Biologia applicata

Biologia applicata

Cos'è la biologia?

Studio della vita. 4.6 milioni di anni fa → formazione della cellula. 3.8 milioni di anni fa → cellula primordiale → vita, perché la cellula è l'unità base vitale. Il numero delle specie eucariotiche sulla Terra è di circa 8.7 milioni +/- 1.3 milioni. La specie è l'unità base per la classificazione della diversità biologica.

• Specie
• Genere
• Famiglia
• Ordine
• Classe
• Phylum
• Regno
• Dominio
• Vita

Proprietà comuni degli esseri viventi

Movimento, respirazione, nutrizione, nascita, crescita, morte, reattività, riproduzione, acquisizione/trasformazione/utilizzo dell'energia dell'ambiente esterno, omeostasi (condizione d'equilibrio), elevato livello di organizzazione e disposizione di cellule, adattamento all'ambiente, programma interno → DNA (genoma contenuto in tutte le cellule con il nucleo).

Esempi

• Reattività. Tutti gli esseri viventi sono sottoposti a stimoli a cui si applica una risposta positiva o negativa, ad esempio alla sorgente luminosa la pianta risponde muovendosi verso essa (reazione positiva), oppure se noi umani ci scottiamo rispondiamo allontanandoci (reazione negativa). Reagiamo per una condizione d'equilibrio necessaria → omeostasi (Cannon 1929) 'stato stazionario'. Omeostasi cellulari: ioni, ph, acqua. Omeostasi sistemiche: temperatura corporea, battito cardiaco, pressione sangue, concentrazione ematica di glucosio. La reattività di una scesa di temperatura provoca brividi che non sono altro che contrazioni muscolari. Il corpo contratto trattiene calore; mentre ad un innalzamento di temperatura sudiamo: vengono stimolate le ghiandole sudoripare che espellono che successivamente evapora.
• Adattamento all'ambiente. Es. giraffa di Lammark: avevano il collo corto ma col tempo, per nutrirsi, hanno sforzato troppo il collo per procurarsi il cibo da un albero troppo alto. Successivamente con Darwin c'erano le giraffe con il collo corto e ogni tanto una con il collo lungo. Solo queste ultime sono sopravvissute, si sono riprodotte e sono arrivate a noi. Altro es. tempo fa vi erano molti orsi bruni e pochi orsi polari (bianchi). Questi ultimi avevano il vantaggio di mimetizzarsi, riuscivano a fuggire, a riprodursi ecc. così la specie orsi bruni è andata via via estinguendosi. Altro es. un'orchidea ha una particolare forma, sembra abbia un insetto sopra. Chi non è capace di adattarsi muore, di conseguenza non si riproduce (altra proprietà degli esseri viventi).
• Elevato livello di organizzazione (proprietà degli esseri viventi) che determina l'ordine di complessità. A livello strutturale (naso in quel posto, zampe lunghe..), si trova nella prole ed è propria di quella specie. Con le generazioni deve rimanere invariato il livello di organizzazione. Se cambiamo una caratteristica non abbiamo più quel tipo di complessità.

Ciclo cellulare

Tutto ha inizio da una sola cellula e da lì iniziano subito le tantissime divisioni in cui le cellule iniziano a differenziarsi. Dopo di ché la cellula muore, morte cellulare che non ci accorgiamo accade (quanti 'pelli' cambiamo? Con le continue formazioni e morti delle cellule vecchie. Ad es. con lo scrub togliamo il tessuto epiteliale morto). In circa 35 giorni le cellule della pelle nascono, crescono e muoiono ma mai tutte insieme. Anche il sangue viene ricambiato.

Ecologia

→ interazione dell'organismo con il loro ambiente (alcune piante puoi mangiarle, altre no). Interazione/scambio all'interno di un ecosistema o comunità.

Base cellulare della vita

Cellula. Gli organismi formati da una sola unità, una sola cellula sono detti organismi unicellulari, mentre quelli formati da più cellule organismi pluricellulari. La chiamiamo cellula dal 1665, quando Hooke si chiese se i tappi di sughero fossero vivi. Poi Leeuwenhoek osservò i suoi spermatozoi e il suo sangue al microscopio e furono così stilate teorie cellulari:

• 1838 Shleiden: riteneva che l'organizzazione fosse frutto di una cristallizzazione spontanea di sostanze organiche inizialmente al di fuori dei confini cellulari (il citoplasma); inoltre scoprì che tutte le piante sono formate da cellule.
• 1839 Schwann: invece scopre che anche gli animali sono formati da cellule.
• 1858 Virchow: conclude dicendo che ogni cellula nasce da una cellula preesistente. Tutte le cellule possiedono una membrana ed un corredo di organuli sostanzialmente comune a tutti i tipi cellulari → unità nella diversità nel senso che le informazioni sono uguali in tutte le cellule di un organismo (contenute nel DNA) ma diversamente espresse e grazie a questo si possono contare tutte le diversità cellulari.
• Es. paramecio= sono cellule ciliate che muovono i liquidi così come le nostre ciglia o i peli del naso. Unità nella diversità perché sono simili, hanno la stessa funzione anche se in scala diversa, ma noi non abbiamo e non siamo parameci.

Origine della vita

I primi sistemi viventi sulla Terra si sono auto-organizzati e si sono evoluti a partire da atomi preesistenti nel nostro pianeta. Siamo fatti della stessa materia delle stelle. "L'azoto nel nostro DNA, il calcio nei nostri denti, il ferro nel nostro sangue, il carbonio nella torta di mele..." -Carl Segan. Siamo fatti tutti della stessa materia, siamo fatti tutti di chimica. Per creare c'è bisogno di energia → Big Bang, scoppio che ha creato tutto.

Teoria di Haldane-Oparin (1924)

Ipotesi dell'evoluzione chimica che precede l'evoluzione prebiologica → brodo primordiale cioè un ipotetico ambiente ancestrale in cui si pensa possano essere avvenuti gli eventi chimico-fisici che avrebbero poi dato origine alla vita sulla Terra. Dal punto di vista chimico è una miscela acquosa molto povera di O₂, contenente idrogeno ed azoto. L'acqua avrebbe favorito la formazione di molecole complesse protette da radiazioni → così si è generata la vita. Vi era ovviamente energia, l'acqua era l'ambiente favorevole.

Esperimento di Miller-Urey (1953)

L'esperimento confermò l'ipotesi di Haldane-Oparin → l'esperimento portò alla formazione di una miscela riconducibile al brodo primordiale e dimostrò la teoria di Haldane e Oparin che ipotizzavano che le condizioni della Terra primordiale avessero favorito reazioni chimiche conducendo alla formazione di composti organici a partire da componenti inorganiche → sintesi abiotica di composti organici in condizioni simili a quelle della Terra primordiale. Le condizioni favorevoli di allora non sono ricreabili a causa delle diversità climatiche della Terra, in più ci sono molti predatori ecc., si può ricreare solo in laboratorio, non in natura.

Da queste molecole più semplici

Segue poi una formazione spontanea di macromolecole che possono legarsi mediante legami:

• Legame covalente: forte. Compartecipazione tra due atomi di una coppia di elettroni.
• Legame ionico: forte. Dato dall'incontro tra due ioni.
• Legame ad idrogeno: debole. Nel DNA sono in punti strategici e servono per legare le basi complementari. Quello è il punto in cui noi apriamo la molecola ogni volta che vogliamo duplicarla/trascriverla. Sono quindi molto importanti i legami deboli.

Sostanze idrofile e idrofobiche

• Sostanza idrofila (affinità con l'acqua): composti ionici (sali), composti polari (zuccheri) e proteine.
• Sostanza idrofobica (repulsione per l'acqua): composti apolari (olii) e proteine.

Chimica del carbonio

• Forma 4 legami covalenti
• È compatibile con vari atomi ad esempio O, H, N..
• Tende alla concatenazione: legami covalenti con altri C a formare catene carboniose.

Molecole organiche

• Monomeri
  • Zuccheri semplici
  • Amminoacidi
  • Nucleotidi
  • Acidi grassi
• Polimeri
  • Polisaccaridi
  • Proteine
  • Acidi nucleici (DNA e RNA)
  • Lipidi complessi

(Norme variabilità: con i monomeri puoi formare ogni materia vivente, componendoli in maniera diversa.)

Carboidrati

• Monosaccaridi: glucosio, fruttosio e galattosio.
• Disaccaridi: glucosio+glucosio=maltosio, glucosio+fruttosio=saccarosio, glucosio+galattosio=lattosio.
• Polisaccaridi:
  • Cellulosa (sostanza organica più abbondante nel pianeta usata da noi umani anche per fare la carta igienica)
  • Chitina (esoscheletro antropodi; noi la estraiamo per fare il filo chirurgico con cui mettiamo i punti. È fatta di zucchero)
  • Amido (presente nelle piante con funzione di riserva; per noi → antiiritazione: un bimbo irritato dà il bagno con l'amido)
  • Glicogeno (fa da riserva ed è presente nel fegato)
  • Globuli rossi (necessari per riconoscere il gruppo sanguinio)

Lipidi o grassi

Sono un gruppo eterogeneo di molecole idrofobe, insolubili in acqua e solubili in solventi apolari. Sono chiamati anche trigliceridi perché sono formati da 3 acidi grassi (coda) + glicogeno (testa). Funzioni: energetica, ormonale, strutturale, protezione.

• Se hanno legami semplici tra carboni → saturi (C-C) → solidi a temp. ambiente 37° es burro. Catena rettilinea.
• Se hanno doppi legami tra carboni → insaturi (C=C) → liquidi a temp. ambiente 37° es olio. Catena curvilinea.

Tra i lipidi troviamo i fosfolipidi formati da una testa idrofila attaccata al glicerolo e da una coda idrofoba formata da due acidi grassi. Caratteristica importante nella formazione di membrane biologiche formando il doppio strato fosfolipidico → funzione strutturale. E gli steroidi ad es. il colesterolo, importante costituente delle membrane che si posiziona nel doppio strato fosfolipidico tra le code. È un grasso molto denso/rigido e deve essere controllato perché se in abbondanza può uscire dalla membrana, bloccare le arterie e di conseguenza la circolazione. È il costituente degli ormoni.

Proteine

Sono ovunque ed hanno diverse funzioni tra cui: trasporto, motilità (actina e miosina responsabili della contrazione muscolare), strutturale (proteine che formano la pelle ad esempio), riserva (albume uovo, molto proteico), difesa, di membrana, giunzionale, enzimatica (sono acceleratori di reazioni). Sono composte da amminoacidi che in sequenza formano la proteina. Il ripiegamento della forma strutturale della proteina è dovuto alla caratteristica fisica degli amminoacidi. Se abbiamo un minimo cambiamento nella sequenza, può variare la conformazione della proteina e di conseguenza anche la sua funzione.

Acidi nucleici

Sono molecole informazionali di tutti gli organismi formati da nucleotidi e si dividono in DNA (acido desossiribonucleico) e RNA (acido ribonucleico).

• 1952 Rosalin Franklin: è stata fondamentale nella scoperta della struttura del DNA, infatti aveva fatto una foto dall'alto a raggi X del DNA.
• 1953 Watson e Crick: avevano capito come fosse fatta la struttura del DNA e la descrissero.
• 1869 Fredrich Miescher: isola per la prima volta gli acidi nucleici. Capisce che la polverina (che chiama nucleina) nella provetta l'ha estratta dal nucleo di una o più cellule.

Struttura del DNA e dell'RNA → zuccheri pentosi → differenza tra i due: ossigeno in più o in meno nel carbonio 2.

Basi azotate

• Pirimidine: citosina (C), timina (T), uracile (U)
• Purine: guanina (G), adenina (A)

L'adenina si lega solo con la timina mediante un legame ad idrogeno mentre guanina e uracile si legano assieme. L'uracile è una timina modificata quindi si lega con l'adenina mediante 3 legami idrogeno.

Gruppo fosforico

Tra il gruppo fosfato di un nucleotide ed il gruppo OH di un altro nucleotide vi è una reazione di condensazione, con liberazione d'acqua, ed il legame che si forma tra il carbonio 3' del primo e il 5' dell'altro nucleotide si chiama legame fosfodiesterico.

Struttura del DNA

A doppia elica. Esistono diversi tipi di DNA:

• A_DNA (destrorso): uguale alla struttura della doppia elica ma molto schiacciata.
• Z_DNA (sinistrorso): molto allungata e gira al contrario.
• B_DNA: forma la doppia elica così come la conosciamo.

Nell'uomo il DNA è un filamento sottilissimo (2nm). Nella cellula eucariotica, se metti in fila tutte le molecole di DNA formi un filo di due metri. Il DNA è negativamente carico quindi tende ad arrotolarsi attorno al nucleo delle cellule formato da protoni, quindi positivamente carico.

Gradi di compattazione del DNA

Il DNA (2nm) non si trova mai in filamenti semplici perché si compatta subito in strutture rotonde chiamate istoni. 8 istoni formano un nucleosoma (11nm) che è sostanzialmente la prima forma di compattazione del dna. Più nucleosomi compatti formano la cromatina (30nm), una specie di collana di perle. La collana di perle poi si arrotola formando un solenoide che poi fa delle anse. Il dna si fissa e si compatta ulteriormente su una matrice proteica.

Esistono due tipi di cromatina:

• Eterocromatina (700nm): più condensata, non puoi entrare nel meccanismo che legge l'espressione genica.
• Eucromatina: meno condensata e puoi leggere l'espressione genica.

Dalla catena di perle poi si passa al cromosoma (1400nm). La forma del cromosoma che conosciamo però la vedo solo in una determinata fase della divisione cellulare ed è molto condensata. Non puoi trattenere sempre il cromosoma in eterocromatina perché hai bisogno di leggere le informazioni quindi spesso si trova in una forma più lassa, meno condensata. L'eterocromatina non è uno stato permanente perché dove ci sono informazioni da leggere diventa eucromatina. Ma ci sono anche parti del genoma delle cellule che rimangono sempre in eterocromatina perché non hai bisogno di leggere le informazioni.

Struttura dell'RNA

A singola elica, sempre formato da nucleotidi, lo zucchero è sempre pentoso ma c'è l'ossigeno nel carbonio 2 che nel DNA non c'era. No doppia elica ma singola elica di basi. L'appaiamento di basi può avvenire lo stesso ma è il ripiegamento dello stesso filamento su sé stesso. Non c'è l'appaiamento tra basi di due filamenti perché non ci sono due filamenti.

Basi azotate RNA

• A-U (uracile al posto di T timina)
• C-G

Esistono diversi tipi di RNA:

• rRNA (RNA ribosomiale): l'80% si trova in questa forma.
• tRNA (RNA di trasporto): serve a trasportare durante la traduzione delle proteine.
• mRNA (RNA messaggero): che si occupa della ricezione e dell'invio di messaggi/impulsi.
• ncRNA (RNA non codificante per proteine).

Differenze strutturali tra DNA e RNA

Cellule

Dominio batteri

→ Batteri propriamente detti

Dominio archeabatteri

Dominio eucarioti

• Protisti
• Piante
• Funghi
• Animali

Classificazione gerarchica

Dominio degli eucarioti

Sottoinsieme (specificazione) → Regno animale

• Phylum
• Classe (es. mammiferi)
• Ordine
• Famiglia
• Genere
• Specie (un singolo animale)

In tutto ciò, il virus, dove lo mettiamo?

Osservazione

Un estratto di foglie di piante di tabacco ammalate era capace di trasmettere la malattia ad una pianta sana. All'osservazione microscopica l'estratto non rilevava la presenza di batteri ed anche sottoposta ad un trattamento di eliminazione di batteri, non ebbe perso la sua capacità infettante → si trattava di un virus, non di un battere.

Conclusione

Alcune malattie erano dovute a patogeni più piccoli e forse più elementari dei più piccoli batteri → virus è un organello cellulare formato da acidi nucleici e proteine. No membrana. Core (DNA e RNA) capsid (rivestimento proteico) dimensione virus: 20nm circa.

Replicazione virale litica (ciclo litico)

1. Il virus si fissa alla cellula.
2. Il virus penetra nella membrana della cellula e inietta il suo acido nucleico nel citoplasma della cellula.
3. L'acido nucleico virale si replica sfruttando i meccanismi della cellula infettante.
4. Le nuove molecole di acido nucleico virale vengono inserite nelle nuove particelle virali. I nuovi virus si liberano per distruzione (lisi) della cellula ospite.

Le cellule possono essere procariotiche o eucariotiche

• Diametro medio della cellula procariote: 2.0-0.2 micrometri.
• Diametro medio della cellula eucariote: 10-50 micrometri.
• Diametro medio cellula uovo: 130 micrometri.

Le cellule del nostro corpo sono dette cellule animali e sono di tipo eucariote.

Cellula procariote

Dominio eubatterico

• Cianobatteri (alghe blu-verdi) la parete è ricca di zucchero e proteine. Non sono batteri propriamente detti permeabili e vi sono differenze negli acidi nucleici.
  Enterococco rispetto agli archeabatteri e gli eucarioti. Vi sono alcuni batteri positivi tipo la flora batterica e i batteri per la fermentazione degli alcolici (vino, birra) o del pane.

Dominio archeabatteri

• Metanobatteri vivono in situazioni di ph e temperatura molto inospitali.
• Alobatteri (ambienti salini) Hanno una composizione biochimica unica con una struttura di rivestimento con notevole permeabilità.
• Solfobatteri
• Termoacidofili (100°, ph=2)

I batteri possono presentarsi in diverse forme: cocci (tondeggianti) → tutti quelli che finiscono in _cocco, bacilli (bastoncellari) → escherichiacoli, spirilli o spirochete (elicoidali) → es spirulina.

Caratteristiche delle cellule procariotiche

• Membrana plasmatica
• Parete cellulare (sostegno sia alla forma della cellula ma anche protezione per il contenuto)
• Capsule (ulteriore protezione, può essere diversa per ciascun batterio)