Biologia e genetica

Biologia

La biologia è la scienza che studia gli organismi viventi ed i loro rapporti con l’ambiente che li circonda. Questi rapporti possono essere instaurati tra individui della stessa specie, di specie diverse o con l’ambiente fisico in cui l’individuo vive (ambiente = spazio + interazioni tra gli organismi + organismi stessi).

Gerarchia strutturale in biologia

In biologia esiste una gerarchia strutturale. Tutti noi siamo fatti di atomi, così come la materia non vivente. L’atomo è l’unità fondamentale di tutto e si lega ad altre molecole, che possono essere organiche (della materia vivente) o inorganiche (come acqua o sali). Le molecole si dividono in molecole piccole e macromolecole. Quest’ultime a loro volta formano la cellula, che è l’unità fondamentale degli organismi viventi. Dalla cellula si sviluppano appunto questi organismi, divisi per specie, che possono essere formati da una sola cellula o da più cellule.

• Individui della stessa specie che vivono nello stesso ambiente = popolazione
• Individui di specie diverse che vivono nello stesso ambiente = comunità

Comunità e popolazione non sono termini equivalenti in biologia.

Caratteristiche generali della materia vivente

• Accrescimento: per essere classificato come materia vivente, un organismo deve potersi accrescere, il che significa che durante il processo di crescita c’è anche un’evoluzione dell’individuo, un cambiamento delle sue caratteristiche. L’accrescimento è diverso dalla crescita perché, ad esempio, un cristallo di ghiaccio (materia inorganica) cresce nel senso che aumenta le sue dimensioni, ma non si sviluppa. Affinché l’accrescimento avvenga, devono avvenire una serie di processi metabolici all’interno delle nostre cellule.
• Capacità di riprodursi: la riproduzione può essere di due tipi: sessuata o asessuata. La riproduzione asessuata è la più primitiva (cellule che si dividono in maniera automatica formando cellule identiche a se stesse, come alghe e batteri), mentre quella sessuata è un processo più evoluto (due organismi tendenzialmente della stessa specie danno origine a una progenie, in cui vi è patrimonio genetico misto, ereditato dai due genitori. L’organismo che si forma non è quindi identico ai genitori, ma è un “misto” tra i due. Ciò è vantaggioso dal punto di vista evolutivo, perché si creano nuove identità, nuovi vantaggi evolutivi). La riproduzione sessuata non è uguale in tutte le specie (es: nel caso dell’essere umano la femmina è XX e il maschio XY, mentre in altre specie è il maschio ad avere i due cromosomi sessuali identici mentre la femmina due diversi).
• Complessità specificamente determinata: ogni organismo vivente (anche solo una cellula) deve avere al suo interno l’informazione che lo rende in grado di essere riconosciuto come appartenente a una specie specifica (es: la farfalla per essere una farfalla deve avere le ali, i pesci hanno le branchie, ecc.). Questa informazione non è altro che il DNA, il genoma. Ogni specie ha delle caratteristiche proprie che la differenziano dalle altre.
• Capacità di rispondere agli stimoli esterni: riuscire a reagire a ciò che l’ambiente pone davanti. Lo stimolo può essere ad esempio visivo o sonoro e può derivare dall’ambiente o da altri organismi. Per rispondere agli stimoli bisogna però percepirli.
• Capacità di adattarsi: necessità di un meccanismo di adattamento compatibile con la conservazione e la trasmissione dell’informazione genetica. Un esempio di adattamento messo in atto da diversi individui è il mimetismo (mimare l’ambiente per poter sopravvivere). Lo scopo ultimo dell’adattamento è sempre la sopravvivenza, la diffusione della specie.
• Movimento: esistono vari tipi di movimento, vi sono movimenti semplici, minimi, come quelli dei batteri (micromovimenti non visibili ad occhio nudo) e movimenti più complessi, macroscopici (es: leoni che lottano tra loro). In questi movimenti più complessi sono coinvolti più sistemi, come quello muscolare e nervoso.

N.B: Se una sola di queste capacità non c’è, non è materia vivente.

Teoria cellulare

Tutti gli organismi sono formati da cellule, che sono l’unità fondamentale della materia vivente. Le cellule possono essere di diverso tipo e di diverse dimensioni. Quando parliamo di biologia e di genetica parliamo di misure molto piccole, in particolare le unità di misura sono solitamente il nanòmetro (10^-9) e il micròmetro (10^-6).

La forma della cellula dipende dalla funzione che deve svolgere (es: la forma rotonda e piccola del globulo rosso deriva dalla sua necessità di attraversare vasi, vene, arterie, arteriole. Oppure le cellule adipose hanno una forma sferica per contenere riserve di grassi. Oppure la cellula nervosa presenta un corpo cellulare contenente il nucleo e presenta tante ramificazioni vicino al corpo cellulare, che consentono al neurone di ricevere segnali provenienti dalle cellule circostanti).

Cellula procariote ed eucariote

Le cellule possono essere divise in due categorie: cellula eucariote e cellula procariote. La cellula procariote (cellula che costituisce i batteri) è una cellula semplice, che presenta una membrana cellulare esterna che delimita il contenuto della cellula e all’interno vi è il citosol/citoplasma (soluzione acquosa), in cui sono immerse liberamente tutte le componenti della cellula, ovvero RNA, proteine, zuccheri, ribosomi. Al di fuori della membrana cellulare vi è la parete cellulare, una parete più rigida che protegge la cellula batterica. I batteri sono infatti organismi composti da una sola cellula, perciò la morte della cellula determina la morte del batterio.

La cellula eucariote è invece più evoluta e complessa. Essa contiene il nucleo, è rivestita da membrana e nel citoplasma oltre al nucleo vi sono organelli cellulari, piccole strutture, ciascuno coperto da membrana e ognuno con una funzione specifica.

Gli organismi possono essere unicellulari (batteri) o pluricellulari.

• Unicellulari = composti da un’unica cellula contenente tutta l’informazione genetica.
• Pluricellulari = composti da più cellule, ciascuna con una forma e funzione specifica. Cellule differenti hanno comunque DNA identici, il patrimonio genetico è lo stesso (ciò che cambia è come viene letta e trascritta l’informazione genetica).

Sistema di classificazione a tre domini

Gli organismi vengono classificati in tre domini: dominio degli eubatteri, degli archeobatteri (o àrchea) e degli eucarioti.

Batteri

I batteri comprendono due domini: eubatteri e archeobatteri. Sono strutturalmente identici: ciò che li distingue è il metabolismo cellulare, ovvero il modo in cui producono energia per vivere. Dal punto di vista della forma, i batteri si possono classificare in cocchi (forma sferica), bacilli (forma a bastoncino) e spirilli (a spirale).

I batteri hanno degli organi di movimento chiamati flagelli, strutture simili a fruste, composte da una proteina chiamata flagellina. La parete batterica è fatta da una sostanza chiamata peptidoglicano (peptidi = proteine, glic- = zuccheri. Questa sostanza è perciò composta da proteine e zuccheri).

Il DNA batterico è singolo (il batterio ha una sola molecola di DNA, che è circolare, chiusa ad anello). Il DNA tende però ad avvolgersi su se stesso, come in una matassa, per difendersi dall’aggressione di determinati enzimi e per diminuire lo spazio di occupazione della cellula.

La riproduzione avviene per scissione binaria: il batterio accresce le proprie dimensioni, il DNA si duplica, viene portato alle due estremità opposte della cellula, la membrana e la parete che rivestono la cellula affondano nel citoplasma fino a formare un setto divisorio che porta alla formazione di due cellule figlie identiche tra di loro e identiche alla madre, perché contengono lo stesso patrimonio genetico.

Archeobatteri

Gli archeobatteri sono batteri specializzati, che non infettano il nostro organismo perché vivono in ambienti in cui noi non viviamo, vivono in condizioni estreme (es: in vulcani, solfatare, fosse oceaniche). Questi batteri sfruttano queste condizioni ambientali estreme per produrre energia, grazie a un loro particolare metabolismo.

Composizione chimica della materia vivente

I composti si dividono in organici (composti che compongono le cellule. Sono perlopiù macromolecole) e inorganici (composti presenti anche loro nella cellula, ma non essenziali per la vita, ad eccezione dell’acqua). Tra i composti inorganici troviamo ad esempio acqua, ioni (presenti nel citosol e nei tessuti. Gli ioni più importanti sono cationi -carica positiva- ed anioni -carica negativa-).

Gli elementi (che troviamo nella tavola periodica) che compongono la cellula sono perlopiù idrogeno, carbonio, azoto e ossigeno. Sodio, magnesio, fosforo, zolfo, cloro, potassio e calcio sono invece meno comuni.

Atomo

L’atomo è la più piccola unità di materia e presenta le caratteristiche di quella materia (es: se prendo un atomo di ferro esso avrà tutte le proprietà presenti nel ferro in generale). È composto da molteplici particelle, divise in particelle del nucleo dell’atomo (neutroni -carica neutra- e protoni -carica positiva-). Attorno al nucleo dell’atomo girano gli elettroni -carica negativa-.

Gli elettroni vengono solitamente raffigurati come una sorta di nube che circonda il nucleo dell’atomo. Questo perché gli elettroni non sono statici, ma mobili, quindi risulta impossibile rappresentarli in una posizione precisa, in quanto questa cambia in continuazione.

Grazie alla presenza degli elettroni, è possibile formare legami chimici, ovvero quelle strutture che rendono possibile l’unione di più atomi tra loro. Uno dei principali legami chimici è il legame ionico (=interazione tra due atomi in cui vi è un trasferimento di elettroni. Gli elettroni passano da un atomo donatore (+) ad un accettore (-); uno dei due atomi trasferisce il proprio elettrone sull’altro atomo. L’atomo che acquista l’elettrone diventa ione positivo, chi lo cede diventa ione negativo).

Un altro tipo di legame è il legame covalente: gli atomi coinvolti condividono i propri elettroni tra di loro, al fine di raggiungere una certa stabilità elettronica. Non vi è quindi una formazione di ioni come prodotto finale, ma si forma semplicemente una molecola. I legami covalenti si dividono in polari e apolari.

• Non polari: si hanno o quando i due atomi che interagiscono sono identici tra di loro (es: tra due atomi di ossigeno) oppure quando i due atomi hanno le stesse caratteristiche di elettronegatività (ovvero non sono un tanto elettronegativo e l’altro tanto elettropositivo, ma sono più o meno uguali).
• Polari: vi è una condivisione di elettroni, ma i due atomi che formano il legame sono diversi tra di loro (hanno una diversa tendenza ad attrarre gli elettroni). Gli elettroni condivisi risulteranno così più vicini ad uno dei due atomi, il quale otterrà una parziale carica negativa (es: in presenza di un atomo di ossigeno e uno di idrogeno, gli elettroni tenderanno verso l’ossigeno).

Polarità delle molecole d’acqua

Atomo di ossigeno: parziale carica negativa

Atomi di idrogeno: parziale carica positiva

L’ossigeno tenderà ad attrarre gli idrogeni di altre molecole d’acqua. Le interazioni tra ossigeno e idrogeno vengono chiamate “legame a idrogeno”. Questa interazione si rompe facilmente perché più debole, infatti non parliamo tanto di un vero e proprio legame, ma più di un’attrazione. (es: è molto più facile far evaporare l’acqua rispetto ad altri liquidi). Ogni molecola di acqua può interagire con altre 4 molecole di acqua.

Principali proprietà dell’acqua

• Polarità: dovuta a una diversa distribuzione delle cariche elettriche tra l’ossigeno e gli atomi di idrogeno.
• Coesione: tendenza di una molecola d’acqua ad interagire con altre molecole di acqua.
• Adesione: analogo della coesione, ma invece di interagire con molecole di acqua, l’acqua può interagire con altre molecole polari (formazione di legami covalenti con altre molecole polari).
• Alto calore specifico: quantità di calore che un grammo di una sostanza deve assorbire per aumentare la propria temperatura di un grado centigrado. È infatti difficile alzare di un grado la temperatura dell’acqua: ciò fa sì che le nostre cellule siano in grado di mantenere stabile la propria temperatura interna. L’alto calore specifico dell’acqua ci permette di mantenere la nostra temperatura sempre intorno ai 37° anche nei mesi molto freddi o nei mesi estivi sotto il sole.
• Alto calore di evaporazione: quantità di energia necessaria per convertire un grammo di acqua dallo stato liquido allo stato di vapore. Ciò è importante ad esempio quando si ha la febbre: si appoggia un panno bagnato sulla testa e in questo modo l’acqua all’interno del fazzoletto richiama calore dal nostro corpo e passa dallo stato liquido allo stato di vapore. Il fazzoletto infatti si asciuga.
• Tendenza a dissociarsi: abbiamo visto che l’acqua naturalmente tende a stare in forma aggregata, con molecole legate tra di loro grazie a leggere interazioni. Tuttavia l’acqua può anche dissociarsi, ovvero può dividersi in ioni in alcune condizioni. Si possono trovare due diversi modi di dissociare l’acqua:

H₂O → H⁺ + OH^- (formula più semplice, dove H⁺ è lo ione idronio, anche detto protone, mentre OH^- è lo ione idrossile)

2H₂O → H₃O⁺ + OH^- (formula chimicamente più corretta, dove H₃O⁺ è lo ione idronio, mentre OH^- è lo ione idrossile)

Questa tendenza a dissociarsi dell’acqua è alla base del pH, il quale è una scala con cui si misura il grado di acidità o basicità di una sostanza. Più una sostanza è basica più il pH è alto, più una sostanza è acida più il pH è basso. La basicità e l’acidità non è altro che una misura della concentrazione degli ioni H₃O⁺ e OH^-.

Se in una sostanza sono più abbondanti gli ioni OH^- la sostanza è definita basica, mentre se sono più abbondanti gli ioni H⁺ la sostanza è acida. Per calcolare la basicità o acidità di una soluzione si usa acqua distillata, perché fatta esclusivamente da ioni H₃O⁺ e OH^-, in uguale quantità. Nell’acqua distillata la concentrazione è di 10^-7 moli/litro (unità di misura della concentrazione) sia di ioni H⁺ che di OH^-. Siccome 10^-7 è un numero complicato da scrivere, per semplicità si dice che pH= -log [H⁺], ovvero pH=-log 10^-7, che risulta 7 (perché -log 10¹⁰ fa 1 quindi rimane -7. Rimane così 10^-7 che risulta 7).

Molecole idrofiliche e molecole idrofobiche

Molecole idrofile: si sciolgono in acqua (quelle idrofobiche no).

Composizione chimica di una cellula

Le cellule (sia batteriche che eucarioti, ciò che cambia sono solo alcune percentuali) sono composte da:

• 70% acqua (infatti tra le membrane c’è soluzione acquosa, il citosol è acquoso, ecc.)

Il restante 30% è composto da:

• Proteine (15%), ovvero le macromolecole più abbondanti nella cellula
• RNA (6%)
• Fosfolipidi (2%)
• DNA (1%)
• Molecole piccole, ioni (4%)
• Polisaccaridi (2%)

Macromolecole organiche principali che si trovano nella cellula: polisaccaridi (carboidrati), lipidi (o grassi), proteine, acidi nucleici. Queste molecole possono anche essere definite polimeri (polimero = catena formata da tante unità fondamentali chiamate monomeri, legati tra loro da legami chimici covalenti). Questi legami chimici covalenti derivano tutti dalla reazione di condensazione (reazione di perdita di acqua). Può avvenire anche la reazione opposta, chiamata reazione di idrolisi (rottura di legami ad opera dell’acqua), che parte da un polimero, dal quale vengono staccate le unità fondamentali. Questa rottura di legami richiede acqua per poter avvenire.

Carboidrati (o glucidi o saccaridi o zuccheri)

Composti da carbonio e acqua; carboidrati = idrati del carbonio. Formula bruta: (CH₂O)_n (ripetuto n volte). Unità fondamentale: zuccheri semplici (catene di atomi di carbonio legati tra di loro). Gli zuccheri semplici sono divisi in chetoni e aldeidi.

Funzioni dei carboidrati

• Forniscono energia alla cellula (la cellula brucia gli zuccheri semplici quando ha bisogno di energia).
• Riserva energetica (zuccheri semplici = materiale combustibile immediato. Zuccheri complessi = riserva di energia).
• Funzione di sostegno: ciò vale poco per l’uomo (perché noi abbiamo lo scheletro che ci sostiene), mentre vale di più per altri organismi (es: la corteccia delle piante è composta da cellulosa, che è uno zucchero).
• Alcuni zuccheri fungono da “segnali di identificazione” (recettori presenti sulla membrana cellulare che fanno sì che quella cellula venga riconosciuta da altre cellule).

Classificazione dei carboidrati

Si differenziano a seconda di quanti zuccheri semplici li compongono:

• Monosaccaridi: 1 monomero
• Disaccaridi: 2 monomeri (con legami ottenuti grazie a reazione di condensazione)