Argomenti del corso di Biologia Animale

Biologia

Scienza che studia tutto ciò che riguarda gli organismi viventi, la loro struttura, fisiologia e le interazioni che instaurano tra di loro o con l’ambiente in cui vivono. Gli studi di tipo ambientale hanno come obiettivo il miglioramento delle condizioni dell’habitat in rapporto ai viventi. Qualunque fenomeno che modifichi o destabilizzi gli equilibri naturali, atmosferici, geologici o nelle acque emerse, influisce inevitabilmente su piante e animali. L’uomo, da sempre, introduce degli elementi di disturbo nell’ambiente e questi elementi possono essere controllabili o non controllabili soprattutto in termini di tempi molto lunghi. Quando queste influenze antropiche danneggiano l’ambiente, il danno si ripercuote sui viventi.

Antropizzazione

L’uomo da sempre è intervenuto profondamente sull’ambiente, cercando di adattarlo alle proprie esigenze, spesso in modo scorretto, proprio per questo motivo l’ambiente naturale diviene sempre più territorio modificato e gestito dall’uomo. Gli impatti ambientali si ripercuotono quindi sulla fitness.

Fitness

Capacità di essere in salute e di riprodursi correttamente. Fitness zero: L’organismo muore e/o non si riproduce. Bassa fitness: L’organismo si nutre male, sopravvive a stento. Alta fitness: L’organismo si rapporta bene con l’ambiente, si nutre correttamente, vive bene e si riproduce. Fitness = Sopravvivenza x Riproduzione.

Mario Ageno (1915 – 1992)

“I viventi sono come un sistema chimico coerente e dotato di un programma”. È una definizione molto chimica dei viventi ma comunque vera e sensata. Questa definizione fa intuire quanto il sistema vivente sia un sistema ordinato (non confuso) e con una logica ben precisa nella distribuzione delle molecole. “Esiste un flusso preciso nel software della vita” come ad esempio DNA, RNA e proteine sono il flusso dell’informazione.

Caratteristiche dei viventi

L’essere vivente è un sistema complesso di:

• Individualità – Non c’è infatti un essere vivente uguale ad un altro.
• Specificità – Sono raggruppati in specie all’interno delle quali vi sono molte somiglianze (individui interfecondi).
• Metabolismo proprio – Serie di trasformazioni chimiche, energetiche e fisiche che mantengono in vita l’organismo.
• Omeostasi – Capacità di controllare i parametri vitali anche se quelli esterni cambiano (capace di adattarsi all’ambiente esterno).
• Ciclo biologico – Prevede che da una cellula singola si passi allo sviluppo di un embrione e al mantenimento dello sviluppo fino al completamento della crescita.
• Riproduzione – Capacità di riprodursi e di generare altri essere viventi simili a sé.

Unità di misura in biologia

• 1 mm (millimetro) 1x10^-3 (un millesimo di metro) - Esempio: Alcune alghe
• 1 μm (micrometro) 1x10^-6 (un milionesimo di metro) - Esempio: Cellula dei batteri procariote e cellula umana eucariote
• 1 nm (nanometro) 1x10^-9 (un miliardesimo di metro) - Esempio: Interno di una cellula e virus
• 1 Å (Angstrom) 1x10^-12 - Esempio: usato per la microscopia elettronica.

Virus 20-500 nm, Cellula Procariote 1-10 μm, Cellula Eucariote 10-100 μm.

“Tutte le uova sono singole cellule eucariote.” Si tratta proprio dei gameti femminili: Sono le cellule più grandi che esistano sulla terra. Possono raggiungere dimensioni enormi come ad esempio l’uovo di struzzo. Le dimensioni di queste cellule non sono casuali perché in genere l’uovo, durante il processo di fecondazione, è quello che dovrà poi curarsi dello sviluppo dell’embrione. Una volta fecondato l’uovo diventa zigote. In molti organismi lo sviluppo embrionale è extracorporeo, ad esempio nella maggior parte dei pesci. Il pesce femmina depone le uova, il maschio passa e le feconda. Gli embrioni si sviluppano al di fuori del corpo della madre. Finché c’è la madre che nutre e protegge gli embrioni, le uova possono essere anche piccole e fragili, ma se immaginiamo un uovo che viene deposto in un ambiente rischioso come quello terrestre (esempio: Tartarughe), esso, non solo non si trova nel corpo della madre ma è anche pericolosamente esposto a ingiurie fisiche come cadute, colpi e intemperie e deve quindi essere autosufficiente dal punto di vista metabolico e addirittura protetto fisicamente. Per questo motivo le uova hanno il guscio.

Microscopia

• Stereo Binoculare: È il microscopio più semplice. Ingrandisce circa 20-40 volte.
• Microscopio Ottico (Light Microscope): Sfrutta la luce con lunghezza d’onda (dall’infrarosso agli ultravioletti) coprendo tutto lo spettro visibile. Permette di visualizzare le immagini in micrometri (μm).
• Microscopio Elettronico (Transition Electron Microscope): Sfrutta un fascio di elettroni per ingrandire l’immagine. Inventato da due tedeschi nel 1931 è lo strumento migliore in campo biologico in quanto permette di vedere addirittura gli organuli all’interno della cellula e del DNA.

Le molecole dei viventi

Molecole: Gruppi di atomi disposti nello spazio secondo una precisa geometria. Le molecole dei viventi sono per lo più macromolecole, basate sul Carbonio (C). Le principali macromolecole sono: Idrogeno (H - 1), Ossigeno (O - 8), Azoto (N - 7), Fosforo (P - 15), Zolfo (S - 16).

Idrofilia: Proprietà fisica dei materiali di legarsi all’acqua. Idrofobicità: Proprietà fisica dei materiali di essere respinte dall’acqua.

Molecole fondamentali dei viventi

• Proteine
• Carboidrati
• Lipidi
• Acidi nucleici

Le macromolecole si formano, per la maggior parte, per processo di polimerizzazione.

Polimerizzazione

Reazione chimica che porta alla formazione di una catena polimerica ovvero di una molecola costituita da molte parti uguali che si ripetono in sequenza a partire da molecole più semplici, i monomeri. Le macromolecole si formano per condensazione di monomeri con la perdita di una molecola di acqua.

Sintesi per condensazione

Unione di due monomeri o due polimeri che tra loro formano un legame covalente (legame chimico in cui 2 atomi mettono in comune delle coppie di elettroni) formando oltre ad un polimero, anche un composto a basso peso molecolare detto “condensato”.

Scissione per idrolisi

Reazione inversa della condensazione. Si tratta di reazioni chimiche in cui le molecole vengono scisse in 2 o più parti per effetto dell’acqua. Non confondere con l’idratazione, in cui ad una molecola viene addizionata una molecola d’acqua.

Gruppi funzionali

Parte della struttura della molecola caratterizzata da specifici elementi e da una struttura precisa e ben definita che conferisce al composto una reattività (particolari proprietà) comuni alle molecole che li contengono. Il gruppo funzionale costituisce il centro della reattività chimica della molecola.

CH₃ - CH₂ = OH Alcool etilico (Etanolo)
CH₃ - COOH = Acido Acetico

I gruppi funzionali danno caratteristiche importanti alla molecola.

Le proteine

È la famiglia più numerosa e diffusa di macromolecole. Sono formate da una o più catene di amminoacidi uniti tra loro attraverso un legame chimico chiamato legame peptidico. Amminoacidi (aa): Molecole il cui gruppo amminico e il cui gruppo carbossilico sono legati allo stesso atomo di carbonio (C).

Legame peptidico

Legame chimico responsabile dell’unione degli amminoacidi e della conseguente formazione di peptidi e proteine.

H OH N C C
Gruppo amminico – Basico Gruppo Carbossilico – Acido₂ R OH
Catena laterale che differenzia gli aa

Amminoacidi essenziali

Sono quelli che i vertebrati non sono in grado di sintetizzare e devono quindi essere assunti attraverso la dieta. Esempio: Lisina, Leucina, Isoleucina, Metionina, ecc. In natura esistono classicamente 20 amminoacidi costituenti le proteine, anche se recentemente se ne sono aggiunti altri 2. Le catene laterali (R) degli aa possono essere divise in 2 categorie principali:

• Polari: Idrofilo (Arginina, Asparagina, Glutammina ecc.)
• Non polari: Idrofobo costituito da atomi di Carbonio.

Legami tra amminoacidi

Amminoacido A Amminoacido B
Gruppo amminico Gruppo Carbossilico
Perde 2 atomi di H Perde un atomo di O
Legame Peptidico

O R H O R H
C C N + C C N
OH H H OH H H
=O R H O R H
C C N C C N + H₂O
OH H H H H
H si separa e si unisce a OH formando una molecola di H₂O (Attraverso una reazione di condensazione) permettendo a C e N di unirsi con un legame detto appunto peptidico.

Struttura di una proteina

• Struttura primaria: Sequenza di aa (i monomeri formano la catena peptidica).
• Struttura secondaria: Le catene peptidiche possono formare α-eliche (alpha eliche) e β-sheets (beta sheets) detto anche β-foglietto ripiegato. Si tratta di segmenti di catena che assumono una forma non stabile.
• Struttura terziaria: Il polipeptide si ripiega generando una specifica forma tridimensionale.
• Struttura quaternaria: Due o più polipeptidi si associano a formare grandi strutture complesse. In questo caso formano un tetramero costituito da 4 sub unità polipeptidiche. Le singole funzioni prendono parte alla funzione globale.

In aggiunta a questi livelli di struttura, le proteine possono spostarsi tra diverse strutture simili durante la realizzazione della propria funzione biologica.

Correlazione tra struttura e funzione

Emoglobina: Proteina globulare di struttura quaternaria, solubile e di colore rosso. È presente nei globuli rossi del sangue dei vertebrati, esclusi alcuni pesci. È responsabile del trasporto dell’ossigeno da un compartimento ad alta concentrazione O₂ ai tessuti che ne hanno bisogno. L’ossigeno si lega all’emoglobina grazie a interazioni in zone precise della molecola.

1. Conformazione nativa: La conformazione nativa di una proteina è quella responsabile della sua attività biologica. È una struttura molto organizzata, definita da precise regole di assemblaggio che ancora oggi conosciamo solo in parte. Il raggiungimento del corretto ripiegamento di una proteina è un processo spontaneo e veloce ma estremamente complesso che richiede la formazione di specifiche interazioni all’interno della macromolecola.
2. Denaturazione: Perdita della conformazione nativa che determina la perdita dell’attività biologica. Gli agenti denaturanti rompono le interazioni deboli che stabilizzano la forma nativa. Gli agenti denaturanti più comuni sono: il calore, i pH estremi, le elevate concentrazioni saline o le miscele di solventi organici come l’alcool e l’acetone.
3. Rinaturazione: Se le condizioni di denaturazione sono blande/deboli, la denaturazione è un processo reversibile quindi le proteine possono riacquisire la loro struttura nativa e di conseguenza la loro attività biologica, una volta allontanato l’agente denaturante.

Le proteine sono gli elementi molecolari, strutturali e funzionali tra i più importanti nei sistemi viventi. Qualsiasi processo vitale dipende da questa classe di molecole, ad esempio:

• Catalisi delle reazioni (Enzimi)
• Difese immunitarie (Anticorpi)
• Trasporto di ossigeno (Emoglobina)
• Trasporto nutrienti (Albumina)
• Forma e movimenti, contrazione muscolare (Citoscheletriche)

Proteine enzimatiche

Reazioni che normalmente non avvengono o avverrebbero in tempi molto lunghi vengono velocizzate dalle proteine enzimatiche. L’enzima lega il substrato formando un complesso ES che dissocia liberando il prodotto di reazione: Enzima + Substrato = ES = E + Prodotto di reazione.

Carboidrati

• Alcuni carboidrati (zuccheri e amido) sono importanti per la nostra dieta, dalla loro ossidazione ricaviamo l’energia per il nostro metabolismo.
• Alcuni carboidrati (ribosio e 2¹-deossiribosio) sono costituenti fondamentali degli acidi nucleici e quindi a loro è affidato il nostro patrimonio genetico.
• Alcuni carboidrati più complessi costituiscono la cartilagine e lubrificano le articolazioni.
• Altri sono coinvolti nel riconoscimento e nell’adesione sulla superficie cellulare.
• Nelle piante i carboidrati hanno anche funzioni strutturali (cellulosa) dato che costituiscono la parete delle cellule vegetali.

I carboidrati possono esistere come:

• Monosaccaridi (zuccheri semplici)
• Disaccaridi
• Oligosaccaridi
• Polisaccaridi

Gli zuccheri possono essere presenti in forma libera oppure coniugati ad altre macromolecole.

I Monosaccaridi

Un esempio di carboidrati (zuccheri) a 6 atomi di C “esosi”. In soluzione acquosa molti carboidrati assumono una forma chiusa e ad anello.

I Disaccaridi

Due monosaccaridi legati da un legame glicosidico (Maltosio).

Glucosio + Glucosio = Maltosio
Glucosio + Fruttosio = Saccarosio
Glucosio + Galattosio = Lattosio

I Polisaccaridi

I polisaccaridi sono formati in genere da lunghe catene di monosaccaridi. Esempio: Amido, cellulosa, chitina ecc.

Carboidrati e superficie cellulare

Le cellule presentano sulla membrana Glicoproteine e Glicolipidi i cui carboidrati formano una fitta rete che va verso la superficie esterna della cellula. Le micrografie al microscopio elettronico mostrano la superficie di cellule coperte da un fitto strato di carboidrati legati alle proteine e ai lipidi della membrana cellulare sottostante. Visti al microscopio i carboidrati sembrano una “siepe” che funge anche un po’ da protezione. Hanno anche funzioni recettoriali e sono quindi capaci di recepire i segnali interagendo con altre cellule. Nella membrana della cellula sono presenti: proteine, lipidi e carboidrati.

Lipidi

I lipidi sono un gruppo ampio e diversificato di composti organici in genere apolari e idrofobici. Sono correlati per la loro insolubilità in acqua (in genere) e solubilità in solventi organici non polari (etere, cloroformio, acetone, benzene). Presentano comunque una grande varietà strutturale. Struttura base: Carbonio e Idrogeno. Molecole Apolari: mancanza di carica.

I Fosfolipidi possono avere una parte carica e una apolare. Contrapposti e asimmetrici. Le teste sono sempre rivolte verso l’esterno della membrana.

In ambiente acquoso:
Code: lontane dall’acqua
Teste: interagiscono con essa, generando un doppio strato.

Acidi nucleici

DNA, cromosomi e nucleo cellulare. L’interpretazione dell’informazione contenuta nel DNA culmina con la sintesi proteica. DNA: Depositario dell’info genetica. Processo di Trascrizione: mRNA.

RNA

Processo di Traduzione: tRNA Poteina

• mRNA – Messaggero: Legge l’informazione del DNA e la porta fuori dal nucleo. È una molecola lunga e a filamento singolo. Contiene il codice per definire la sequenza degli amminoacidi della proteina da sintetizzare.
• tRNA – Transfer: Acido nucleico che nel citoplasma si occupa di trasportare gli amminoacidi specifici ai polipeptidi in formazione sul ribosoma durante la sintesi proteica.
• rRNA – Ribosomale: Acido nucleico a soingolo filamento che forma, con diverse proteine, i ribosomi (Organuli cellulari coinvolti nella sintesi proteica).

L’informazione passa dal DNA all’mRNA e viene reinterpretata in una precisa sequenza di amminoacidi legati a formare le proteine. Alla base del processo c’è la traduzione di un codice in un altro. Il ribosoma è la sede fisica di questo processo nella cellula. Gene: Segmento di DNA che codifica per una proteina.

Il DNA è formato da 4 unità chiamate nucleotidi:

• Adenina – Timina
• Citosina – Guanina

Le eliche sono tenute insieme da questi nucleotidi. Ogni nucleotide è formato da zucchero + fosfato + base azotata. Esistono 2 classi di basi azotate: Purine e Primidine. Adenina e Timina sono entrambe Purina (Doppio anello). Citosina e Guanina sono entrambe Primidina (Singolo anello). I legami di idrogeno tra fosfati causano la torsione del filamento di DNA. L’aspetto ricorda una scala a pioli, ai lati vi sono gli zuccheri-fosfato legati ai nucleotidi adiacenti. Il gruppo fosfato è legato allo zucchero del nucleotide successivo. Le basi azotate sono rivolte all’interno dell’elica a formare coppie con le basi sul lato opposto. Ogni coppia di basi è formata da 2 nucleotidi complementari tenuti insieme da legami di idrogeno.

La doppia elica del DNA

Miscoscopia

1655 – L’inglese Robert Hooke fu il primo a capire che i viventi erano costituiti da unità fondamentali. Analizzando il sughero descrisse i pori al suo interno come “cellule”. Fine ‘600 – Antoine van Leeuwnhoek descrisse molto bene la struttura microscopica di molte cellule (protozoi, spermatozoi e cellule del sangue). ...fino all’800 i limiti imposti dalla limitata tecnologia delle lenti ottiche rallentò i progressi scientifici nella biologia cellulare. 1839 – Theodor Schwann (biologo tedesco) descrisse le cellule della cartilagine, osservò e descrisse il nucleo ed infine enunciò la teoria cellulare. “Le cellule rappresentano la più piccola unità funzionale dei viventi”. “Tutti gli organismi sono costituiti da una o più cellule nucleate”. 1855 – Le teoria completata dagli studi del patologo tedesco Rudolph Virchow che osservò le divisioni cellulari e concluse che: “Tutte le cellule hanno origine da una cellula preesistente”.