Biologia di base

Introduzione alla biologia

I viventi

L'aspetto fondamentale che distingue un organismo vivente da un oggetto inanimato è la capacità di riprodursi generando altri organismi dotati delle stesse caratteristiche fondamentali. Inoltre, ogni organismo vivente è organizzato (al contrario dei non viventi), cioè composto da diverse parti che cooperano in modo armonico. Il mantenimento di strutture ordinate richiede energia: dal secondo principio della termodinamica, un sistema, lasciato a se stesso, tende a essere disordinato, mentre per mantenere l'ordine occorre energia.

Caratteristiche

• I viventi sono formati da cellule, ad esclusione dei virus. Le cellule sono unità strutturali e funzionali. Gli organismi più semplici sono formati da una sola cellula (unicellulari) mentre quelli pluricellulari sono formati da più cellule.
• I viventi crescono e si sviluppano. La crescita è l'aumento di dimensioni dovuto all'aumento di dimensioni e/o del numero di cellule. Lo sviluppo comprende anche cambiamenti (strutturali e fisiologici).
• I viventi si riproducono, ossia sono in grado di generare altri organismi simili a se stessi, perpetuando la loro specie a cui appartengono.
• Regolano il loro metabolismo. Sono dunque in grado di scambiare materia ed energia con l'ambiente e di trasformare energia da una forma all'altra. In ogni vivente avvengono moltissime reazioni chimiche e il loro insieme costituisce il metabolismo. Queste reazioni sono regolate per garantire l'omeostasi, cioè la stabilità delle caratteristiche dell'ambiente interno (Es. Temperatura costante). Le reazioni, inoltre, sono importanti per attività fondamentali come la produzione di energia per il movimento dei muscoli. Infatti, da queste reazioni dipende la vita: se vengono arrestate, le cellule e gli organismi muoiono.
• Possono percepire i cambiamenti che avvengono nell'ambiente esterno e mettono in atto processi in risposta a tali cambiamenti: rispondono agli stimoli.
• Possiedono informazione genetica, ossia l'informazione relativa alla struttura e al funzionamento di ogni essere vivente, contenuta nei geni, formati da DNA.
• Sono soggetti a evoluzione. Infatti, le caratteristiche delle popolazioni di viventi cambiano nel tempo adattandosi ai cambiamenti dell'ambiente circostante.

Costituzione

Atomi – Molecole – Organuli – Cellula – Tessuto - Organo – Apparato – Organismo

Un organismo vivente è formato da tanti atomi che formano una molecola. Queste a loro volta formano organuli che generano, dalla loro unione, cellule. L'insieme di cellule simili per struttura e per funzione formano un tessuto. L'associazione di tessuti diversi che svolgono funzioni tra loro integrate forma un organo. L'unione, sotto il punto di vista funzionale, di più organi è un apparato. Infine, più apparati generano un organismo.

Più organismi formano una popolazione. Più popolazioni una specie. Più specie una comunità. Più comunità un ecosistema. Un ecosistema può essere visto come un super-organismo formato da entità viventi e non viventi che interagiscono e si influenzano reciprocamente. Ciascun livello è dotato di proprietà emergenti, cioè proprietà più complesse di quella che sarebbe la semplice somma delle proprietà delle parti di cui è composto (es. Il cervello umano, capace di pensiero, è formato da numerose cellule, ognuna delle quali non è in grado di pensare).

Bio elementi

Gli organismi sono costituiti da materia, un termine con il quale si indica tutto ciò che occupa spazio e ha massa. La materia è composta da elementi chimici. Un elemento è una sostanza che non può essere scissa dando luogo ad altre sostanze. Per la vita sono fondamentali circa 25 elementi. Fra questi, quelli più importanti sono quattro: ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto. Questi costituiscono il 99% della sostanza vivente. Altri importanti sono: calcio, cloro, sodio, potassio, magnesio, iodio e ferro. L’unione di due o più elementi diversi combinati in proporzioni definite e costanti dà luogo a una sostanza definita composto.

Biomolecole

Le biomolecole sono composti organici, generalmente di elevato peso molecolare, appartenenti a quattro gruppi principali: proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici.

Carboidrati

I carboidrati sono composti ternari contenenti carbonio, ossigeno e idrogeno. In base alla loro struttura sono suddivisi in: monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

Monosaccaridi

I monosaccaridi rappresentano la principale fonte di energia per la maggior parte degli organismi. I monosaccaridi sono il glucosio (il più abbondante), il fruttosio e il galattosio. Il glucosio viene sintetizzato dai vegetali che contengono clorofilla attraverso la catena delle reazioni che costituisce la fotosintesi e la sua combustione completa avviene attraverso la glicolisi e la respirazione cellulare.

Disaccaridi

I disaccaridi sono: il saccarosio (zucchero da tavola) formato dall’unione di una molecola di glucosio e una di fruttosio; il lattosio formato dall’unione di una molecola di glucosio e una di galattosio; il maltosio ottenuto per idrolisi parziale dell’amido e formato dall’unione di due molecole di glucosio; il cellobiosio ottenuto per idrolisi parziale della cellulosa e formato dall’unione di due molecole di glucosio.

Polisaccaridi

I polisaccaridi svolgono due funzioni biologiche importanti: costituiscono una riserva di energia e fanno parte delle membrane e delle pareti cellulari; si distinguono infatti in polisaccaridi di riserva e polisaccaridi strutturali. I polisaccaridi di riserva sono l’amido nei vegetali e il glicogeno negli animali. L’amido è un polimero di alfa-glucosio ed è formato dall’amilosio (a catena lineare) e dall'amilopectina (a catena ramificata). Il glicogeno è un polimero di alfa-glucosio e si accumula nel fegato e nei muscoli.

I polisaccaridi strutturali sono i carboidrati che fanno parte della parete cellulare dei vegetali e dei funghi, delle membrane cellulari, dell’esoscheletro di molti invertebrati e quelli presenti negli spazi intercellulari e nel tessuto connettivo degli animali. Questi sono la cellulosa, la chitina e i glicosamminoglicani. La cellulosa è un polimero di β-glucosio a catena lineare e rappresenta il principale costituente delle pareti cellulari delle piante. L’uomo e i carnivori non sono in grado di scindere i legami β-glucosio, quindi non possono usarla come fonte di glucosio. La chitina costituisce le pareti cellulari dei funghi e l’esoscheletro di insetti e crostacei. I glicosamminoglicani sono polisaccaridi lineari in cui si alternano due unità monomere: un amminozucchero e un glucide a carattere acido.

Proteine

Le proteine sono polimeri biologici risultanti dall’unione di 20 diversi amminoacidi, uniti tra loro dal legame peptidico, a formare catene. La loro sintesi è controllata direttamente dal DNA. Possono avere un ruolo strutturale oppure funzione catalitica. Dei 20 amminoacidi, 9 non possono essere sintetizzati: sono detti perciò amminoacidi essenziali e devono essere introdotti con l’alimentazione. Dei sottogruppi delle proteine sono i peptidi e i polipeptidi.

Struttura

• Struttura primaria: sequenza di amminoacidi lungo la proteina
• Struttura secondaria: disposizione nello spazio degli amminoacidi vicini lungo la catena. Può essere ad alfa-elica o foglietto-β
• Struttura terziaria: struttura tridimensionale caratteristica delle proteine globulari. Si ottiene ripiegando su se stessa la struttura secondaria
• Struttura quaternaria: data dalla presenza di due o più subunità peptidiche

Le strutture secondarie, terziarie e quaternarie sono mantenute da legami deboli (legami H, elettrostatici e di Van der Waals o interazioni idrofobiche) e da ponti disolfuro (legami covalenti). Molte proteine se esposte a valori estremi di pH o ad alte temperature subiscono un processo di denaturazione, reversibile o irreversibile a seconda dei casi, che consiste nella rottura dei legami deboli e nella perdita della struttura tridimensionale della proteina.

I legami deboli

Sono forze non covalenti che tengono unite le molecole organiche e sono i legami a idrogeno (H), le forze di Van der Waals, le interazioni dipolo-dipolo e le forze idrofobe. Le loro caratteristiche sono che sono dotate di un grado di flessibilità e sono forti per assicurare un legame.

Lipidi

I lipidi sono importanti come componenti strutturali, come riserva di energia e come messaggeri chimici (aldosterone e testosterone). La caratteristica dei lipidi è quella di essere insolubili in acqua. I lipidi principali sono i trigliceridi, i fosfolipidi e gli steroidi. I trigliceridi hanno la funzione di riserva energetica; i fosfolipidi hanno funzione strutturale e vanno a costituire le membrane cellulari, in cui si dispongono a doppio strato rivolgendo le code idrofobe all’interno e le teste polari all’esterno; gli steroidi hanno una struttura a quattro anelli condensati e svolgono diverse funzioni in quanto comprendono gli ormoni sessuali, gli ormoni corticali, la vitamina D, gli acidi biliari e il colesterolo.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono il DNA (acido desossiribonucleico) e l'RNA (acido ribonucleico) e sono polimeri lineari di nucleotidi. Questi sono responsabili di funzioni di ereditarietà e nella sintesi proteica.

L’acqua

L’acqua è un composto inorganico ed è un componente essenziale e spesso preponderante di tutte le cellule e degli organismi.

Le molecole dell’acqua

Le molecole dell’acqua risultano legate l’una all’altra. La tendenza delle molecole a restare unite tra loro, detta coesione, è molto più forte nell’acqua che nella maggior parte degli altri liquidi. Questa caratteristica è importante per gli esseri viventi: gli alberi, per esempio, dipendono dalle forze di coesione per il trasporto dell’acqua e delle sostanze nutritive dalle radici alle foglie. Inoltre, in quest’esempio, sono fondamentali anche le forze di adesione, cioè le interazioni tra le molecole d’acqua e le molecole della parete cellulare per vincere la forza di gravità.

Una forza connessa alla coesione è la tensione superficiale, ossia una misura della resistenza che si incontra nel deformare o rompere la superficie di un liquido. I legami a idrogeno conferiscono all’acqua una tensione superficiale alta, facendola comportare come se fosse rivestita da una pellicola invisibile.

La resistenza alle variazioni di temperatura

Grazie ai suoi legami a idrogeno, l’acqua ha un’alta capacità di resistenza alle variazioni di temperatura. L’enorme quantità di acqua che copre gran parte del nostro pianeta può così mantenere la temperatura della biosfera entro i limiti compatibili con la vita. Ad esempio, la resistenza dell’acqua alle variazioni di temperatura stabilizza sia la temperatura degli oceani, sia la temperatura corporea degli organismi, fornendo un meccanismo di protezione dal surriscaldamento.

Gli stati di aggregazione

L’acqua esiste in natura allo stato aeriforme (vapore d’acqua), liquido e solido (ghiaccio). Quando si trova allo stato solido l’acqua è meno densa di quando è liquida. Questa proprietà è dovuta ai legami a idrogeno. Infatti quando l’acqua solidifica, ogni molecola forma legami a idrogeno con quattro molecole vicine, creando un reticolo tridimensionale in cui le molecole sono poste a distanza regolare. A parità di volume, il cristallo di ghiaccio contiene una quantità di molecole inferiore rispetto all’acqua liquida. Di conseguenza il ghiaccio è meno denso dell’acqua allo stato liquido e quindi galleggia sulla superficie. Se il ghiaccio affondasse, nelle zone più fredde del pianeta gli stagni, i laghi e gli oceani potrebbero gelare e solidificare.

Le proprietà chimiche

L’acqua è un ottimo solvente grazie alla sua polarità. Inoltre è un'ottima soluzione tampone, in grado di contrastare le variazioni di pH accettando ioni H⁺, quando sono in eccesso, oppure cedendoli, quando la loro concentrazione diventa troppo bassa.

Il microscopio

Per osservare le cellule di cui la natura è costituita, è stato creato il microscopio, uno strumento in grado di amplificare la capacità risolutiva dell’occhio umano. Il potere risolutivo è la distanza minima al di sotto della quale non siamo più in grado di vedere due punti come distinti tra loro. Per poter risolvere oggetti sono stati utilizzati prima le comuni lenti, poi il microscopio. Esistono due tipi di microscopi:

Il microscopio ottico

Il microscopio ottico è dotato di due sistemi di lenti: obiettivo e oculare. L’obiettivo è rivolto verso il tavolino portaoggetti sul quale viene deposto il campione da esaminare, un fascio di luce diretto da specchi attraversa il preparato e l’obiettivo ne proietta un’immagine ingrandita attraverso l’oculare, che la ingrandisce a sua volta. Con il microscopio ottico si possono osservare solo le cellule e non le strutture sub-cellulari.

Il microscopio elettronico

Il microscopio elettronico è basato sull’utilizzo, al posto della luce, di un fascio di elettroni. Questi permettono, avendo una lunghezza d’onda più breve, di ottenere un più elevato potere di risoluzione, rendendo possibile l’osservazione anche delle strutture sub-cellulari. Nel microscopio elettronico a trasmissione (TEM) un fascio di elettroni, dopo aver attraversato l’oggetto da ingrandire, colpisce uno schermo fluorescente sul quale si forma l’immagine. Nel microscopio elettronico a scansione (SEM) un raggio di elettroni esplora l’oggetto senza attraversarlo ma esaminandolo solo sulla superficie, formando in questo modo un’immagine tridimensionale.

Biologia cellulare

La cellula

La teoria cellulare

La cellula fu scoperta nel 1665 da Hooke osservando una sezione di sughero con un microscopio. Ciò che osservò fu formulato da Schlediden, Schwann e Virchow nella teoria cellulare: una cellula è un elemento di piccole dimensioni, delimitato da una membrana, pieno di una soluzione concentrata di sostanze chimiche in acqua e dotato della capacità di produrre copie di se stesso, crescendo e dividendosi in due. Gli aspetti fondamentali della teoria sono tre: tutti gli organismi viventi sono composti da cellule, unità elementari dotate di proprietà comuni; la cellula è l’unità morfologica e fisiologica fondamentale nei viventi; ogni cellula deriva da un’altra cellula preesistente; l’informazione genetica risiede nel DNA e viene trasmessa dalle cellule parentali alle cellule figlie durante la divisione cellulare.

Le dimensioni della cellula

Le dimensioni delle cellule e la loro forma possono variare in base alla funzione che devono svolgere. Le cellule più piccole sono i micoplasmi, ossia dei batteri, che hanno un diametro di 0,2 micrometri; mentre le più grandi sono le uova degli uccelli. La maggior parte delle cellule ha dimensioni comprese tra questi estremi. Di solito le cellule animali e vegetali hanno un diametro compreso tra i 10 e i 100 micrometri, e sono dieci volte più grandi della maggior parte delle cellule batteriche.

I tipi di cellula

Nel corso del tempo si sono evoluti due tipi di cellule strutturalmente diverse. In particolare, in base alla presenza o meno di un nucleo vero e proprio, le cellule vengono divise in due gruppi: cellule procariotiche e cellule eucariotiche.

Analogie (procariote e eucariote)

Entrambe le cellule sono circondate da una membrana cellulare (o plasmatica) con il duplice compito di definire un ambiente interno separato da quello esterno e di regolare l’ingresso e l’uscita dei materiali. All’interno di tutte le cellule troviamo il citoplasma, una soluzione acquosa (detta citosol) in cui sono immersi i costituenti cellulari e in cui si svolge buona parte delle funzioni cellulari. Con l’evoluzione della cellula, le funzioni vengono svolte da strutture specializzate dette organuli (o organelli) citoplasmatici. Infine, il DNA è separato dal citoplasma e racchiuso in una regione ben definita.

Schematizzando, le analogie le troviamo anche:

• Nella composizione: tutte le cellule sono formate da proteine, acidi nucleici, lipidi e carboidrati.
• Nelle reazioni chimiche svolte: tutte le cellule svolgono la glicolisi e l’ATP rappresenta la principale energia.
• Nelle informazioni genetiche, contenute tutte e sempre nel DNA

Differenze (procariote e eucariote)

Le cellule procariotiche sono le più semplici e le più piccole cellule esistenti (dimensioni di 2 micrometri). Sono prive di organelli citoplasmatici delimitati da membrana e non possiedono un vero nucleo. Il materiale genetico consiste di una singola molecola di DNA circolare, localizzata in una regione della cellula detta nucleoide. Al suo interno troviamo i ribosomi (organuli che permettono la sintesi proteica), in forma più piccola rispetto all’eucariote, e i plasmidi. La membrana plasmatica dei procarioti forma invaginazioni dette mesosomi che sono sedi di diversi complessi enzimatici coinvolti in processi quali la respirazione, la fotosintesi, la divisione cellulare e la sintesi dei lipidi. Le cellule di questo tipo, inoltre, hanno una parete cellulare esterna alla membrana cellulare, costituita da peptidoglicani. Un peptidoglicano è formato da lunghe catene polisaccaridiche in cui si alternano amminozuccheri uniti da ponti trasversali di natura peptidica.

Gli organismi procarioti sono sempre unicellulari.