Biologia applicata

BIOLOGIA APPLICATA

CHE 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, perchè 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 es 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 nutrisrsi hanno sforzato troppo il collo per procurarsi il cibo da un

albero troppo alto. Successivamente con Darwing 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 chè 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 35gg 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 formate 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 perchè

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.

1924 TEORIA DI HALDANE -OPARIN : 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.

1953, l'esperimento di MILLER-UREY ha confermato 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 conducentiv 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.

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 POLIMERI

zuccheri semplici polisaccaridi

amminoacidi proteine

nucleotidi acidi nucleici (DNA e RNA)

acidi grassi 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 STRU

usata da noi umani anche per fare la carta igienica) TU

chitina (esoscheletro antropodi; noi la estraiamo per fare RA

il filo chirurgico con cui mettiamo i punti. È fatta di LE

zucchero.

amido (presente nelle piante con funzione di riserva; per DE

noi → antiiritazione: un bimbo irritato da il bagno con PO

l'amido. SI

glicogeno (fa da riserva ed è presente nel fegato) TO

globuli rossi (necessari per riconoscere il gruppo sanguinio RICO

Sono carboidrati simili (non per forma) a targhette che NOSCI

fungono da riconoscimento. MENTO

LIPIDI O GRASSI:

sono un gruppo eterogeneo di molecole idrofobe, insolubili in acqua e solubili in solventi

apolari. Sono chiamati anche trigliceridi perchè 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 perchè 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

descissero.

• 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 (attaccate al carbonio 1) -piramidine: citosina ( C)

l'adenina si lega soolo con la timina timina (T)

mediante un legame ad idrogeno uracile (U)

mentre guanina e uralice si legano assieme. -purine: guanina (G)

l'uracile è una timina modificata quindi si lega adenina (A)

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 cosi 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 perchè si compatta subito in strutture

rotonde chiamate ISTONI. 8 istoni formano un NUCLEOSOMA (11nm) che è

sostanzialemente 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 comatina: 1) eterocromatina

(700nm) = più condensata, non puoi entrare nel meccanismo che legge l'espressione genica.

2) 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 perchè hai bisogno di leggere le

informazioni quindi spesso si trova in una forma più lassa, meno condensata.

L'eterocromatina non è uno stato permanente perchè dove ci sono informazioni da leggere

diventa eucromatina. Ma ci sono anche parti del genoma delle cellule che rimangono

sempre in eterocromatina perchè 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 perchè non ci sono due filamenti.

Basi azotate: 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

DNA RNA

localizzazione nucleo e piccola % nei mitocondri nucleo e citoplasma

filamento doppia elica unico filamento

zucchero pentoso senza ossigeno pentoso con ossigeno

basi A-T-C-G A-U-C-G

CELLULE DOMINIO BATTERI → BATTERI PROPRIAMENTE DETTI

DOMINIO ARCHEABATTERI

DOMINIO EUCARIOTI PROTISTI

PIANTE 4 regni

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)

capside (rivestimento proteico) dimensione virus: 20nm circa

REPLICAZIONE VIRALE LITICA (ciclo litico)

lisi=divisione

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 animal e sono di tipo eucariote.

CELLULA PROCARIOTE EUBATTERI

ARCHEABATTERI

• 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

solfobatteri struttura di rivestimento con notevole permeabilità.

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 batt