Biologia Applicata - Appunti, Slides e Schemi libro

Introduzione: perché uno psicologo moderno deve conoscere la biologia?

Per tre motivi:

• Dal punto di vista cognitivo: tutti i fenomeni psichici hanno anche una base biologica oltre che fenomenica. Bisogna quindi superare il dualismo cartesiano mente-cervello; bisogna capire che tutto ha una base biologica.
• Dal punto di vista culturale: molti aspetti della società moderna vengono continuamente influenzati dalle scoperte biologiche. Lo studio biologico inoltre ha notevoli influenze sociali e politiche; l’evoluzione della società è parallela all’evoluzione biologica.
• Dal punto di vista occupazionale: la figura professionale dello psicologo sta cambiando, si avvicina sempre di più all’ambito sanitario, è sempre più a contatto con un’équipe medico-sanitaria, lo psicologo è quindi sempre più interfacciato con il personale medico scientifico.

Esseri viventi

Cos’hanno in comune un paramecio e un bufalo? Sono costruiti entrambi da cellule (teoria cellulare), la cellula è l’unità fondamentale della vita.

Caratteristiche dei viventi

• Organizzazione: i viventi sono tutti costituiti e organizzati in cellule. Possono esserci organismi a una cellula (unicellulari) o organismi più complessi costituiti da miliardi di cellule (pluricellulari).
• Crescita e sviluppo: crescita implica un aumento di volume (ma solo negli unicellulari) mentre abbiamo aumento di volume e di numero per i pluricellulari. La crescita avviene in parallelo allo sviluppo, che implica una serie di trasformazioni che subisce l’organismo o per tutta la vita o fino a una certa età (es: uomo completa lo sviluppo verso i 18-20 anni). Abbiamo poi anche la morfogenesi e la diversificazione cellulare, che servono per specializzare l’organismo.
• Trasformazioni energetiche: in tutti i processi di un organismo nulla accade senza dispendio di energia. Il metabolismo comprende tutte le modificazioni chimiche e biochimiche che avvengono in un vivente.
• Autoregolazione: i viventi tendono a regolare le loro funzioni mantenendo uno stato di equilibrio interno detto omeostasi (riporta l’organismo in condizioni di minor differenza dalle condizioni standard).
• Risposta a stimoli esterni: è la capacità di reagire a stimoli esterni e rispondere ai cambiamenti ambientali. Qualsiasi tipo di risposta implica movimento (può essere di atomi, molecole, cellule, parti dell’organismo ecc). La capacità di rispondere a stimoli esterni dipende dall’esistenza di “antenne” sulle cellule dette recettori, che sono molecole in grado di reagire a determinati stimoli specifici.
• Riproduzione: non esiste organismo vivente che derivi da un organismo non vivente. Ci sono due tipi di riproduzione:
  • Asessuata: non c’è scambio di materiale genetico, la cellula innesca segnali che portano alla sua divisione cellulare; le cellule che derivano da questa sono geneticamente uguali. In questo caso non vi è variabilità (a meno che non accadano mutazioni).
  • Sessuata: vi è scambio di materiale genetico tra due organismi. Il nuovo organismo conterrà l’informazione genetica derivante in parte dalla mamma e in parte dal papà. Questo tipo di riproduzione aumenta la variabilità genetica.
• Adattamento all’ambiente: esistono pressioni ambientali che fanno sì che alcuni patrimoni genetici siano più adattabili ad un ambiente piuttosto che altri patrimoni. Gli adattamenti possono essere:
  • Strutturali
  • Fisiologici
  • Comportamentali

Un organismo che non possiede anche solo una di queste caratteristiche non è un vivente. Ad esempio, i virus non compiono una replicazione autonoma perché necessitano di un organismo ospite.

La biologia segue tre temi centrali

• Evoluzione: tutti gli organismi si sono evoluti da forme di vita più semplice. Oggi il metodo per studiare l’evoluzione non è più tanto quello elaborato da Darwin quanto quello di studiare i geni e lo studio molecolare: come le mutazioni nel genoma si sono conservate in geni diversi.
• Trasmissione dell’informazione: la vita è trasmissione di informazioni, abbiamo fenomeni di:
  • Comunicazione cellulare
  • Codificazione cellulare
  • Attivazione di programmi genetici

  Gene: è un pezzo di DNA che dice come dev’essere fatta una proteina. Non abbiamo 25mila geni che codificano proteine.

  Domanda esame: Noi in ogni cellula portiamo lo stesso genoma. Che cos’è che rende diversi due tipi diversi di cellula (es: cosa diversifica un neurone da una cellula epidermica?) È il tipo di geni che la cellula esprime. Le cellule attivano o spengono geni in modo tale da diversificare un neurone da una cellula epidermica; la loro differenza sta quindi nell’espressione di geni diversi a partire da uno stesso DNA.
• Energia necessaria alla vita: da dove viene l’energia? Dal sole. Esistono sistemi che intrappolano l’energia radiante (fotosintesi) e trasformano i fotoni in energia; grazie a questa la cellula riesce a compiere lavoro utile. Tutto quello che facciamo implica dispendio di energia.

Dogma centrale della biologia

Questo dogma attualmente sta un po’ vacillando perché solo ora si sta studiando il DNA non codificante contenuto in grandi quantità, evoluto in parallelo rispetto a quello codificante. L’informazione genica fluisce dal DNA ➔ RNA ➔ proteine.

• Il DNA contiene tutte le informazioni necessarie per costruire un organismo cellulare. Il dna non causa la diretta sintesi delle proteine perché questa viene compiuta dall’RNA. Il DNA dura per sempre e si trova nel nucleo. Nel DNA è scritto solo com’è la struttura della proteina.
• L’RNA è una copia del DNA “usa e getta”. Ha quindi vita breve; sullo stampo di questo RNA si formano le proteine. Qui i geni vengono espressi.
• Le proteine sono l’espressione di geni scritti nel DNA.

Come un biologo genera dati? E come procede?

Esistono due modi di procedere:

• Induzione: si parte dall’osservazione particolare per arrivare a estrarre principi generali.
• Deduzione: dal generale al particolare (sillogismo).

La biologia usa entrambi i sistemi per raggiungere delle conclusioni; il sapere biologico è sempre provvisorio: prima di arrivare a una teoria si passa dalla verifica delle ipotesi. Le ipotesi sono verità valide finché non vengono smentite. L’ipotesi è supportata da dati sperimentali; perché un’ipotesi sia scientifica dev’essere smentibile.

Le ipotesi quindi devono essere:

• Coerenti
• Analizzabili/riproducibili
• Confutabili

“L’ornitorinco è un mammifero?” fa le uova; la scoperta di questo animale ha fatto vacillare l’idea di mammifero che poi è stata rivisitata e ampliata in base a questa scoperta.

Esperimento: questo deve generare dati statisticamente significativi. Bisogna generare un campione rappresentativo in modo tale che il campione in analisi rappresenti fedelmente quel campione ed elimini le variazioni casuali. L’esperimento è costituito quindi da:

• Un gruppo di controllo
• Un gruppo sperimentale

(Es: togliere il nucleo ad un ameba con un’ansa per vedere se muore)

Teoria: è un’ampia spiegazione della realtà rafforzata da consistenti esperimenti e osservazioni. È una spiegazione integrata di tanti tipi e verifiche di ipotesi. Una teoria è in grado di stabilire relazioni tra fatti che precedentemente non sembravano correlati. Una buona teoria cresce e si rafforza nel tempo con l’acquisizione di nuovi risultati.

Due sono gli approcci:

• Riduzionistico: è un approccio causa-effetto che mi dà subito una chiave di lettura. Cerco di evidenziare uno o pochi eventi che di per sé sono responsabili di un fenomeno biologico complesso.
• Sistematico: mi mostra come una singola variazione mi perturba il sistema in molti punti, integra molte informazioni ottenute con l’altro approccio. Il sistema è più che la somma delle sue parti.

Progetto Genoma: grazie ad esso è stato completato il sequenziamento del genoma umano. L’approccio riduzionistico e quello sistemico sono complementari, devono procedere in modo parallelo; la biologia procede in parallelo con la tecnologia. Le scienze “omiche” (genomica, ecc.) intendono descrivere il profilo complessivo delle molecole di una cellula o di un gruppo di cellule.

Visione d’insieme della cellula

• Genoma: è l’intero patrimonio genetico contenuto nel nucleo della cellula.
• Cellula: è l’unità funzionale della vita; gli organismi più complessi, come gli eucarioti, hanno un nucleo, questo è protetto da un sistema di membrane (zona nucleare) costituita da:
  • Cromosomi: filamenti di DNA complessati con proteine specializzate, dette istoni, che fan sì che il DNA sia superavvolto in vari ordini di avvolgimento. Il DNA infatti è compattato grazie all’intervento di queste proteine. Il compattamento del DNA non ha solo la funzione di far stare il DNA in un piccolo spazio ma anche la funzione data dal fatto che il diverso grado di compattamento di questa struttura (DNA + istoni = cromatine) determini quali zone siano maggiormente esprimibili:
    • Superavvolte: il DNA è quasi inerte, non esprime geni
    • Meno superavvolte: il DNA è più facilmente esprimibile
  • Citoplasma: possiede il macchinario molecolare che traduce. Il DNA parla un linguaggio di nucleotidi; esiste un gruppo di nucleotidi (base azotata) che imprime l’identità di questo nucleotide. Patrimonio genetico (più o meno accessibile, è un meccanismo di controllo, modula il grado di compattamento) la leggibilità del DNA è ereditata in modo epigenetico.

Organizzazione biologica

Questa avviene su base gerarchica a più livelli strutturali: atomo ➔ molecola ➔ organuli ➔ cellula ➔ tessuti ➔ organi ➔ organismi ➔ popolazione ➔ comunità ➔ ecosistema ➔ biosfera.

Chimica: i componenti della materia

Atomo: è la più piccola quantità di materia presente nell’universo, è quindi un elemento che è caratterizzato dal fatto che sia costituito da tre particelle subatomiche:

• Protoni: carichi positivamente, si trovano nel nucleo.
• Neutroni: carichi neutri, si trovano nel nucleo (il nucleo è dunque positivo dato che vi sono protoni e neutroni ma i neutroni sono neutri e quindi prevale il positivo dei protoni).
• Elettroni: carichi negativamente, ruotano attorno al nucleo e sono nello stesso numero dei protoni.

Il fatto che elementi siano diversi fra loro è dato dal numero atomico che è dato dal numero di protoni, questi sono contenuti nel nucleo. Il nucleo è avvolto da una nube di elettroni. I neutroni sono particelle nucleari senza carica ma sono quelle che conferiscono massa all’elemento, il numero di neutroni può variare entro certi limiti.

Numero atomico (Z) ➔ numero di protoni
Massa (A) ➔ protoni + neutroni

Isotopo: è un elemento che ha lo stesso numero atomico (n° di protoni) ma massa diversa. Gli elettroni si organizzano in orbitali, ogni orbitale contiene un numero massimo di elettroni. Il primo livello energetico (o guscio) contiene al massimo due elettroni per orbitale (idrogeno e elio, per esempio), quando un livello si completa si passa a quello successivo, gli elettroni si disporranno in un orbitale più esterno e più distante dal nucleo.

Più gli elettroni sono distanti dal nucleo più acquisiscono energia potenziale, più gli elettroni sono vicini al nucleo più sono stabili. Il secondo livello energetico contiene al massimo 8 elettroni per orbitale. Gli elettroni sono la “colla molecolare” delle sostanze, infatti i legami chimici avvengono grazie a cessioni e condivisioni di elettroni.

La configurazione stabile si ottiene con la configurazione a ottetto ➔ 8 elettroni

L’unità di massa è il Dalton (D) o uma. L’energia potenziale degli elettroni si accresce tanto più questi salgono di livello. Le molecole e gli atomi tendono a stare nelle configurazioni più stabili quindi in orbitali più interni (es: se un atomo ha 8 elettroni nell’orbitale più interno e uno in quello più esterno tenderà a cederlo in modo da tornare al completamento di quello più interno che dà maggiore stabilità a quell’elettrone).

Ci sono comunque dei casi particolari: di base la regola è che si passa da E > a E < ma nella fotosintesi si passa da E < a E >. Se forniamo energia dall’esterno all’atomo, questa energia farà balzare i suoi elettroni verso un livello energetico più esterno.

Valenza: indica la capacità degli atomi di combinarsi con altri elementi, esprime il numero di elettroni che un atomo guadagna, perde o mette in comune quando forma legami con altri atomi. Gli atomi si combinano tra di loro per formare molecole e composti:

• Molecole: possono essere formate da atomi uguali o diversi (insieme di almeno due atomi uguali o diversi). Un esempio è l’ossigeno.
• Composti: possono esser formati solo da atomi diversi (un esempio è l’acqua). Esistono anche composti non molecolari, come il cloruro di sodio, che è un composto che esiste in situazioni solide ma in situazioni acquose (in soluzione) si scioglie, questo si scioglie perché H interagisce con l’atomo negativo.

Legami tra atomi

• Legame covalente: è il legame più difficile da rompere poiché è molto stabile, l’unico modo per romperlo è usare degli enzimi. Questo legame consiste nel fatto che due atomi condividono elettroni nell’orbitale più esterno, mettono in comune elettroni per diventare più stabili; questo porta alla capacità delle molecole di legarsi insieme. Il legame covalente può essere:
  • Polare: ne è un esempio l’acqua, dove l’ossigeno è molto più elettronegativo dell’idrogeno quindi i due atomi di idrogeno tendono a sbilanciarsi (cedere elettroni) all’ossigeno. Un legame polare è solubile in acqua.
  • Apolare: quando non esiste una zona di sbilanciamento di cariche verso un nucleo. Un legame apolare non è solubile in acqua.
• Legame non covalente (o ionico): sono legami dove l’atomo più elettronegativo “strappa” un elettrone all’altro, il primo atomo diventa uno ione con carica negativa (anione), il secondo uno ione con carica positiva (catione). Questo legame è di natura prettamente elettrostatica. Un esempio è il cloruro di sodio (NaCl) dove tra i due elementi si forma un’attrazione elettrostatica, non c’è una vera e propria condivisione di elettroni, esiste solo attrazione elettrostatica tra atomo di Na, che tende a cedere un elettrone assumendo carica positiva, e il Cl che acquisisce l’elettrone ceduto assumendo carica negativa.
• Legame semplice: viene condiviso un elettrone tra due atomi e si indica H – H
• Doppio legame: vengono condivisi due elettroni O = O
• Legami dovuti a interazioni deboli: abbiamo due tipi:
  • Legami idrogeno: come il DNA, le catene di DNA sono tenute insieme da legami H; individualmente sono molto deboli ma tanti legami vicini sono forti.
  • Forze di Van der Waals: sono legami dovuti ai temporanei sbilanciamenti di carica dovuti al fatto che gli elettroni sono sempre in continuo cambiamento.

Chimica organica

Gli elementi che costituiscono i viventi sono:

• 70/80% acqua
• Restante costituito da composti del carbonio e da H, O, N, S, P

Carbonio: ha una struttura tetravalente

• C + H: forma un idrocarburo, possono assumere configurazioni isomeriche: stessi atomi di H e C ma disposti in maniera diversa nello spazio e possono anche formare dei cicli (anello formato da tre doppi legami, es: cicli aromatici).
• C + O: forma un biossido di carbonio, le catene possono ruotare attorno al proprio asse.

Gruppi funzionali

Gruppi funzionali: sono gruppi di atomi che sono collegati fra loro e che danno caratteristiche chimiche specifiche alle molecole in cui sono presenti:

• R-OH gruppo ossidrile: è un gruppo polare, questo gruppo conferisce una natura polare a una molecola, il gruppo se è polare influenzerà le capacità di reagire con altre molecole.
• R-COOH gruppo carbossilico: molto polare, conferisce acidità ad un composto, questo gruppo è importante per formare gli amminoacidi (influenza la carica netta di una molecola).
• R-NH2 gruppo amminico: può strappare un protone e divenire positivo (influenza la carica netta di una molecola).
• R-SH gruppo sulfidrilico: quando è presente su un amminoacido gli permette di formare un legame covalente con un altro amminoacido che ha anch’esso un gruppo sulfidrilico, è molto reattivo.
• R-PO4H2 gruppo fosfato: si trova negli acidi nucleici.

Carboidrati (o idrati di carbonio)

Contengono due atomi di idrogeno e un ossigeno per ogni atomo di carbonio. Si suddividono in:

Zucchero

• Monosaccaride: una sola molecola di zucchero come il glucosio:
  • 3C: gliceraldeide (trioso)
  • 5C: ribosio e desossiribosio (pentosi)
  • 6C: glucosio, fruttosio, galattosio (esosi)

Glucosio: può essere presente in configurazione ad anello in due versioni:

• Posizione α: ossidrile disposto sotto il piano dell’anello
• Posizione β: ossidrile sopra il piano dell’anello