Biologia animale e vegetale

Biologia

La biologia è la scienza che studia gli organismi viventi ed i loro rapporti con l'ambiente che li circonda.

Caratteristiche della materia vivente

• Complessità specificatamente definita (tramandabile)
• Capacità di accrescimento (dimensioni, numero)
• Capacità di auto-riprodursi
• Adattamento all'ambiente (evoluzione)

L'approccio alla biologia può essere di due tipi: riduzionistico (si concentra su una singola parte dell'organismo vivente) o olistico (tutto l'insieme dell'organismo vivente). Quando si studia il sistema nella sua interezza, ci sono delle proprietà emergenti. Esse sono delle caratteristiche nuove che derivano dall'interazione delle varie parti del sistema.

Teoria cellulare

La cellula è l'unità fondamentale della materia vivente e ne possiede tutte le proprietà fondamentali. Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule. Si originano solo da cellule preesistenti", terzo enunciato di R. Virchow (1855).

Nel 1838-1839 T. Schwann e M. Schleiden confermarono molte osservazioni e svilupparono la teoria cellulare. Queste strutture hanno come unità di misura il nanometro o il millimetro. Date le misure, nel 1665 R. Hooke inventò il microscopio ottico.

Divisione degli esseri viventi

Grazie all'analisi molecolare del microbiologo C. Woese e alla scoperta dell'RNA ribosomiale (rRNA), egli dedusse che la struttura molecolare era differente nei vari organismi, ipotizzando così che la composizione molecolare dell'rRNA fosse più simile in organismi strettamente imparentati. Il suo lavoro fu accettato solo nella metà degli anni '90.

I suoi risultati hanno dimostrato che:

• Esistono due gruppi distinti di procarioti, assegnando allo stesso tempo due domini ad essi: Bacteria e Archaea.
• Gli eucarioti sono classificati nel dominio Eukarya.
• Il suo sistema di divisione quindi comprende che ad ogni organismo venga assegnato uno dei sei regni.
• Il regno Archaea e il regno Bacteria corrispondono rispettivamente al dominio Archaea al primo e il dominio Bacteria al secondo.
• Al regno Protista appartengono i protozoi, le alghe. Essi sono unicellulari o pluricellulari semplici.
• I membri del regno delle Piante sono organismi pluricellulari complessi in grado di svolgere attività fotosintetica.
• Il regno Fungi è composto da lieviti, muffe e funghi. Non sono fotosintetici e ottengono nutrienti mediante la secrezione di enzimi digestivi e l'assorbimento del cibo predigerito.
• Il regno Animalia è formato da pluricellulari che devono mangiare altri organismi per trarne nutrimento.

Ricapitolando, i cinque regni, proposti da R. Whittaker nel 1969, sono suddivisi in:

• Batteri (comprendente a sua volta il dominio dei batteri e quello degli Archaea)
• Protozoi (alghe e muffe)
• Piante
• Funghi e lieviti
• Animali

Tutti i regni tranne quello dei batteri, sono composti da cellule eucariotiche (vero nucleo). I tre gruppi degli esseri viventi invece studiati da Woese sono:

• Dominio dei batteri
• Dominio degli Archaea batteri
• Dominio degli Eucarioti

Gerarchia di organizzazione

Esiste una gerarchia per le complessità del sistema vivente:

chimico -> cellula -> tessuto -> organo -> sistema -> organismo -> popolazione -> comunità -> ecosistema.

Nomenclatura binomiale di Linneo

Per studiare la vita, abbiamo bisogno di un sistema per organizzare, classificare e assegnare un nome alle sue forme. La sistematica è la parte della biologia che studia le diversità e le correlazioni evolutive degli organismi. La tassonomia è un aspetto della sistematica, ovvero la scienza che studia nomenclatura e classificazione degli organismi.

Nel XVIII sec., il botanico svedese C. Linneo elaborò un metodo di nomenclatura e classificazione gerarchico con la specie come unità di misura. Esso viene anche detto sistema di nomenclatura binomiale, poiché a ciascuna specie è assegnato un nome doppio. La prima parte del nome indica il genere, la seconda parte una particolare specie appartenente a quel genere. Il nome specifico descrive una caratteristica dell'organismo ed è preceduto dal nome generico scritto per intero oppure abbreviato. L'iniziale del nome che indica il genere è sempre maiuscola, mentre la specie è minuscola. Entrambi i nomi sono scritti in corsivo o sottolineati. Ad esempio il cane, Canis familiaris (abbreviato, C. familiaris).

Dimensioni cellulari

• Unità di misura: µm (micron) e nm (nanometri)
• La cellula animale è 20-30 µm, la cellula vegetale 10-20 µm
• 6 µm = 10^-6 m (micrometro)
• 9 nm = 10^-9 m (nanometri -> i virus)
• 10 A = 10^-10 m

Le cellule hanno dimensioni microscopiche in modo che abbiano il tempo più ragionevole possibile per scambiare materia ed energia dall'esterno all'interno e viceversa.

Frazionamento cellulare

Il frazionamento di strutture subcellulari avviene tramite le tecniche di sedimentazione (Svedberg, 1920). I passi sono:

• Omogenare il tessuto in una soluzione opportuna isotonica fredda, perché già anche il pestellamento stesso introduce attrito, surriscaldando così le strutture cellulari e danneggiando gli enzimi. A questo punto si ha una sospensione che contiene le cellule rotte (membrane, citoplasma, nuclei, ribosomi).
• L'omogenato viene trasferito in una provetta e sottoposto a centrifugazione. Il risultato della centrifuga darà un sovranatante e un sedimento.
• Ciò che si è sedimentato dipende dalla velocità impostata nella centrifuga e dal coefficiente di sedimentazione (S), ovvero la velocità alla quale delle strutture/particelle sedimentano quando vengono sottoposte ad una forza centrifuga. Il coefficiente di sedimentazione è espresso in "unità Svedberg".

Per ottenere dei ribosomi, dovremmo continuare con le centrifugazioni, eliminando il sedimento che contiene i nuclei e le cellule che non sono state rotte durante il processo di omogeneizzazione, essendo interessati al sovranatante dove si trovano ribosomi e altri organelli. Il sovranatante viene messo così in una provetta, centrifugato, ricambiando il tempo e la velocità a 200.000 g per 2h (g = forza di gravità). Esistono diversi tipi di centrifuga (piccole centrifughe da banco, con il quale si possono isolare i nuclei dalle altre unità, ultracentrifughe per grandi velocità, per il DNA es.): esperimento di Meselson e Stahl.

Microscopi

Il microscopio ottico usa la luce visibile come sorgente di illuminazione, che illumina il preparato sul "tavolino". Si chiama microscopio ottico composto perché è presente un sistema di lenti. Quando si parla di microscopia è anche importante considerare la nitidezza di un'immagine ovvero:

• Il potere risolutivo, che è la capacità di distinguere due punti molto vicini tra loro.
• Il limite risolutivo comprende la lunghezza d'onda (tra 400 e 700 nm, potere risolutivo di 0,2 µm) del tipo di radiazione utilizzata, cioè il potere risolutivo è direttamente proporzionale ad essa. d = 0,61 λ / n sen α angolo al centro del cono di luce che entra nell'obiettivo indice di rifrazione lunghezza d'onda d = 0,2 nm (posso vedere 2 punti vicini tra loro).

Il microscopio elettronico ha una visione su schermo fluorescente e non sfrutta la luce come sorgente di radiazioni ma un fascio di elettroni. Dato che il potere di risoluzione di un microscopio è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda della radiazione che esso utilizza, usando un fascio di elettroni è possibile raggiungere una risoluzione parecchi ordini di grandezza superiore. Fu inventato in Germania nel 1932. d = 0,7 nm.

Questo tipo di microscopio può essere:

• A trasmissione (TEM): prevede il campione sotto forma di "fettina" ultrasottile ottenuto con l'ultramicrotomo (20 nm), lo strumento che affetta il campione che vengono poi sottoposte ad essere accarezzate da questo fascio di luce, proiettandolo su uno schermo. Il fascio di elettroni poi passano attraverso la fettina tagliata in precedenza.
• A scansione (SEM): con esso si ottengono delle immagini più profonde e tridimensionali, si possono osservare per esempio le cellule umane tumorali del sistema nervoso. Il campione viene ricoperto con dei metalli, non tagliato come nell'altro microscopio, di modo che quando il fascio elettronico colpisce il campione vengono emessi degli elettroni secondari, raccolti dal ricercatore, e l'immagine viene proiettata su uno schermo (d = 5-10 nm).

Macromolecole

Esse sono molecole di biochimica, il carbonio è l'atomo principe delle molecole biologiche, costituente delle molecole della vita, tetravalente (valenza 4): l'orbitale elettronico esterno manca di 4 degli 8 elettroni per poter essere completo, ovvero stabile. L'atomo di carbonio tende ad interagire con altri atomi con lo stesso problema (H, O) e quando c'è la condivisione di elettroni, che permette di raggiungere la stabilità, i due atomi vengono uniti da un legame covalente. Il carbonio ha un'energia di legame inversamente proporzionale ai pesi atomici degli elementi.

L'energia di legame è la quantità di energia necessaria per rompere 1 mole di questi legami, espressa in calorie/mole. Le cellule contengono tre tipi di macromolecole, mediante processo di polimerazione: acidi nucleici, proteine e polisaccaridi (no i lipidi che sono presenti nella cellula).

Le proteine possono essere con funzione enzimatica, strutturale, di mobilità, regolatrici, trasportatrici, ormonali, recettoriali, di difesa, di immagazzinamento ecc.

Gruppi funzionali

Raggruppamenti che determinano la reattività, il comportamento, la solubilità in acqua dei composti di cui fanno parte. Possono sia polari ma neutri ovvero privi di carica, oppure di carica negativa o positiva. Tra quelli privi di carica (importante è il gruppo funzionale ossidrilico OH, sulfidrico, carbonilico, aldeidico). Tra quelli dotati di carica ci sono quelli con carica negativa (carbossilico, fosforico).

L'atomo di carbonio possiede una struttura tetraedrica e può formare fino a quattro legami. Se i quattro atomi che esso lega sono diversi, sono possibili due diverse configurazioni spaziali, una l'immagine speculare dell'altra, dette stereoisomeri. L'atomo in questo modo è detto carbonio asimmetrico.

Acqua

Essa è il solvente universale nei sistemi biologici. È una molecola polare ovvero che, nel suo atomo di O c'è una parziale carica negativa mentre sugli atomi di H c'è una parziale carica positiva. L'atomo di O più elettronegativo tende ad attrarre gli elettroni messi in condivisione. Le molecole di acqua tendono ad interagire tra di loro, mediante delle interazioni non covalenti. La sua struttura triangolare forma un angolo di 104,5°. Ogni molecola di acqua allo stato liquido forma un legame a idrogeno con almeno altre tre molecole. L'acqua allo stato solido una molecola di acqua forma almeno sei legami a idrogeno con almeno altre sei molecole di acqua (struttura ordinata). Queste molecole polari con capacità di formare numerosi legami a H vengono dette molecole coesive.

L'acqua ha una capacità elevata di stabilizzare la temperatura, cioè quando la temperatura aumenta, questa energia delle molecole di acqua viene utilizzata per rompere il gran numero dei legami a H presenti tra di esse (calore specifico elevato e anche il punto di ebollizione). I lipidi non sono delle macromolecole (dal punto di vista formale) presenti già nella cellula, anche se svolgono ruoli fondamentali.

Le macromolecole cellulari

Le cellule contengono tre tipi di macromolecole mediante il processo di polimerizzazione di piccole molecole organiche:

• Acidi nucleici
• Proteine: di primaria importanza, polimeri costituiti dal ripetersi di monomeri detti aminoacidi, e possono avere funzione enzimatica (con attività catalitica per le reazioni del metabolismo), strutturali (nelle membrane, organuli..), di mobilità, regolatrici, trasportatrici (emoglobina, nei globuli rossi trasporta O₂ e CO₂), ormonali, recettoriali, di difesa, di immagazzinamento, ecc.
• Polisaccaridi: formato da monosaccaridi ripetuti sono catene polimeriche legate covalentemente da zuccheri o loro derivati, non sono molecole informazionali e sono costituite da un solo tipo di unità di ripetizione o alternarsi di due tipi.

Aminoacidi

Sono le unità fondamentali delle proteine e si differenziano dal gruppo "R", diverso per ciascuno aminoacido e ciò che rende diverse le caratteristiche, il comportamento di essi. Gli aminoacidi della sintesi proteica sono 20, e ognuno di esso dispone di un atomo di carbonio legato ad un gruppo carbossilico, un gruppo amminico e un atomo di H e ovviamente un gruppo R (una catena laterale). Gli aminoacidi sono portati dall'mRNA-transfer al ribosoma. Al variare del gruppo R, variano anche le caratteristiche dell'aminoacido stesso.

Nei tre gruppi visualizzati in classe:

• Il gruppo A (in alto) contiene gli aminoacidi che hanno delle caratteristiche idrofobiche (nemiche dell'acqua). Se una proteina nella sua sequenza di aminoacidi è ricca di aminoacidi idrofobici, avrà i gruppi R che tenderanno ad escludere l'acqua, ripiegandosi, mentre le parti in contatto con l'acqua, saranno aminoacidi polari (del gruppo B e C).
• Il gruppo B (centrale) è caratterizzato da aminoacidi che non presentano carica.
• Nel gruppo C (in basso) ci sono aminoacidi carichi sia negativamente che positivamente.

I monomeri che costituiscono il polimero si legano covalentemente l'uno all'altro grazie alla reazione di condensazione. Essa prevede l'eliminazione di una molecola di H₂O, quindi due aminoacidi reagiscono tra loro formando questo legame covalente chiamato legame peptidico. Coloro che entrano in gioco nella reazione, sono il gruppo carbossilico di un aminoacido, con il gruppo amminico dell'altro. Più legami peptidici formano una catena polipeptidica, come l'emoglobina, costituita da una struttura quaternaria, ovvero quattro subunità che interagiscono tra di loro.

Quando si descrive come una proteina si ripiega, dal primo stadio fino a quello più complesso, si parla di strutture:

• Struttura primaria: sequenza degli aminoacidi dal primo all'ultimo, legati covalentemente mediante il legame peptidico, arrivando al ripiegamento intrinseco alla struttura primaria stessa. Le interazioni che permettono questo ripiegamento sono sia dei legami covalenti (il legame di solfito, caratterizzato dall'aminoacido cisteina, formata a sua volta da due aminoacidi che contiene zolfo, polare, privo di carica) che reagendo formano il ponte di solfuro, ma anche i legami a H, ionici, e altre interazioni non covalenti come le forze di Van der Waals.
• Struttura secondaria: regioni della proteina che permettono ai polipeptidi di ripiegarsi. Qualcosa di prevedibile sulla base di certe sequenze di aminoacidi.
• Struttura terziaria: non prevedibile.
• Struttura quaternaria: formata da quattro subunità che interagiscono tra di loro.

Dominio: unità discreta ripiegata localmente di struttura terziaria.

Il glucosio

Il glucosio si ripete in modo monotono, è il monosaccaride più preso in esame, formato da sei atomi di carbonio (esoso). Le forme ad anello del D-glucosio sono:

• Alfa-D-Glucosio: l'unità di ripetizione dell'amido e del glicogeno.
• Beta-D-Glucosio: l'unità di ripetizione della cellulosa.
• Disaccaridi: come il lattosio, il saccarosio (zucchero da tavola).
• Amido: polisaccaride di riserva nelle piante. Struttura dell'amido (non ramificata), quella del glicogeno (molto ramificata).

I lipidi

I lipidi non sono delle macromolecole (dal punto di vista formale) presenti già nella cellula, anche se svolgono ruoli fondamentali, non essendo formati mediante il processo di polimerizzazione. Sono una classe eterogenea di molecole con idrofobicità e solubili in solventi organici. Essi sono suddivisi in:

• Acidi grassi: catene idrocarburiche più o meno lunghe (con polarità e apolarità), tra i 12 e i 20 atomi di carbonio. Sono molecole lipidiche anfipatiche, con caratteristiche idrofiliche e idrofobiche. Sono suddivisi a sua volta in saturi (es. palmitato) e insaturi (es. oleato, caratterizzato da uno o più doppi legami con una curvatura nella molecola).
• Trigliceridi: formati da tre molecole di acido grasso.
• Fosfolipidi: sono dei lipidi complessi, suddivisi in fosfogliceridi (come il glicerolo, formati da due molecole di acido grasso che costituiscono una porzione idrofobica apolare) e sfingolipidi.
• Steroidi, terpeni o isoprenoidi.

Cellula procariotica

Il modello procariote di cellula presenta piccole dimensioni rispetto a quella eucariotica. La cellula procariotica è in assenza di una membrana nucleare (o carioteca), all'interno del citoplasma procariotico che contiene il materiale ereditario, ovvero il DNA, e di un nucleo. In questo tipo di cellula il DNA è libero nel citoplasma, addensato nel nucleoide. All'interno di esso si trova il cromosoma batterico, una singola molecola di DNA circolare che all'interno della cellula procariotica si ripiega, date le dimensioni della stessa.

Tutti gli organelli che la cellula eucariotica presenta (RE, Apparato di Golgi, ecc.), nella cellula procariotica non ci sono. Il citoplasma presenta, oltre ai ribosomi (complessi molecolari dove avviene la sintesi delle proteine), delle strutture di accumulo ed è delimitato da una membrana plasmatica. Essa si invagina a formare dei ripiegamenti, detti mesosomi. I mesosomi sono im...