Biologia (Biologia e genetica)

Martedì 15 ottobre 2019

Biologia e genetica

3 ottobre, lezione 1

Introduzione

Biologia: bios => vita + logos => parola -> scienza della vita

• Studia gli organismi viventi e il loro rapporto con l’ambiente che li circonda
• (Importante per la biologia del comportamento)

Organizzazione gerarchica -> atomi, molecole, cellule, organi, organismi => essere vivente

Ambiente => popolazione, comunità, ecosistema, biosfera

• Differenze:
  • Popolazione => organismi stessa specie e stesso ambiente
  • Comunità => specie diverse ma stesso ambiente
  • Ecosistema => ambiente più ampio
• Caratteristiche organismo vivente:
  • 1. Complessità specificamente determinata: all’interno del codice genetico ci sono le info per far sì che quell’organismo diventi tale -> si basa sulle info nel DNA (=> info genetica) e sul genoma (=> insieme di info contenute nel DNA)
  • 2. Capacità di accrescimento -> non solo crescita in dimensioni ma anche evoluzione: modifica di alcune proprietà, sviluppo (alcuni esseri non viventi crescono in dimensioni ma non evolvono; es: ghiaccio) -> per crescere serve nutrirsi => metabolismo (catalizzato da enzimi)
  • 3. Capacità di autoriprodursi:
    • A. Asessuata => più antica sulla terra, cellula che si divide in due (es: batteri)
    • B. Sessuata => più diffusa, due organismi della stessa specie ma di sesso diverso; più vantaggiosa poiché c’è evoluzione -> mix di organismi diversi con conseguente rimescolamento genetico (quando si replica il DNA e si passa in parte alle cellule figlie)
  • Può essere positiva per la variabilità genetica ma può causare mutazioni dannose
  • 4. Capacità di rispondere agli stimoli -> lo fanno tutti gli organismi, tendenza a sopravvivere; stimoli interni o esterni
  • 5. Muoversi -> procarioti => unica cellula con movimento semplice; eucarioti=> hanno apparati sviluppati per il movimento
  • 6. Adattamento -> essenziale per la salvaguardia della specie, per la sopravvivenza (più estremo è il mimetismo): es della Biston betularia => pre-industrializzazione: mix di farfalle nere e bianche (predominano perché si mimetizzano sulla corteccia) -> post-industrializzazione: predominano le nere perché c’è un’inversione di tendenza dovuta alla polvere che fa cambiare colore alla corteccia => cambiamento solo in base all’ambiente, è selezione o negativa o positiva ma la mutazione casuale era già avvenuta

Teoria cellulare

• 1. Cellula => unità fondamentale della materia vivente
• 2. Tutti gli organismi viventi sono formati da cellule
• 3. Tutte le cellule derivano solo dalla divisione di altre cellule

Le cellule variano all’interno di un organismo per:

• A. Dimensioni -> i batteri sono i più piccoli: ordine di grandezza di nanometri (dieci alla meno 9); cellule umane: nell’ordine dei micrometri (dieci alla meno sei) dove la cellula nervosa è una delle più grandi (deve portare info anche in zone lontane del corpo)
• B. Forma -> dipende dalla funzione che ha la cellula per avere il massimo dell’efficienza:
  • Globulo rosso: più piccola cellula ma forma tale che al posto del nucleo (perso durante l’evoluzione) vi è l’ossigeno, forma circolare per non bucare
  • Adipocito: riserve di grassi, servono per contenere il grasso e per farlo schiaccia il nucleo a lato, sferica perché ha volume maggiore
  • Cellula nervosa: corpo cellulare dove vi è il nucleo da cui partono le diramazioni: 1) dendriti -> più corte per info dalle cellule più vicine; 2) assoni: più lunghe, porta e riceve info dalle cellule più lontane (sinapsi => fine dell’assone collegata alle cellule riceventi)

Cellule procariotiche: più semplici => membrana cellulare che ha al suo interno il citoplasma nel quale sono inserite tutte le molecole senza distinzione di luogo, fuori vi è la parete cellulare che offre protezione alla singola cellula

Cellule eucariotiche => membrana cellulare con all’interno citoplasma con molecole (circondate ognuna da propria membrana) in posizioni specifiche (nucleo al centro -> contiene il genoma); alcune presentano la parete cellulare (es: corteccia)

Tipi di organismi

• Unicellulari
• Pluricellulari => avvantaggiati perché le cellule hanno una funzione specifica quindi sono più efficienti

NB: le cellule sono accomunate dallo stesso DNA (possono esserci mutazioni puntiformi) -> cambia l’espressione genica ovvero come viene letto il DNA che viene diviso in geni e solo alcuni vengono letti dalla cellula

Classificazione a tre domini:

• 1. Eubacteria: batteri più generale di quella
• 2. Archaea: batteri particolari => dei 5 regni ma
• 3. Eukarya: eucarioti più corretta

Batteri

• Organismi unicellulari -> eubatteri: comuni, diversi per il loro genoma; archeobatteri: metà fra eubatteri ed eucarioti

Forme:

• 1) Cocchi -> sferici
• 2) Bacilli -> bastoncino
• 3) Spirilli -> spirale

Struttura:

• Non ha un nucleo che circonda il DNA che è disciolto nel citosol arrotolato su se stesso per evitare infezioni
• Parete batterica => peptidoglicano -> fatta da proteine e zuccheri (polipeptide + polisaccaridi); è rigida
• DNA molecola circolare -> cromosoma

Riproduzione: scissione binaria => cellula madre che aumenta di dimensioni, duplica il DNA e poi si scinde (setto divisorio)

Movimento: in ambienti liquidi o gassosi, apparato locomotore a frusta -> movimento a frusta di un flagello batterico (fatto di flagellina -> no spermatozoi) che sposta le sostanze circostanti

Archeobattere: metabolismi unici -> vivono dove nessun altro riesce a vivere; chiamati in base al luogo in cui sono: termofili (caldo), alofili (sale), sulfobatteri (zolfo nelle solfatare) e metanobatteri che producono metano

4 ottobre, lezione 2

La composizione chimica della materia

Inorganici: a parte l’acqua non sono fondamentali; vi sono anche gli ioni minerali (cationi: Na+, K+, Ca++, Mg++; i primi due importanti per sistema nervoso e anioni: Cl-, SO₄^2-, PO₄^3-, CO₃^2-) -> bioelementi non comuni

Bioelementi comuni => H, C, N, O -> nessuna molecola ne è priva

Atomo

Nucleo + elettroni che girano attorno

Legami chimici:

• 1. Ionico => fra due atomi che presentano diversa elettronegatività (=> capacità di attrarre a sé elettroni)
  • I due atomi diventano ione +: donatore e ione -: accettatore (es: acido cloridrico -> HCl -> Cl- e H+)
  • Gli elettropositivi stanno sulla tavola periodica nei primi gruppi mentre gli elettronegativi negli ultimi
• 2. Covalente => due atomi che condividono elettroni
  • Se identici -> asse a metà fra i due nuclei: nuvola elettronica con elettroni al centro, non polare e perfetto (es: O₂)
  • Se diversi -> non perfetto, polare (es: H₂O): nuvola elettronica leggermente spostata -> elettroni maggiormente vicini al nucleo del più elettronegativo che assume una parziale carica indicata con δ- mentre gli altri diventano δ+
• 3. Legame idrogeno:
  • Polarità dell’acqua -> tramite questo legame le molecole interagiscono
  • Interazione debole -> poca energia per romperlo
  • Attrazione fra cariche δ- e δ+
  • L’O è carico δ- - perché sono presenti due H (=> doppia carica parziale)
  • Ogni molecola lega altre quattro molecole
  • Coesione => tendenza ad interagire con molecole identiche a se stessa
  • Adesione => tendenza ad interagire con altre molecole polari
  • Alto calore specifico (=> aumentare di 1 grado la temperatura di 1 grammo) -> importante per la nostra temperatura corporea: controllata dalle molecole d’acqua e dalla loro proprietà di coesione (servirebbe tanta energia per rompere i legami)
  • Alto calore di evaporazione (=> sempre 1 grammo)

Dissociazione dell’acqua -> può diventare ione ma in generale tende più ad associarsi

• Idrossile: H₃O⁺ e idronio: OH-
• È importante per il pH => concentrazione degli ioni H+ (conto gli ioni dissociati)

Acqua distillata -> 10 alla -7 M (nell’acqua pura) => numero di ioni H+ e OH- uguale: pH 7 (neutro)

pH = -log [H+] => formula di calcolo

• Se concentrazione più bassa -> basica/alcalina: pH 8-14
• Se concentrazione più alta -> acida: pH 1-7

Citoplasma con pH circa 7,2 -> importante non introdurre nel corpo un pH troppo diverso da questo

Molecole idrofobe => non stanno bene in acqua, prive di carica (=> apolari) e non si sciolgono

Molecole idrofile => stanno bene in acqua, sono polari e si sciolgono in acqua

Composizione chimica cellula

70% -> H₂O

30% -> sostanze chimiche: proteine (15%), RNA (6%), zuccheri (2%), lipidi (2%), DNA (1%), ioni e piccole molecole (4%)

Quattro macromolecole:

• A. Polimeri:
  • Polisaccaridi
  • Grassi/membrane
  • Proteine
  • Acidi nucleici
• B. Monomeri:
  • Zuccheri
  • Acidi grassi
  • Amminoacidi
  • Nucleotide

Reazione di condensazione => eliminare molecole d’acqua per ottenere molecole sempre più grandi

Reazione di idrolisi => aggiungo acqua per rompere i legami

Carboidrati o zuccheri

• Acqua + carbonio => (CH₂O)_n
• Legame carbonilico -> estremità: aldeide, centro: chetone

Funzioni:

• 1. Fonte di energia
• 2. Riserva energetica
• 3. Materiale di partenza per sintesi di altri costituenti cellulari
• 4. Sostegno
• 5. Segnali di identificazione

Classificazione:

• A. Monosaccaride -> 1 monomero
• B. Disaccaride -> 2 monomeri
• C. Oligosaccaride -> 3-10 monomeri
• D. Polisaccaride -> >10 monomeri (riserve):
  • Amido e cellulosa: vegetali mentre glicogeno: animale
  • Amido e glicogeno -> più ramificati ma stesso tipo di legame
  • Cellulosa -> più lineare ma con legame atipico per le nostre molecole: non enzima per romperlo

Numero atomi: 1) pentosi (5): glucosio, fruttosio e galattosio e 2) esosi (6): acidi nucleici (DNA e RNA)

Sono chiusi ad anello -> non lineari

Isomeri => stessa formula molecolare ma con diversa struttura e proprietà chimiche

Lipidi o grassi

• Prettamente idrofobi: semplici o complessi
• Unità fondamentale => acido grasso: coda idrocarburica + gruppo carbossilico -COOH per fare i legami

Funzioni:

• 1. Strutturale
• 2. Riserva energetica -> dopo aver bruciato gli zuccheri (danno meno energia)
• 3. Messaggeri chimici -> alcuni ormoni
• 4. Vitamine

Saturi se ogni C legato a C con legame semplice => C-C

Insaturo se C legato a C con legame doppio => C=C

Semplici: 1,2,3 acidi grassi legati a glicerolo (alcol): 3C + 3OH

• Monogliceride => OH reagisce con OH -> condensazione
• Digliceride/trigliceride => in base al numero di gruppi di acidi grassi

Complessi -> strutturali:

• Fosfolipidi: 90% membrane -> 2 acidi grassi (coda apolare, idrofoba) + gruppo fosfato legato a gruppo polare (testa polare, idrofila) -> molecola anfipatica
• Glicolipidi: SNC -> contengono zuccheri:
  • 1) Cerebrosidi: acido grasso + sfingosina + monosaccaride
  • 2) Gangliosidi: acido grasso + sfingosina + oligosaccaride
• Steroidi: colesterolo -> più semplice: in generale coda idrofoba fatta da anelli benzenici ma il colesterolo ha la testa fatta solo da un OH -> determina la fluidità o la rigidità delle membrane

8 ottobre, lezione 3

Proteine

• Sono le più abbondanti:
  • 1. Enzimi -> catalizzano reazioni chimiche (-asi)
  • 2. Strutturali -> strutturano cellule, tessuti, organi
  • 3. Deposito -> riserva di nutrienti (aminoacidi)
  • 4. Trasporto -> trasporto di specifiche sostanze tra le cellule e impulsi nervosi (pompe o canali ionici) attraverso la membrana
  • 5. Regolatorie -> regolano un qualsiasi processo
  • 6. Contrattili -> partecipano ai movimenti cellulari
  • 7. Protezione -> proteggono l’organismo dagli agenti invasori

Amminoacidi -> struttura:

• In natura sono 20 (+ altri sintetizzabili) -> 3 gruppi:
  • 1. A -> idrofobi e apolari (+ semplice R)
  • 2. B -> idrofili e polari ma senza carica
  • 3. C -> polari carichi e idrofili:
    • A. Acidi -> radicale con - (aspartato e glutammato)
    • B. Basici -> radicale con + (lisina, arginina e istidina -> solo questi)
• Simbologia a tre lettere e a una lettera (- usata)

Monomeri -> amminoacido che condensa e forma un peptide (aminoacidi con diversi residui, diversa lunghezza e come si formano) -> interagiscono i due gruppi R:

• In ordine -> gruppo carbossilico + gruppo amminico

Formula:

• A sx -> aminoacido N-terminale (primo amminoacido) con gruppo NH₂ libero
• A dx -> amminoacido C-terminale (ultimo amminoacido) con gruppo COOH libero -> ci sono sempre in ogni proteina

2 gruppi nello stesso individuo -> 1) comuni, housekeeping -> essenziali per la vita della cellula e 2) diverse, specifiche -> funzione importante solo per alcune cellule

In diversi individui se estraggo le proteine da uno stesso tipo di cellula -> stessa proteina ma con minime variazioni => polimorfismo proteico ma funzionano comunque tutte, consentono la variabilità della specie

Struttura primaria -> sequenza degli amminoacidi: non rimane in struttura lineare perché sarebbe facilmente degradabile e non funzionerebbe (deve avere conformazione 3D)

Strutture secondarie -> solo alcune parti della catena primaria:

• α-elica e β-foglietto -> interazione fra CO e NH di legami peptidici lontani fra loro
• α-elica -> R da una parte rispetto ai legami coinvolti
  • 1. C=O e NH che si legano sempre ad una distanza di 4 legami peptidici (1-5, 2-6, ecc)
  • 2. Dipende dalla composizione chimica -> alcune non lo fanno altre solo in parte
  • 3. Diventa a forma di elica