Riassunto esame Biologia applicata, prof. Scalia, libro consigliato e Genetica, De Leo

La classificazione degli organismi e le basi dell'organizzazione biologica

I ricercatori stimano che nel mondo attuale vi siano dai 5 ai 100 milioni circa di specie viventi. La branca della biologia che si occupa della classificazione di questi organismi è la tassonomia, che agisce grazie al metodo di Linnaeus indicato come nomenclatura binomiale: due nomi, l'uno identifica la specie, l'altro il genere di appartenenza.

La denominazione scientifica è dunque valida e riconosciuta ovunque nel mondo, ed evita confusioni causate da nomi comuni. Si parte dalle singole specie che sono raggruppate in genere. I generi con proprietà simili formano la famiglia, le famiglie affini costituiscono un ordine, che a loro volta sono raggruppati in classi. Classi con similarità sono incluse negli stessi phylum, che costituiscono i sei regni. Infine il tutto è raggruppato nei tre domini dei Bacteria, Archaea ed Eukarya.

La tassonomia a sua volta fa parte di una disciplina più grande che è la sistematica e che è lo studio e la ricostruzione delle relazioni evolutive. Guardando alle similarità ed alle differenze tra le specie, i naturalisti possono costruire un albero evolutivo, filogenesi, che rappresenta una possibile ipotesi riguardo le correlazioni più strette tra le varie specie. Ogni carattere condiviso da due o più specie è definito omologo. Ad esempio tutti i vertebrati posseggono una colonna vertebrale e tutti i vertebrati discendono da un progenitore comune. Di conseguenza la colonna vertebrale è una struttura omologa. Al contrario un carattere che compare invece nei discendenti di una specie e non nella forma ancestrale, viene definito derivato.

Con lo sviluppo di tecniche che permettono la conoscenza a livello molecolare, si ha la nascita della sistematica molecolare, cioè la classificazione e la filogenesi della specie basata sull'analisi di dati molecolari come le sequenze nucleotidiche di DNA o di RNA o ancora di sequenze amminoacidiche di proteine. Proteine in grado di svolgere funzioni simili sono definite omologhe.

Caratteristiche degli organismi viventi

Gli organismi rappresentano le entità obiettivo della biologia, e per essere definibili come tali devono essere viventi, cioè devono possedere le caratteristiche proprie della vita:

• Capacità di riprodursi
• Capacità di reazione
• Capacità di metabolizzare
• Capacità di crescita
• Capacità di cambiare e perpetuare le variazioni
• Morte

Gli organismi sono quindi unici perché posseggono un "programma", cioè il materiale genetico, che, se espresso, dà vita al "progetto". Nelle popolazioni la diversa espressione genica dovuta alle variazioni, alle combinazioni ed al riassortimento genico, produce grande varietà che fa sì che vi sia il presupposto per il mantenimento della specie.

Teoria cellulare

La teoria cellulare costituisce uno dei passaggi chiave della biologia nonché suo principio generalizzabile ed unificante. Il termine cellula fu proposto da R. Hooke nel XVII secolo che, osservando una sottile fettina di sughero, si accorse di una struttura simile ad un alveare, fatta appunto di "piccole celle". Successivamente M. Schleiden e T. Schwann affermarono che sia i vegetali che gli animali sono fatti di piccole unità, che furono battezzate come cellule. Infine R. Virchow affermò che le cellule non sono frutto di generazione spontanea ma ognuna di esse deriva da una cellula madre.

Tutti gli organismi dunque sono costituiti da questa unità fondamentale. Alcuni ne posseggono soltanto una (organismi unicellulari), altri ne sono costituiti interamente per un numero particolarmente elevato (organismi pluricellulari). Ognuna di esse possiede le proprietà degli esseri viventi e, pur nella diversità, presentano caratteristiche comuni, mentre differiscono in dimensioni, forma, sostanze chimiche utilizzate e funzioni. Tutte le cellule hanno però una membrana plasmatica, o plasmalemma, costituita da un doppio strato di fosfolipidi, con proteine intersparse. Essa permette e regola lo scambio di molecole con l'esterno ed è la principale responsabile della comunicazione tra cellule. Tutte possiedono il citoplasma, che rappresenta il corpo di una cellula, all'interno del quale sono immersi nucleo o nucleoide ed eventuali organuli. Ogni cellula infine contiene delle macromolecole che costituisce il materiale ereditario, con la caratteristica di essere un'unica lunga molecola nei procarioti, non racchiusa dal alcuna membrana e che prende il nome di nucleoide, e di essere invece un insieme di molecole negli eucarioti, racchiuse in una zona chiamata nucleo da una membrana che prende il nome di carioteca.

I procarioti

I procarioti sono i più semplici organismi. Sono tutti unicellulari, ma a volte li si può trovare organizzati in piccole colonie. Ne fanno parte i batteri propriamente detti, le alghe blu-verdi e altre forme tutte distinte per avere ampia capacità di adattamento. Queste cellule sono di dimensioni ridotte (0,25-1,5 x 1,2-4 micron), e presentano un citoplasma circondato da membrana plasmatica, solitamente racchiuso da parete cellulare rigida. L'intero citoplasma rappresenta l'unità dove si svolgono tutte le funzioni vitali, ed in genere non vi sono presenti organuli, mentre si nota una zona, chiamata nucleoide, dove si colloca il DNA sotto forma di un singolo cromosoma circolare. La consistenza della cellula deriva esclusivamente dalla parete cellulare, che è composta da peptidoglicano, una molecola complessa che consiste in una matrice di zuccheri insoliti e legati trasversalmente da corte unità polipeptidiche.

Grazie alle diverse caratteristiche delle pareti, tutti i batteri possono essere classificati in Gram positivi e Gram negativi, a seconda che questi assumano colorazione grazie alla tecnica appunto Gram. I primi avranno una parete spessa ma costituita da un unico strato, e potranno quindi essere attaccati anche da penicillina ad esempio che renderà più fragili le pareti, i secondi invece non prendono colorazione in quanto la parete non assorbe perché paragonabile ad un sandwich. Le molecole di peptidoglicano sono infatti interposte tra i due strati di fosfolipidi di membrana. Alcuni batteri inoltre presentano uno strato gelatinoso composto da polisaccaridi che è la capsula.

La membrana plasmatica, in queste cellule, svolge un ruolo primario anche durante la duplicazione quando, grazie a delle particolari invaginazioni chiamate mesosomi, riesce a trattenere su due poli opposti le due molecole cloni di DNA per riservarne una per ogni cellula figlia. I batteri inoltre hanno possibilità di motilità grazie alla presenza del flagello, che è una struttura che può raggiungere i 12 micron di lunghezza e che si comporta come un'elica durante il movimento. Esso è formato da un uncino, un filamento e un corpo basale costituito di anelli proteici che fungono da motore sfruttando l'energia accumulata in un gradiente di protoni attraverso la membrana plasmatica. Infine altre strutture filamentose sono i pili che svolgono un ruolo fondamentale per il passaggio di informazioni tra una cellula ed un'altra.

I procarioti possono essere classificati in due gruppi principali o sottoregni: i bacteria e gli archaea. Questi ultimi sono organismi piuttosto insoliti perché ve ne sono alcuni che riescono a vivere in condizioni davvero estreme, simili probabilmente a quelle presenti alla nascita della Terra. Un esempio sono i metanogeni, i più antichi batteri conosciuti, in grado di sintetizzare metano in assenza di ossigeno (anaerobi). Gruppo principale è invece quello degli eubatteri cui appartengono anche batteri capaci di svolgere la fotosintesi, come i cianobatteri o le alghe cianoficee.

Nonostante la loro semplicità, i procarioti sono fondamentali per la vita degli altri organismi, perché capaci di sintetizzare sostanze organiche, fondamentali per il resto degli organismi, da inorganiche.

Gli eucarioti

Le cellule eucariotiche sono più strutturate e complesse delle cellule procariotiche. La caratteristica principale di questi tipi di cellule è appunto la compartimentalizzazione interna, cioè la presenza di più comparti, dove i processi biochimici possono avvenire simultaneamente, che sono riconoscibili sulla base morfologica e biochimica e prendono il nome di organuli citoplasmatici.

La compartimentalizzazione fa sì che alcuni processi degradativi non rischino di compromettere l'intera cellula, in quanto avvengono in organuli specializzati, ma perché la compartimentalizzazione possa essere efficace, deve esistere una connessione tra i vari organuli, perché questi possano lavorare insieme per il bene della cellula. La membrana cellulare non è rivestita da alcuna parete, tranne nel caso di vegetali, alcuni protozoi e funghi dove la parete è composta da fibre di cellulosa e chitina immerse in una matrice di polisaccaridi e proteine. La consistenza cellulare dunque è data dalla presenza di un citoscheletro di natura proteica.

Le membrane biologiche

Sono strutture complesse e dinamiche in grado di regolare molteplici attività cellulari. La membrana plasmatica è costituita da un doppio strato fosfolipidico, spesso dai 5 agli 8 nanometri, contenente grandi quantità di proteine, una piccola percentuale di glucidi e numerose molecole di colesterolo. Essa svolge svariate funzioni essenziali per il mantenimento dell'omeostasi cellulare, come il trasporto di sostanze o il trasferimento di informazioni.

La struttura e le funzioni della membrana plasmatica sono comuni agli altri sistemi di membrane intracellulari, che presentano fini differenze strutturali soprattutto in riferimento alla componente proteica. Nel 1972 S.J. Singer e G.L. Nicolson proposero un modello di struttura che ancora oggi è accettato, in quanto riassume tutte le proprietà delle membrane biologiche, che è il modello a mosaico fluido.

Già nei primi anni '60 grazie alla tecnica della freeze-fracture si erano avute le prime informazioni sull'effettiva disposizione delle proteine nella membrana che, secondo questo modello, si trovano profondamente immerse nella membrana. Se una miscela di fosfolipidi viene posta in ambiente acquoso, questa tende a disporsi spontaneamente nella struttura di doppio strato, infatti caratteristica di queste molecole è di essere anfipatiche in quanto possiedono una testa idrofila ed una coda idrofoba che tende ad associarsi con altre code in disposizione coda contro coda a formare una regione interna che escluda l'acqua.

La componente lipidica di membrana è molto eterogenea e varia a seconda del tipo cellulare. Le membrane biologiche di cellule animali e vegetali contengono tre tipi di fosfolipidi:

• Fosfogliceridi: sono i fosfolipidi di membrana più abbondanti e sono costituiti da glicerolo legato a due catene di acido grasso e ad un gruppo fosfato legato a sua volta ad un composto polare che può essere un composto alcolico o un amminoacido. I più comuni sono i fosfatidilcolina (contenente l'alcol colina), i fosfatidilserina (contenente l'amminoacido serina), i fosfatidiletanolammina (contenente l'alcol etanolammina) e i fosfatidilinositolo (contenenti l'alcol inositolo). Ciascun tipo di fosfogliceride di membrana può legare in corrispondenza dei carboni 1 e 2 del glicerolo, differenti molecole di acidi grassi. Essi svolgono importanti ruoli funzionali.
• Sfingolipidi: contengono, anziché glicerolo, la sfingosina, un amminoalcol che contiene un gruppo amminico ed un ossidrilico. Il gruppo amminico della sfingosina si lega con un legame ammidico al gruppo carbossilico di un acido grasso formando un composto definito ceramide. Il gruppo ossidrilico invece può essere legato ad un ortofosfato esterificato con un alcol che solitamente è la colina dando un composto chiamato sfingomielina. Ceramidi e sfingomielina sono gli unici sfingolipidi di membrana che non contengono carboidrati, infatti solitamente si trovano i glicosfingolipidi che sono costituiti dall'unione di uno o più residui glucidici con una molecola di sfingolipide. Tra questi distinguiamo i cerebrosidi e i gangliosidi, così chiamati perché in prevalenza nelle zone nervose.
• Steroidi: il principale componente di natura steroidea della membrana delle cellule animali è il colesterolo, che presenta un'estesa regione apolare costituita da 4 anelli idrocarburici più una catena laterale, ed una piccola porzione polare rappresentata da un gruppo ossidrile. Per questa sua composizione, la molecola di colesterolo, è meno anfipatica dei fosfolipidi, e può essere presente nelle membrane fino ad un rapporto di 1:1 con i fosfolipidi di membrana. Nelle cellule vegetali è difficile la presenza di colesterolo, che è sostituito da fitosteroli, mentre nei batteri gli steroli in generale sono rari e si trovano molecole molto simili, gli opanoidi. Per la sua composizione il colesterolo si trova completamente immerso nella membrana plasmatica, e uno dei maggiori effetti della sua presenza nelle cellule è quello di interferire con l'eccessivo compattamento delle code di acidi grassi, permettendo una certa fluidità della membrana anche a temperature basse. A temperature alte invece si comporta diversamente, evitando che la membrana sia troppo fluida. Per questo motivo può essere considerato il regolatore della fluidità di membrana.

Il versante esterno della membrana è caratterizzato per la presenza di fosfolipidi la cui testa è legata a catene oligosaccaridiche, che vengono chiamati glicolipidi. Il doppio strato fosfolipidico non è omogeneo, ma è caratterizzato da microdomini lipidici meno fluidi, comunemente indicati come zolle lipidiche. La minore fluidità di queste zone è principalmente dovuta ad un maggior contenuto di colesterolo e di glicosfingolipidi, che insieme determinano lo stretto impacchettamento di queste componenti dei raft lipidici. È possibile distinguere due tipi di zolle lipidiche, le caveole ed i raft non invaginati. Le prime appaiono come invaginazioni di membrana strutturalmente stabilizzate dalla presenza della proteina caveolina. I raft invece non sono distinguibili morfologicamente dal resto della membrana plasmatica. Entrambi i tipi hanno un ruolo fondamentale nella trasduzione del segnale, in quanto è stato scoperto che la maggior parte delle proteine di membrana sono localizzate proprio in corrispondenza delle zolle lipidiche.

Tutte le membrane biologiche hanno una stessa organizzazione strutturale rappresentata dal doppio strato di fosfolipidi, mentre la specificità funzionale è assicurata dalla componente proteica. Le proteine di membrana possono essere divise in:

• Proteine integrali o intrinseche: presentano una o più regioni immerse e strettamente associate con il doppio strato fosfolipidico e contengono residui amminoacidi con catene laterali idrofobiche che interagiscono con gli acidi grassi dei fosfolipidi di membrana ancorando la proteina alla membrana stessa. Se localizzate solo su un versante prendono il nome di monotopiche e sono molto rare, se invece sono localizzate su entrambi i versanti contemporaneamente prendono il nome di transmembrana e sono le più comuni. In tutte le proteine transmembrana conosciute oggi, la porzione della catena polipeptidica che attraversa il doppio strato fosfolipidico presenta una conformazione ad alfa-elica o a beta-figlietto che è costituita da circa 20-30 residui amminoacidi con gruppi laterali R idrofobici. Alcune di queste proteine sono caratterizzate dal fatto di formare pori, e sono dunque denominate porine. In queste proteine 16 diversi segmenti transmembrana sono disposti a foglietto beta ripiegato con i gruppi laterali idrofobici rivolti verso l'esterno ed i gruppi R idrofilici verso l'interno, formando una struttura a beta-barilotto con un poro centrale. Alcune proteine transmembrana attraversano una sola volta il doppio strato e prendono il nome di monopasso, altre invece lo attraversano più volte e prendono il nome di multipasso. Infine queste proteine possono essere formate da una sola catena polipeptidica o da più subunità, e prendono il nome di proteine multimeriche.
• Proteine estrinseche o periferiche: non interagiscono con la porzione centrale idrofobica ma sono solitamente legate alla membrana o attraverso interazioni con proteine integrali di membrana oppure con le teste polari dei lipidi. Alcune di queste proteine sono proteine della matrice extracellulare, e saranno rivolte verso il versante extracellulare, altre invece saranno rivolte verso il citoplasma e spesso fungono da enzimi coinvolti nei processi di trasduzione del segnale.
• Proteine di membrana ancorate ai lipidi: interagiscono attraverso legami covalenti con molecole lipidiche appartenenti al doppio strato. Le àncore più comuni sono rappresentate da gruppi prenile, mentre tra le proteine di membrana ancorate a lipidi del versante citoplasmatico ricordiamo le Ras e le Src che sono proteine coinvolte nei processi di trasduzione del segnale e per le quali è stato ampiamente dimostrato il coinvolgimento nella trasformazione tumorale, anche se la loro attività oncogena dipende dall'aggiunta di un gruppo farnesile (nelle Ras) o di di acido miristico (nelle Src).

La superficie della membrana è caratterizzata dalla presenza di gruppi glucidici. Anche le membrane cellulari interne sono caratterizzate dalla presenza di catene oligosaccaridiche esposte sul versante opposto a quello citoplasmatico. I carboidrati di membrana sono rappresentati da catene oligosaccaridiche ramificate o lineari, costituite da due o più monomeri.