Biologia generale

Introduzione alla biologia

La biologia è la scienza della vita, studia tutti i viventi e i loro rapporti con l’ambiente circostante. La cellula è ciò che sta alla base della vita, infatti tutti gli organismi viventi sono composti da cellule, siano essi unicellulari o pluricellulari. Le cellule vengono scoperte a metà quando con l’invenzione del microscopio ottico Robert Hooke osserva delle fettine di sughero e individua delle piccole “cellette”. Solo 200 anni dopo viene riconosciuto che esse compongono ogni organismo vivente.

Modelli da laboratorio

Ci sono due tipi di cellule usate per lo studio in laboratorio: cellule derivanti da un tessuto fresco vengono dette primarie e sono molto usate ma di scarsa durabilità; per avere cellule che durano a lungo si usano invece cellule tumorali perché si riproducono velocemente se messe in coltura.

Modelli più usati in biologia

• Caenorhabditis elegans: viene scelto perché è trasparente, di conseguenza è possibile individuare il movimento delle cellule al suo interno. Inoltre, se presenta cromosomi XX è ermafrodita e se presenta cromosomi X0 è maschio; quando un ermafrodita incontra un maschio esso predilige l’accoppiamento con il secondo comportandosi quindi da femmina.
• Xenopus laevis: usato perché la fecondazione della sua cellula uovo, piuttosto grossa, avviene al di fuori del corpo materno, inoltre le prime fasi di sviluppo embrionale sono molto simili a quelle dell’uomo.
• Drosophila melanogaster: molto usata per la sua espressione genica che caratterizza soprattutto l’addome a dischi in cui ogni disco rimanda a un gene diverso; per questo ha un’espressione genica molto simile a quella dell’uomo.
• Topo: molto usato poiché le nostre proteine sono per il 90% uguali a quelle del topo; solitamente si silenzia un gene e si studiano i cambiamenti che avvengono nel soggetto.

Studi della biologia

Lo studio principale della biologia è la cellula e di conseguenza anche DNA ed RNA. Il DNA gode di un duplice ruolo ossia quello di trasferire la sua informazione alla progenie e quello di esprimere i propri geni prima tramite RNA e poi tramite proteine. Si parla infatti di genotipo, il quale viene espresso da uno o più geni e tramite una o più proteine determina un fenotipo.

Altro oggetto di studio della biologia sono l’ecosistema e il flusso di energia in esso: un ecosistema autosufficiente è infatti formato da produttori, consumatori e decompositori; i produttori sono autotrofi e producono sostanze usate come nutrimento dai consumatori che sono infatti eterotrofi, le sostanze di scarto prodotte dai consumatori vengono demolite dai decompositori e poi riusate dai produttori per proseguire il ciclo.

La biologia studia poi l’evoluzione, ossia il cambiamento di una popolazione di organismi nel tempo dato dall’adattamento ad un certo ambiente. Linneo è il primo a dare una classificazione dei viventi dividendoli in regni: animale e vegetale. Le prime idee evolutive vengono poi date da Lamarck con due leggi:

• Uso e non uso degli organi: l’impiego frequente di un organo lo fortifica e sviluppa mentre il suo inutilizzo lo indebolisce e deteriora.
• Ereditarietà dei caratteri acquisiti: sviluppati certi caratteri in vita un organismo può poi passarli ai propri figli (per esempio il collo lungo della giraffa).

Questa teoria venne però poi smentita dalla selezione naturale di Darwin che si basa sulla variazione casuale dell’informazione genetica e su condizioni ambientali che permettono la sopravvivenza di organismi con questa variazione. L’evoluzione aiuta a spiegare la varietà del mondo vivente.

Applicazioni delle metodiche biologiche

Cellule staminali

Sono cellule indifferenziate che riproducendosi possono differenziarsi o rimanere staminali. Hanno due proprietà fondamentali che sono capacità di autorinnovamento e capacità di dare origine a popolazioni di cellule differenziate. Si dividono in Totipotenti (possono generare tutti i tessuti e gli annessi embrionali, sono presenti solo negli stadi precoci dell’embrione), Pluripotenti (generano tutti i tessuti ma non gli annessi embrionali) e Multipotenti (sono più differenziate delle altre e danno origine a tutti i tipi cellulari del tessuto di appartenenza, l’uomo adulto ha solo queste cellule staminali).

DNA ricombinante

Tecnica usata per ottenere più frammenti di un DNA che mi interessa. Taglio con un enzima di restrizione quel frammento di DNA e con lo stesso enzima taglio il cromosoma batterico, poi inserisco il frammento di DNA e la DNA ligasi nel batterio così il frammento andrà a inserirsi nel cromosoma batterico; si sfrutta quindi la velocità di riproduzione dei batteri per ottenere tanti batteri con quel frammento e poi lo si recupera.

La cellula

La cellula è l’unità fondamentale di tutti gli organismi viventi. È un piccolo compartimento circondato da una membrana, riempito di una soluzione acquosa concentrata di composti chimici. Ha sistemi biochimici e molecolari che le permettono di ricevere informazioni e di conseguenza sintetizzare nuove molecole biologiche. Usa energia, può muoversi e può adattare il proprio metabolismo in base all’ambiente circostante. Inoltre, è in grado di riprodursi. Le cellule si dividono in procarioti ed eucarioti:

• Procarioti: sono eubatteri ed archeabatteri; vi è solo la membrana esterna detta membrana plasmatica, il nucleoide non ha membrana e ogni cellula corrisponde ad un individuo.
• Eucarioti: sono protisti, funghi, piante ed animali; sono circondati da una membrana plasmatica, il nucleo è rivestito da una doppia membrana che lo separa dal citoplasma, nei protisti ogni cellula è un individuo mentre funghi piante e animali sono pluricellulari.

Procarioti

Si dividono in due gruppi che sono eubatteri ed archeabatteri. Sono piccole e con struttura sferica, bastoncellare o a spirale. Spesso presentano un involucro protettivo robusto detto parete cellulare composto da polisaccaridi e peptidi, esso è anche poroso e facilmente attraversabile da alcune molecole. Sotto la parete cellulare vi è la membrana plasmatica che delimita un unico compartimento il quale contiene citoplasma e DNA sottoforma di cromosoma batterico. I procarioti si evolvono velocemente spesso acquisiscono facilmente la capacità di usare nuove fonti nutritive o di resistere a determinate sostanze (come gli antibiotici). Gli unici organuli presenti sono i ribosomi utili alla sintesi di proteine.

Eucarioti

Circondati dalla membrana plasmatica. Hanno un nucleo e vari organelli oltre ai ribosomi. Il nucleo contiene il DNA che negli eucarioti è organizzato in molecole lineari e non circolari. Gli organelli sono circondati da membrana e ognuno è deputato ad attività metaboliche differenti: mitocondri e cloroplasti sono fondamentali nel metabolismo energetico, lisosomi e perossisomi digeriscono macromolecole e fanno diverse reazioni ossidative, il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi servono per smistamento e trasporto di proteine, il citoscheletro fornisce l’impalcatura strutturale della cellula.

Gerarchia dell’organizzazione biologica

L’organizzazione biologica si basa su una gerarchia di livelli strutturali che vanno in ordine di dimensione:

1. Atomo
2. Molecola
3. Macromolecola
4. Organulo
5. Cellula
6. Tessuto
7. Organo
8. Sistema o apparato
9. Organismo
10. Specie: gruppo di individui interfecondi in grado di produrre prole fertile
11. Popolazione: gruppo di individui della stessa specie che vive nella stessa area e periodo
12. Comunità: insieme di popolazioni che vivono nella stessa area e interagiscono tra loro
13. Ecosistema: formato da comunità e ambiente in cui essa si trova
14. Biosfera: insieme di tutti gli ecosistemi sulla terra

Dal punto 10 si parla di organizzazione ecologica, dove per ecologia si intende lo studio di come gli organismi di una comunità siano in relazione tra loro e con il loro ambiente.

Gli organismi vengono classificati grazie a:

• Sistematica: studia la diversità degli organismi e le loro correlazioni evolutive
• Tassonomia: studia nomenclatura e classificazione degli organismi
• Sistema di nomenclatura binomiale: a ciascuna specie viene assegnato un nome doppio, il primo indica il genere e il secondo indica il nome specifico. Questo sistema fu ideato nel 1758 da Carlo Linneo.

Evoluzione delle cellule

La formazione della terra si ha circa 4,5 miliardi di anni fa e la nascita della vita si ha circa 3,5 miliardi di anni fa per cui nel periodo tra i due gli atomi si sono combinati in molecole sempre più complesse. Nella nascita delle cellule si parla di evoluzione chimica: nella terra primordiale gli elementi più presenti erano CH₄, NH₃, H₂, H₂O, H₂S, N₂ e CO₂, mentre vi era continua energia fornita da scariche elettriche, luce solare e attività vulcanica. Queste condizioni portarono alla disgregazione di queste molecole inorganiche e alla loro ricombinazione andando incontro quindi alla sintesi abiotica di piccole molecole organiche le quali erano amminoacidi, zuccheri e nucleotidi (ciò venne verificato dall’esperimento di Miller che riprodusse l’ambiente primordiale in laboratorio e confermò questa teoria).

Dopodiché queste molecole iniziarono a polimerizzare creando macromolecole e anche le prime molecole di RNA. Per appaiamento di basi azotate polimeri ed RNA iniziarono poi a replicarsi, si dice infatti che l’RNA ha fatto da ribozima in quanto ha catalizzato per la sua stessa replicazione (inoltre si è scoperta la presenza di piccoli ribozimi nelle nostre cellule che vanno a confermare questa teoria). Dopo si formarono dei complessi a RNA che iniziarono a sintetizzare le prime proteine e si ebbe anche la formazione del DNA. Infine, il tutto venne incapsulato da una doppia membrana di fosfolipidi in ambiente acquoso (infatti le prime forme di vita nascono in acqua) perché in acqua i fosfolipidi, essendo molecole anfipatiche, formano spontaneamente un doppio strato. Si ha quindi la formazione di una prima cellula ancestrale.

Le prime cellule erano quindi procarioti. A un certo punto tra le cellule ancestrali alcune acquisirono la capacità di fare la fotosintesi producendo ossigeno (i futuri cloroplasti) ed altre invece iniziarono ad usare l’ossigeno per ottenere energia (i futuri mitocondri). Dopodiché si ebbe la teoria endosimbiontica: le cellule ancestrali iniziarono ad evolversi prima formando delle invaginazioni della membrana per portare porzioni di membrana al loro interno, e poi iniziando a fagocitare (ossia inglobare) altre cellule; le cellule che fagocitarono procarioti in grado di fare la fotosintesi (ora i cloroplasti) divennero poi le cellule vegetali, mentre quelle che fagocitarono procarioti in grado di fare la respirazione cellulare (ora i mitocondri) divennero cellule animali. Ciò è verificato anche dal fatto che in mitocondri e cloroplasti ci sono dei DNA circolari.

Chimica della cellula

I principali elementi della cellula sono S, P, O, N, C, H. La cellula è composta per il 70% da acqua e per il restante 30% da altre molecole organiche tra cui DNA, RNA, proteine e polisaccaridi. Vi sono poi fosfolipidi, ioni (Na⁺ K⁺ Ca²⁺ Mg²⁺ Cl^- SO₄^2- PO₄^3- CO₃^2-) e piccole molecole.

Ripasso atomi

Tutte le sostanze che costituiscono la materia sono composte da atomi. Gli atomi sono formati da protoni (carichi positivamente), neutroni (non carichi) ed elettroni (carichi negativamente). Protoni e neutroni sono tenuti insieme dalle forze nucleari nel nucleo positivo dell’atomo, attorno al quale orbitano gli elettroni. Il numero di elettroni è uguale a quello dei protoni pertanto l’atomo risulta neutro. Il Numero Atomico Z indica il numero dei protoni e identifica quindi l’elemento dell’atomo. Il Numero di Massa A invece identifica il numero di protoni più il numero di neutroni. Gli elettroni orbitano attorno al nucleo su più livelli energetici chiamati “gusci elettronici”. All’interno di questi gusci vi sono gli orbitali, ossia porzioni limitate di spazio in cui vi sono gli elettroni. I principali atomi della cellula arrivano fino al terzo guscio. Un atomo il cui guscio più esterno è completamente occupato da elettroni non è chimicamente reattivo mentre gli altri atomi cercano di raggiungere questo stato in due modi diversi: acquistando o perdendo elettroni in un legame ionico, oppure condividendo elettroni con un altro atomo in un legame covalente.

Principi degli orbitali

Gli orbitali hanno un ordine di riempimento che segue dei principi: secondo il principio di minima energia ogni elettrone deve occupare il livello e l’orbitale disponibile con l’energia più bassa; mentre secondo il principio di Pauli un orbitale può contenere al massimo due elettroni con spin antiparallelo.

Ripasso legami chimici

I legami chimici si formano seguendo la regola dell’ottetto: gli atomi tendono il più possibile a completare i loro ottetti ossia a raggiungere la configurazione del gas nobile più vicino. Per fare ciò si forma il legame chimico, ossia una forza che tiene unito un atomo all’altro mettendo in condivisione gli elettroni più esterni dei due. Si hanno più tipi di legami:

• Legame ionico: si forma tra atomi che hanno una forte differenza di elettronegatività; un atomo cede completamente uno o più elettroni ad un altro. Si formano quindi dei composti ionici perché vi è la presenza di ioni positivi e ioni negativi.
• Legame covalente puro: si forma tra atomi con lo stesso valore di elettronegatività o molto simile. Gli elettroni sono condivisi in modo equilibrato tra i due pertanto nessuno tende ad acquistare carica.
• Legame covalente polare: i due atomi hanno una differenza di elettronegatività ma non tale da creare un legame ionico. Gli elettroni sono condivisi ma vi è un atomo che acquista una parziale carica negativa perché li trattiene di più ed uno che acquista una parziale carica positiva. Si dice quindi che il legame è polare.

Il legame a idrogeno è un particolare legame covalente che si forma tra un atomo di H e uno dei tre atomi più elettronegativi F, O, N. È un legame debole. Le sostanze polari sono dette anche idrofile perché affini all’acqua, mentre le sostanze non polari sono dette anche idrofobe perché avverse all’acqua.

Composti del carbonio

L’atomo più versatile nel fare legami chimici è il carbonio infatti esso è l’elemento principale nei composti organici. Esso è così versatile in quanto può fare tre ibridazioni diverse sp e di conseguenza può fare legami singoli, doppi e tripli. I composti formati da carbonio e idrogeno prendono il nome di idrocarburi; sono non polari, non formano legami a idrogeno e sono insolubili in acqua. Gli idrocarburi cambiano proprietà in base ai gruppi funzionali che presentano. Ci sono vari tipi di gruppi funzionali:

Principali molecole biologiche

I vari gruppi funzionali si combinano tra loro per produrre le quattro classi principali di molecole biologiche: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. Le diverse combinazioni di gruppi funzionali danno a queste classi funzioni differenti: carboidrati e lipidi sono una fonte energetica e fanno da molecole strutturali, le proteine hanno la funzione di enzimi, molecole di trasporto, di riconoscimento e di movimento, gli acidi nucleici sono invece molecole informazionali. La maggior parte di queste molecole sono macromolecole, ossia molecole formate da tante unità che si ripetono: vi sono i polisaccaridi formati da zuccheri, le proteine formate da amminoacidi e gli acidi nucleici formati da nucleotidi. Ogni unità è identificata da una “famiglia” di molecole organiche che sono zuccheri, acidi grassi, amminoacidi e nucleotidi.

Proteine

Sono polimeri formati da amminoacidi. Gli amminoacidi esistenti sono 60 ma per la sintesi delle proteine ne vengono usati solo 20; essi si combinano in modi differenti per formare proteine diverse. Inoltre, dopo la sintesi di una proteina l’amminoacido può anche essere leggermente modificato. Per ogni proteina la sua sequenza amminoacidica determina proprietà, struttura e attività biologica.

Hanno molti ruoli:

• Enzimi
• Formano il citoscheletro della cellula
• Fanno parte della matrice extracellulare
• Permettono l’adesione tra due cellule o tra cellula e matrice
• Molecole segnale (come gli ormoni)
• Funzione di trasporto e riconoscimento nelle membrane cellulari
• Costituiscono parti attive dei ribosomi

Gli amminoacidi hanno tutti la seguente struttura: è quindi il gruppo R a determinare il tipo di amminoacido. Il C centrale è un carbonio in α in quanto ad esso si legano quattro gruppi funzionali diversi infatti tutti gli amminoacidi sono isomeri ottici, ossia presentano due forme speculari che deviano la luce verso destra o verso sinistra. Ci sono quindi R-amminoacidi ed L-amminoacidi. Entrambi esistono in natura ma per la sintesi delle proteine vengono usati solo gli L. Le proprietà delle proteine dipendono anche dai tipi di amminoacidi che le compongono, infatti abbiamo quattro tipi di amminoacidi: polari, non polari, acidi e basici.

In generale gli amminoacidi si legano tra loro andando a formare peptidi (pochi amminoacidi), polipeptidi (molti amminoacidi) e proteine (più di cento amminoacidi). Gli amminoacidi si legano tra loro formando un legame peptidico tra il gruppo carbossilico di uno e il gruppo amminico dell’altro, producendo una catena polipeptidica.