Biologia generale

Biologia

La chimica dei viventi

La chimica dei viventi tratta gli "organismi o composti organici" che sono sostanze formate da più elementi. Tra i composti organici ci sono:

• Bioelementi: i bioelementi sono gli elementi alla base degli organismi viventi, sono circa una ventina che entrano nella composizione degli organismi viventi e i più importanti sono quattro: ossigeno (O), carbonio (C), idrogeno (H), azoto (N); (gli elementi in totale sono 92).

I bioelementi in base alla loro concentrazione si possono dividere in:

• Macrocostituenti: possono essere presenti fino al 99% della materia vivente (ossigeno, carbonio, azoto, idrogeno);
• Microcostituenti: presenti in quantità minori rispetto ai macrocostituenti potassio (K), calcio (Ca), sodio (Na), cloro (Cl), magnesio (Mg), ferro (Fe), iodio (I);
• Oligoelementi: presenti in quantità molto piccole, ad esempio il ferro (Fe). Le quantità devono rimanere ridotte perché se si alzano si rischia l'intossicazione.

I bioelementi si possono unire tra di loro a formare le biomolecole (o composti organici). Le biomolecole possono essere:

• Semplici: formate dallo stesso bioelemento;
• Composte: formate da bioelementi diversi.

Le molecole organiche presenti negli organismi viventi e le loro funzioni

I principali gruppi di composti organici sono:

• Carboidrati (costituiti da zuccheri);
• Lipidi (comprendono grassi e cere);
• Proteine (costituite da amminoacidi);
• Nucleotidi (principali costituenti degli acidi nucleici).

Carboidrati

Costituiti da zuccheri, i carboidrati sono le principali molecole di riserva per la maggior parte degli esseri viventi. In base al numero di zuccheri di cui sono formati, si dividono in:

• Monosaccaridi: formati da un solo zucchero (es. fruttosio, glucosio);
• Disaccaridi: formati dall'unione di 2 zuccheri legati da legame covalente ad es. saccarosio che è il comune zucchero da tavola ed è formato dall'unione di una molecola di glucosio e una di fruttosio, lattosio è il principale zucchero contenuto nel latte ed è formato dall'unione di una molecola di glucosio con una di galattosio;
• Polisaccaridi: formati da molti zuccheri uniti tra di loro ad esempio l'amido che è presente nei vegetali è formato da due tipi di molecole: l'amilosio e l'amilopectina, cellulosa che è il principale costituente delle pareti cellulari delle piante ed è formata da un gran numero di molecole di glucosio.

Lipidi

I lipidi sono grassi, quindi sono insolubili in acqua. Hanno la funzione sia di riserva energetica sia come componenti strutturali. Alcuni hanno la funzione di messaggeri all'interno della cellula, altri all'esterno della cellula. I lipidi principali sono:

• Trigliceridi che hanno essenzialmente funzione di riserva energetica;
• Fosfolipidi che hanno la funzione di mantenere integre le membrane cellulari;
• Steroidi sono formati da 4 anelli di carbonio e svolgono diverse funzioni: comprendono gli ormoni sessuali, vitamina D e colesterolo.

Proteine

Le proteine sono formate dall'unione di 20 amminoacidi differenti, uniti tra loro dal legame peptidico. Dei 20 amminoacidi che compongono le proteine, 10 non possono essere sintetizzati e sono per questo detti amminoacidi essenziali. Esistono 4 livelli di struttura delle proteine:

• Struttura primaria: gli amminoacidi sono organizzati in modo lineare;
• Struttura secondaria: le due principali strutture secondarie sono l'alfa-elica e la struttura a foglietto beta;
• Struttura terziaria: è data dalla combinazione di più regioni ad alfa-elica e/o beta-foglietto collegate tra loro da segmenti che formano delle anse;
• Struttura quaternaria: la proteina è formata da più catene polipeptidiche.

Nucleotidi

Sono i costituenti fondamentali degli acidi nucleici DNA (acido desossiribonucleico) e RNA (acido ribonucleico) e sono formati da:

• Nei nucleotidi si possono trovare 5 tipi di basi azotate:
• Due purine: formate da 2 anelli (adenina (A), guanina (G));
• Tre pirimidine: formate da un solo anello (citosina (C), timina (T) e uracile (U)).

Importanza biologica delle interazioni deboli

Le interazioni deboli sono quelle interazioni tra le molecole che agiscono tramite forze deboli non covalenti. Questi legami hanno energia meno del 1/20 dell'energia di un legame covalente. Grazie a questa loro caratteristica, impartiscono flessibilità alle molecole, fondamentale per il regolare corso dei processi biologici. I più importanti sono:

• Legami a idrogeno;
• Legami ionici;
• Forze di Van der Waals;
• Interazioni dipolo-dipolo;
• Forze idrofobe.

Le proprietà dell'acqua

L’acqua è un componente essenziale ed è composta, da 2 atomi di idrogeno (H) e uno di ossigeno (O). Le molecole di H₂O presentano 2 poli: uno positivo (H⁺) e uno negativo (O^-), per questa sua caratteristica è un ottimo solvente.

Enzimi

Gli enzimi sono proteine, una piccola parte è formata da RNA. Queste molecole hanno il compito di catalizzare, cioè accelerare, le reazioni metaboliche. Ogni enzima è altamente specifico: può catalizzare una sola reazione. Alcuni enzimi inoltre richiedono particolari condizioni, ad esempio di temperatura; altri invece per funzionare necessitano di particolari cofattori che sono piccole molecole non proteiche, che possono essere ioni oppure vitamine. I nomi degli enzimi solitamente terminano in -ASI e fanno riferimento alla loro funzione (es. idrolasi per l'idrolisi).

La teoria cellulare

Il termine "cellula" (piccola cella) fu introdotto per la prima volta da Robert Hooke nel 1665. Osservando al microscopio delle fette sottili di sughero, Hooke identificò delle piccole strutture distinte e da allora la cellula è stata studiata in dettaglio. Una cellula può essere definita come un elemento di piccole dimensioni, delimitato da una membrana, all'interno si trova il citoplasma che è una soluzione acquosa in cui sono immersi i costituenti cellulari. La cellula è dotata della capacità di produrre copie di sé stessa, crescendo e dividendosi in due. La teoria cellulare può essere riassunta in due punti: tutti gli organismi viventi sono composti da cellule, ogni cellula deriva da un'altra cellula preesistente nelle cellule e l'informazione genetica risiede nel DNA.

Cellule procariotiche

Le cellule procariotiche sono le più semplici e le più piccole cellule. Hanno delle dimensioni più piccole rispetto a quelle eucariotiche. Ogni procariote è un organismo unicellulare. Sono prive di organelli citoplasmatici delimitati da membrana e non hanno un nucleo. Il DNA è contenuto nel nucleoide. La membrana è un sottile involucro che avvolge la cellula e regola lo scambio di materiali con l'esterno. Il citoplasma è composto da acqua e ribosomi, dove avviene la sintesi proteica. La parete cellulare si trova all'esterno della membrana plasmatica. La sua rigidità dà sostegno e forma alla cellula. Contiene peptidoglicani, che sono polimeri di amminozucchero, uniti da legami covalenti, formando una grande molecola attorno alla cellula.

Cellule eucariotiche

La cellula eucariote è più grande e più complessa perché al suo interno ha degli apparati e degli organelli; la possiedono organismi unicellulari e pluricellulari: piante, animali, uomo e funghi. A differenza delle cellule procariote, le eucariotiche possiedono un nucleo, mitocondri, ribosomi, lisosomi, apparato di Golgi e il reticolo endoplasmatico.

Il nucleo controlla la maggior parte delle attività della cellula e svolge funzioni molto importanti come la duplicazione del DNA. E' circondato da una doppia membrana che lo separa dal citoplasma, la membrana nucleare. Nel nucleo sono contenuti uno o più nucleoli, particolari strutture in cui vengono sintetizzati gli RNA ribosomiali e vengono uniti i ribosomi. I ribosomi sono organuli di forma sferica, formati da RNA più proteine, e servono per la sintesi proteica.

Il reticolo endoplasmatico rappresenta la "via" che permette lo spostamento di molecole. Può essere liscio oppure rugoso per la presenza di ribosomi. L'apparato di Golgi è formato da tante vescicole chiamate cisterne. Rappresenta un magazzino, un centro di raccolta e smistamento dei prodotti del reticolo endoplasmatico. I lisosomi sono vescicole delimitate da membrana e sono in grado di eliminare sostanze estranee attraverso gli enzimi digestivi.

Mitocondri: sono simili ai lisosomi, ma più piccoli. Fra i microsomi, sono molto importanti i perossisomi, vescicole contenenti la catalasi, enzima in grado di decomporre sostanze dannose come l'alcol. I mitocondri possono essere considerati le centrali energetiche della cellula, sono infatti la sede della respirazione cellulare.

Citoscheletro: è costituito da microtubuli e microfilamenti. Le sue funzioni sono quelle di: dare forma alla cellula, provvedere ai vari movimenti cellulari, ancorare la membrana plasmatica.

Flagelli e Pili: i flagelli permettono alla cellula di muoversi, infatti, se vengono tolti, la cellula non si muove. I pili sporgono dalla superficie di alcuni gruppi di batteri; permettono ai batteri di aderire l'uno con l'altro durante l'accoppiamento, e di avere contatto con le cellule animali per ricevere protezione o nutrimento.

Cellula vegetale

La cellula vegetale è un tipo di cellula eucariotica dotata di alcune strutture assenti nelle cellule animali: la parete cellulare, i plastidi e i vacuoli. La parete cellulare è un involucro esterno che protegge e sostiene la cellula; è formata prevalentemente da fibre di cellulosa. I plastidi comprendono i cromoplasti, contenenti sostanze colorate (pigmenti), i leucoplasti contenenti sostanze di riserva e i cloroplasti contenenti pigmenti verdi (le clorofille). Essi sono circondati da una membrana doppia e sono sede della fotosintesi clorofilliana. I vacuoli sono vescicole contenenti acqua e sostanze di vario tipo che diventano sempre più grandi via via che la cellula invecchia. Fungono da deposito per sostanze di riserva e di rifiuto.

Cellula animale

La cellula animale è una cellula eucariotica che, per via di alcuni aspetti, è differente dalla cellula vegetale:

• L'assenza di una parete cellulare, ma la sola presenza di una membrana cellulare.
• La presenza dei lisosomi: rappresentano il sistema digerente della cellula in quanto sono responsabili della degradazione e della digestione (distruzione) di molecole estranee.
• La presenza dei centrioli: intervengono al momento della duplicazione cellulare e sono responsabili di un'ordinata disposizione degli organuli cellulari.
• La presenza di flagelli: per il movimento cellulare.
• L'assenza dei plastidi e dei vacuoli, tipici delle cellule vegetali.
• La presenza di vacuoli micropinocitici utili a inglobare goccioline di sostanze liquide (pinocitosi).

I virus

I virus sono dei microrganismi non costituiti da cellule. Sono microrganismi unicellulari e sono costituiti o da una molecola di acido nucleico DNA o RNA contenenti le informazioni genetiche, racchiusa in un involucro di natura proteica detto capside. Sono incapaci di sintetizzare autonomamente le proteine di cui sono formati e per riprodursi devono infettare cellule ospiti di cui sfruttano gli enzimi. Essi sono parassiti specifici: infettano solo cellule animali, alcuni solo cellule vegetali e altri chiamati "fagi" solo le cellule batteriche.

I batteri

I batteri sono organismi unicellulari procarioti, delimitati da una membrana cellulare. Esternamente alla membrana è presente una parete cellulare che facilita la resistenza in condizioni ambientali sfavorevoli. I batteri sono spesso dotati di flagelli e non possiedono né nucleo né nucleolo.

La membrana cellulare separa la cellula dall'ambiente esterno e ne regola gli scambi con questo. È formata in prevalenza da proteine e fosfolipidi, che sono molecole anfipatiche, cioè composte da una parte solubile in acqua e una parte insolubile. La parte solubile (idrofila) è detta testa, ed è rivolta verso l'esterno; la parte insolubile (idrofoba) è composta da due code rivolte verso l'interno. Negli organismi procarioti è ricoperta da un rivestimento protettivo chiamato parete cellulare, assente invece negli eucarioti. Le sostanze possono entrare ed uscire dalla cellula in modi diversi: trasporto attivo avviene quando una sostanza si sposta da una zona in cui la sua concentrazione è maggiore a un'altra in cui la sua concentrazione è minore; non richiede quindi energia. Trasporto passivo avviene quando una sostanza si sposta da una zona in cui la sua concentrazione è minore a un'altra in cui la sua concentrazione è maggiore; richiede quindi energia.

La divisione cellulare

La divisione cellulare è il processo che permette a una cellula di dare origine a due cellule figlie. Nei procarioti (organismi unicellulari) il processo di divisione cellulare è molto semplice. Questi organismi posseggono, infatti, un unico cromosoma formato da una molecola di DNA di forma circolare. I procarioti si dividono per semplice scissione binaria. Questo processo esita nella formazione di due parti, ognuna delle quali ha il potenziale di crescere fino alle dimensioni della cellula originale. Ed ognuna delle parti è un organismo completo.

Negli eucarioti la divisione cellulare è decisamente più complessa rispetto ai procarioti. Il ciclo vitale di una cellula eucariote è suddiviso in 4 fasi, di cui le prime tre costituiscono l'interfase (periodo precedente alla divisione cellulare), mentre nella 4 fase, la mitosi, si verifica la divisione cellulare.

Interfase:

• G1 (G sta per gap, intervallo, distacco) è quella fase nella quale le cellule aumentano di dimensione ed aumenta la produzione di enzimi e proteine;
• S (sintesi) è quella fase nella quale si ha la duplicazione del DNA, necessaria affinché ogni cellula figlia possa ricevere una copia completa del genoma (l'unità ereditaria degli organismi viventi);
• G2 è la fase durante il quale la cellula continua a crescere e a formare nuovi organelli, in vista della successiva divisione.

Mitosi è il processo tramite il quale il nucleo della cellula eucariote si divide, dando origine a due nuclei figli. Dato che il DNA è duplicato nella fase del ciclo cellulare, ogni cromosoma di una cellula è costituito da due filamenti di DNA identici, chiamati cromatidi fratelli; i cromatidi sono uniti in una regione chiamata centromero.

La mitosi viene suddivisa in 4 fasi:

• Profase: Il DNA si spiralizza e comincia ad assumere l'aspetto di corpuscoli visibili al microscopio ottico. La membrana nucleare si dissolve, il nucleolo scompare e nel citoplasma i due centrosomi (ognuno contenente una coppia di centrioli) iniziano a migrare verso i due poli opposti della cellula dando origine così al fuso mitotico, un insieme di fibre costituite da microtubuli che collega le due cellule.
• Metafase: i cromosomi si allineano sul piano equatoriale della cellula dando origine alla piastra metafasica.
• Anafase: i centromeri si dividono in due, e i due cromatidi fratelli di ogni cromosoma si separano, migrando verso i poli opposti della cellula grazie alle fibre del fuso mitotico.
• Telofase: il fuso scompare; i cromatidi sono ormai divenuti i nuovi cromosomi. Gradualmente si despiralizzano e attorno ad essi si forma la membrana nucleare e ricompare il nucleolo.

Ereditarietà

Le caratteristiche di ogni essere vivente che vengono trasmesse attraverso l'informazione biologica con la riproduzione, sono dette caratteri ereditari. L'ereditarietà è l'oggetto di studio della genetica. Le diverse forme di uno stesso gene sono dette alleli. La combinazione degli alleli di un individuo è detta:

• Genotipo: insieme di tutti i geni che compongono il DNA di un organismo vivente;
• Fenotipo: insieme di tutte le caratteristiche osservabili di un essere vivente.

Genetica mendeliana

La trasmissione dei caratteri ereditari fu scoperta da Mendel. Mendel scelse come materiale sperimentale le piante di pisello che differivano per un solo carattere (seme liscio e seme rugoso). Trovò che gli individui della prima generazione, indicata col simbolo F1, avevano tutti lo stesso fenotipo uguale a quello di uno dei due semi, quello liscio; mentre l'altro fenotipo era scomparso. Egli definì così dominante il carattere che si manifestava nella F1, e recessivo quello che non si manifestava. Sottoponendo poi ad autofecondazione gli individui della F1, la progenie chiamata F2, risultava composta sia da semi lisci che rugosi.

La prima legge di Mendel, nota come legge della dominanza, afferma che incrociando due linee pure differenti per un carattere, tutti i figli (F1) sono uguali tra loro e mostrano il carattere di uno dei due genitori (quello dominante).

Replicazione del DNA

Per poter essere trasmesso ai discendenti, il DNA deve essere in grado di duplicarsi. La duplicazione ha luogo prima che la cellula si divida e questo processo è chiamato replicazione. Al momento della replicazione, i due filamenti della doppia elica si separano come una cerniera grazie alla rottura dei legami a idrogeno tra le basi. La replicazione del DNA è semiconservativa, cioè ognuna delle due molecole figlie di DNA è costituita da un filamento del DNA parentale e da uno sintetizzato ex novo. La sintesi vera e propria di un filamento è catalizzata da un gruppo di enzimi noti come DNA polimerasi che è in grado di individuare l'eventuale aggiunta di un nucleotide sbagliato in costruzione. Il processo nelle cellule procariotiche avviene nel citoplasma, mentre nelle cellule eucariotiche la replicazione ha luogo nel nucleo.

Il ruolo dell'RNA

Il passaggio dai geni alle proteine è mediato dall'RNA, che agisce come messaggero tra il DNA e il sito di sintesi proteica dove l'informazione genetica viene tradotta in proteine funzionali.