pirimidine (basi azotate).

Fosfati

Sono i composti con i gruppi fosfato PO₄^3-.

Macromolecole organiche/biologiche

Le macromolecole o polimeri nei viventi sono formate da monomeri che si legano tramite legami covalenti o ponti H, quindi hanno impalcature carboniose. Nel passaggio da monomero a polimero avviene una reazione di condensazione quindi si liberano molecole di acqua. Sono reazioni che richiedono enzimi catalizzatori. Al contrario, con una reazione di idrolisi, quindi rompendo i legami aggiungendo molecole di acqua, si passa da polimeri a monomeri.

Legami nelle macromolecole

Monomeri → leg. covalenti → Macromolecole → leg. non covalenti (ponti H)

Carboidrati

I carboidrati hanno diverse funzioni:

• Sono elementi strutturali (cellulosa, chitina, fanno parte dei tessuti connettivi)
• Funzione energetica (sono la fonte primaria di energia e costituiscono una riserva di energia da utilizzare al momento del bisogno)
• Sono molecole di riconoscimento (marker, riconoscono self e non-self)
• Sono costituenti degli acidi nucleici
• Sono idrati del carbonio → sono formati da C, H, O. La formula è C_n(H₂O)_n

I monomeri dei carboidrati sono gli zuccheri/monosaccaridi. Sono: glucosio, fruttosio, galattosio, ribosio. È possibile numerare i carboni e il gruppo chetonico/aldeidico deve essere legato al carbonio con numero più basso. Hanno tutti il gruppo carbonile che può essere in posizioni diverse:

• Sono aldosi se hanno il gruppo aldeidico CHO
• Sono chetoni se hanno il gruppo chetonico

Ci sono anche degli isomeri come galattosio e glucosio in cui cambia la disposizione degli OH nel C4. Hanno la stessa formula ma forma molto diversa e di conseguenza hanno anche effetti biologici molto diversi. In natura tutti gli zuccheri sono destrorsi (D) in quanto gli enzimi sono abituati ad agire sui D. Per capire se sono D o L bisogna guardare da che parte si trova OH dell’ultimo carbonio chirale. I monosaccaridi in acqua ciclonizzano. Tramite questo processo scompare il gruppo aldeidico o chetonico. Si formano due anomeri che sono alfa e beta in base alla posizione dei gruppi funzionali legati al C1. Si possono formare anche derivati degli zuccheri in caso un OH venga sostituito per esempio con un gruppo amminico o con un gruppo fosfato.

Disaccaridi

Derivano dall’unione di due monosaccaridi legati tramite una reazione di condensazione. Si forma un legame glicosidico fra gli OH di due zuccheri. Questo legame può essere alfa o beta in base al primo monosaccaride. Questa reazione richiede enzimi ed energia.

• Maltosio = αGLU + αGLU
• Saccarosio = αGLU + βFRU
• Lattosio = βGAL + αGLU (legame tra questi due rotto dalla lattasi)

Da pochi monomeri si possono ottenere molti disaccaridi in quanto ogni monosaccaride ha molti OH con cui può creare il legame.

Polisaccaridi

Sono dati dall’unione di molti monosaccaridi. Possono essere:

• Oligosaccaridi che di solito sono ramificati, si legano a proteine o lipidi e sono formati da un numero di monomeri minore o uguale a 15
• Polisaccaridi che sono polimeri ramificati o lineari, sono formati da centinaia a migliaia di monomeri legati tramite legami glicosidici

Funzione energetica

Sono la fonte primaria di energia chimica per le attività cellulari. L’energia deriva dal catabolismo dei carboidrati tramite la glicolisi. Il prodotto di questa reazione è il piruvato che entra nei mitocondri dove avviene il ciclo di Krebs seguito da una fosforilazione ossidativa in presenza di ossigeno. Si forma energia che viene immagazzinata sotto forma di ATP e NADH.

Riserva energetica

• Amido → Nelle piante. È formato da monomeri di glucosio legati tramite legami alfa glicosidici che formano catene altamente ramificate. Durante la fotosintesi il glucosio viene conservato come riserva e accumulato nella radice.
• Glicogeno → Negli animali. Formato da monomeri di glucosio legati tramite legami alfa glicosidici. Conservato nelle cellule epatiche.

Funzione strutturale

• Cellulosa → Forma la parete cellulare dei vegetali. Formata da β glucosio. I metazoi non hanno l’enzima per scinderla, se non gli animali erbivori in quanto il rumine contiene batteri simbionti in grado di digerirla.
• Chitina → Omopolisaccaride di monomeri di N-acetilglucosammina legati tramite legame beta glicosidico. È un polisaccaride strutturale negli artropodi e nella parete dei funghi. È una...