Riassunto esame Biologia e Genetica, prof. Combi, libro consigliato Elementi di Biologia, Solomon, Berg, Martin

Biologia

Biologia deriva dalle parole greche “bios”, la quale vuol dire vita, e “logos”, che significa parola. La biologia è quella scienza che studia gli organismi viventi ed i loro rapporti con l’ambiente che li circonda.

Tre temi fondamentali della biologia

• Evoluzione: le popolazioni di organismi si sono evolute nel tempo a partire da forme di vita primordiali. Gli scienziati hanno accumulato prove in grado di dimostrare che le diverse forme di vita sul nostro pianeta sono correlate e che le popolazioni si sono evolute nel tempo da forme di vita primordiali. Il processo dell’evoluzione è struttura portante della biologia.
• Trasmissione dell’informazione: le informazioni devono essere trasmesse all’interno degli organismi e tra gli organismi. L’evoluzione dipende dalla trasmissione dell’informazione genetica di una generazione all’altra.
• Trasferimento dell’energia: tutti i processi vitali, inclusi migliaia di reazioni chimiche che mantengono l’organizzazione della vita richiedono un continuo ingresso di energia. La maggior parte deriva dalla luce del sole.

Gerarchia degli elementi nella biosfera

Esiste una gerarchia convenzionale negli elementi che vanno a creare un organismo e quindi poi l’intera biosfera:

• Atomo: la più piccola unità di un elemento la quale conservi le caratteristiche dell’elemento stesso. Possiede un nucleo composto di neutroni (carica neutra) e protoni (+), intorno al quale troviamo, in costante movimento, gli elettroni (-).
• Molecola: si forma grazie a legami strutturali che uniscono due o più atomi. Ad esempio, l’acqua è composta da due atomi di idrogeno e da un atomo di ossigeno (H₂O).
• Macromolecola: sono molecole di grosse dimensioni come, ad esempio, le proteine, gli zuccheri, l’RNA e il DNA.
• Cellula: è l’unità fondamentale di tutti gli organismi viventi (es. Cellula nervosa). Ve ne sono molte, con forme e dimensioni differenti.
• Tessuto: un insieme di cellule con funzioni simili forma un tessuto (es. Cellule nervose → Tessuto nervoso).
• Organo: un insieme di tessuti con funzioni simili forma un organo (es. Cervello).
• Sistema d’organi: insieme di organi con funzioni simili (es. Sistema nervoso).
• Organismo: molti sistemi d’organi che collaborano costituiscono un organismo.
• Popolazione: molti organismi di una stessa specie, abitanti in uno stesso ambiente (es. Branco di elefanti).
• Comunità: diverse popolazioni abitanti in uno stesso ambiente (es. Elefanti + alberi + giraffe).
• Ecosistema: una comunità insieme all’ambiente nel quale si trova.
• Biosfera: insieme di tutti gli ecosistemi esistenti sulla Terra.

Caratteristiche generali della materia vivente

Un essere vivente, per essere considerato tale, deve possedere una serie di caratteristiche:

• Complessità specificamente determinata.
• Capacità di accrescimento.
• Capacità di riproduzione.
• Capacità di risposta agli stimoli.
• Capacità di movimento.
• Adattamento all’ambiente.

Complessità specificamente determinata

Gli esseri viventi possiedono, ognuno in modo diverso, una propria complessità specificamente determinata, costante nel tempo e nello spazio. Essa è possibile poiché ogni essere possiede un patrimonio genetico, formato dal proprio particolare pool genetico, il quale a sua volta è contenuto nel DNA. Il DNA è una macromolecola universale per tutti gli esseri, ed è depositaria, appunto dell’informazione genetica.

Problemi: Necessità dell’esistenza di una grande mole di informazione specifica, contenuta in ciascun organismo. Risposte: Esistenza di macromolecole informazionali (capaci di contenere grandi quantità di informazioni); il DNA è il composto chimico in cui è depositata questa informazione detta INFORMAZIONE GENETICA). L’insieme delle molecole di DNA contenenti l’informazione genetica di una cellula ne costituisce il GENOMA.

Capacità di accrescimento

Gli esseri viventi devono essere in grado di crescere e di svilupparsi. Gli organismi viventi devono essere in grado di trasformare i composti inorganici in composti organici specifici di ciascun organismo. Gli organismi viventi devono essere in grado di produrre energia dalla materia. Ciò è possibile perché ogni essere è dotato di enzimi, i quali catalizzano diverse reazioni chimiche in grado di trasformare i composti chimici contenuti nelle molecole di cibo in composti funzionali alla vita delle cellule (e quindi dell’essere). Una buona parte dell’informazione genetica riguarda la sintesi di enzimi.

Capacità di riproduzione

Gli esseri viventi devono essere in grado di riprodursi (in modo sessuato od asessuato), ovvero di duplicare il patrimonio genetico ogni volta che si formino nuove cellule. Esistono infatti meccanismi di mitosi e meiosi, i quali controllano la duplicazione del patrimonio genetico, e meccanismi in grado di controllare la divisione della cellula.

Problemi: Necessità di un meccanismo di replicazione e di trasmissione dell’informazione genetica specifica di ciascun organismo. Necessità che la moltiplicazione delle cellule degli organismi avvenga solo quando il materiale genetico è stato duplicato e la crescita è stata sufficiente. Risposte:

• Esistenza di un meccanismo di REPLICAZIONE del DNA che assicura la conservazione dell’informazione.
• Esistenza di meccanismi che assicurano la precisa ripartizione del materiale replicato tra cellule figlie (MITOSI e MEIOSI).
• Esistenza di meccanismi che controllano la divisione cellulare in funzione della crescita della cellula e della replicazione del materiale genetico.

Capacità di risposta agli stimoli

Gli esseri viventi devono essere in grado di rispondere a diverse classi di stimoli, sia interni sia esterni.

Capacità di movimento

Gli esseri viventi devono essere in grado di attuare un movimento.

Adattamento all’ambiente

Gli esseri viventi devono essere in grado di rispondere adeguatamente ai cambiamenti di condizione dell’ambiente che li circonda. Ciò è possibile grazie all’evoluzione, ovvero alla mutazione del patrimonio genetico dovuta ad un adattamento. Se questa mutazione è “vincente”, diverrà un tratto dominante in tutta la popolazione. Es. della farfalla “Biston betularia”: inizialmente bianca per mimetizzarsi e poi nera, dopo la rivoluzione industriale i tronchi degli alberi divengono neri a causa di smog e cenere sulla corteccia e quindi mutando l’ambiente di vita le farfalle svantaggiate divengono quelle bianche.

Teoria cellulare

La teoria cellulare afferma che:

• La cellula è l’unità fondamentale della materia vivente.
• Tutti gli organismi sono formati da cellule.
• Tutte le cellule derivano dalla divisione di altre cellule.

Le cellule sono molto diverse l’una dall’altra:

• Per dimensione: correlata alla funzione della cellula (micron 10^-6 e nanometri (10^-9)).
• Per forma: correlata alla funzione della cellula. Per esempio il globulo rosso è piccolo e tondo per poter entrare nei capillari senza romperli; l’adipocita ha un nucleo piccolo e un grosso accumulo di riserva di grasso con una forma sferica per contenere la massima quantità; la cellula muscolare ha forma stretta ed allungata per potersi contrarre e stendere; la cellula nervosa ha un lungo assone, una propaggine che porta le informazioni dal nucleo della cellula nervosa ad altri luoghi dell’organismo.

Riduzionismo vs. olismo

• Approccio riduzionista: lo studio degli oggetti biologici può essere ricondotto allo studio delle proprietà fisiche e chimiche dei suoi componenti. Tutte le proprietà di un oggetto biologico possono essere spiegate in base alle proprietà dei suoi elementi.
• Approccio olista: il tutto è molto di più della semplice somma degli elementi che lo compongono, così come una sinfonia è più della semplice somma delle note che la compongono. Studiando le singole parti dell’organismo si perdono le connessioni, le interazioni.

La prospettiva moderna auspica l’utilizzo di entrambe le scuole.

Organismi

Gli organismi possono essere di due tipi: unicellulari o pluricellulari. Il genoma delle cellule che compongono un organismo è identico; ciò che cambia è l’espressione genica, ovvero il pool genico.

• Organismi unicellulari: sono composti da un’unica cellula contenente tutta l’informazione genetica (es. Batteri). La cellula è detta procariotica: assenza di nucleo, più semplice, quella dei batteri (organismi unicellulari esistenti in natura). È la cellula primordiale ed ha varie funzioni. È organizzata in parete cellulare, membrana cellulare, DNA, RNA, ribosomi.
• Organismi pluricellulari: sono composti da molte cellule, le quali si dividono per forma e per compito tipici. Le cellule cooperano per mantenere in vita l’organismo, ma ciascuna svolge un proprio compito specializzato così da svolgerlo al meglio (es. Animali, piante, funghi). Eucariotica: la cellula del corpo umano, ha diverse caratteristiche e ha un’organizzazione interna più complessa → membrana plasmatica, citosol (soluzione interna acquosa), nucleo (regione che contiene il DNA).

Tre domini

Gli esseri viventi possono essere classificati essenzialmente in tre domini: il dominio Archaea, il dominio Eubacteria ed il dominio Eukarya, contenente animali, funghi, piante e protisti.

Batteri

I batteri possono appartenere sia al dominio Archaea che al dominio Eubacteria. Possono presentarsi sotto diverse forme. I bacilli assomigliano a dei bastoncini, i cocchi a piccole palline e gli spirilli hanno una forma che ricorda una spirale.

La cellula batterica presenta una particolare struttura. Sotto la parete cellulare troviamo la membrana, la quale racchiude tutta la cellula compresi il DNA, l’RNA e le proteine. DNA (→nel citoplasma e avvolto su se stesso): anello circolare chiuso e ripiegato (per occupare meno spazio; meno fragile rispetto a uno lineare; si protegge dagli enzimi DNAsi). La parete batterica, invece, la quale circonda completamente la cellula (membrana compresa), è una struttura rigida, responsabile principalmente della forma della cellula e della sua protezione. È costituita da un enorme complesso molecolare chiamato peptidoglicano. Esso è formato dall’unione di un polipeptide con un polisaccaride. La parete batterica può essere distrutta da una particolare enzima chiamato lisozima. Ogni batterio si riproduce per scissione binaria. Spesso i batteri presentano dei flagelli, ovvero delle simil-pinne le quali aiutano i batteri a muoversi nei fluidi, costituiti da una proteina denominata “flagellina”.

Archeobatteri

Sono microscopici organismi unicellulari. Sono organismi diversi sia dagli eubatteri che dagli eucarioti. Morfologicamente parlando, però, sono indistinguibili dagli eubatteri. Sono privi di nucleo delimitato da membrana. Per alcune caratteristiche, come ad esempio il processo di traduzione e trascrizione, sono più simili agli eucarioti. Spesso vivono in condizioni estreme di temperatura (termofili), salinità (alofili) e di pressione, come nelle profondità oceaniche. Gli archeobatteri comprendono i metanobatteri (o metanofili) i quali producono metano, gli alobatteri (o alofili), i quali presentano un’affinità al sale, ed i sulfobatteri, i quali si nutrono di composti contenenti zolfo. Esistono poi, come già detto, batteri termofili, in grado di sopravvivere a temperature vicine ai 100 gradi centigradi.

Composizione chimica della materia

I componenti della cellula possono essere classificati in componenti organici e componenti inorganici. I componenti inorganici comprendono l’acqua (H₂O) e gli ioni minerali (anioni e cationi). I cationi più importanti sono Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺; gli anioni più importanti sono Cl^-, SO₄^--, PO₄^--, CO₃^--. I bioelementi più comuni sono l’idrogeno (H), il carbonio (C), l’azoto (N) e l’ossigeno; meno comuni sono il sodio (Na), il magnesio (Mg), il fosforo (P), lo zolfo (S), il potassio (K), il cloro (Cl) ed il calcio (Ca).

Atomo: è la più piccola unità di materia. Il suo nucleo è costituito da protoni (carichi +) e neutroni (non carichi); attorno al nucleo troviamo una nube di elettroni (carichi -) i quali si muovono intorno al nucleo stesso. Gli atomi si combinano tra loro attraverso interazioni chiamate legami chimici. I legami possono essere principalmente di tipo ionico o covalente. Nel legame ionico avviene un passaggio di elettroni tra un atomo donatore (+) e un atomo accettatore (-). Nel legame covalente, invece, gli elettroni vengono condivisi tra due atomi. Quando il legame è polare, significa che la nube elettronica è spostata più verso un atomo che verso l’altro; quando è apolare, invece, la nube elettronica è equamente condivisa.

Il primo tipo è il LEGAME IONICO: tra due atomi, che normalmente sono tra loro diversi e in particolare un atomo è molto elettronegativo mentre l’altro è poco elettronegativo. Quelli molto elettronegativi sono quelli che tendono ad attirare tutti gli elettroni che ci sono nella zona e portarli nel proprio nucleo (es. cloro). Quelli che non sono elettronegativi non hanno la tendenza ma nella maggior parte dei casi a questi atomi vengono sottratti gli elettroni. Vi è quindi una delocalizzazione degli elettroni che si spostano. Caricato positivamente diventa positivo perché ha perso gli elettroni, mentre lo ione negativo è quello che li ha acquistati.

LEGAME COVALENTE: o tra atomo differenti o tra atomi uguali. Non abbiamo uno spostamento di elettroni da un atomo all’altro in quanto in questi legami interagiscono atomi con una simile elettronegatività. Semplicemente questi atomi formano una molecola mettendo in condivisione degli elettroni. Aumenta la stabilità della molecola, il legame è abbastanza forte e infatti forma le macrobiolecole.

Legame covalente NON POLARE: es. ossigeno. Due atomi identici fra di loro e si comportano in maniera identica a livello di attrazione e quindi i neuroni condivisi saranno esattamente equidistanti dai nuclei dei due atomi che interagiscono. Non polare perché gli elettroni sono a metà, né cariche + né -.

POLARE: es. acqua, abbiamo tre atomi in cui l’O₂ è leggermente più elettronegativo dell’H e tende ad avvicinare verso di sé gli elettroni, sono più vicini all’ossigeno ma sono in comune con l’H. c’è il legame covalente ma non sono a metà gli elettroni ma più vicino all’ossigeno. Si formano le cariche parziali: positiva significa che nell’atomo di idrogeno gli elettroni sono più allontanati rispetto al normale. Parziale carica negativa perché pur non avendo preso gli elettroni sono più vicini a sé.

Acqua

L’acqua può essere considerata il solvente universale per gli esseri viventi. La molecola d’acqua è formata da due atomi di idrogeno ed un atomo di ossigeno. L’acqua, la quale ha dato origine alla vita, è fondamentale per la vita stessa:

• La Terra è considerato il pianeta dell’acqua; molti organismi vivono nell’acqua (fiumi, stagni, mari, laghi, ecc.).
• La materia vivente ha evoluto numerosi meccanismi i quali sfruttano le caratteristiche dell’acqua (es. Sudorazione).
• L’acqua è indispensabile per tutti gli organismi viventi, i quali se ne devono costantemente rifornire. Gli organismi hanno sviluppato meccanismi per trattenere più acqua possibile.
• L’acqua è la sostanza più presente nelle cellule; circa il 70-95% degli organismi è composto da acqua. Si potrebbe affermare la materia vivente come una soluzione acquosa. Una caratteristica delle molecole d’acqua è la loro polarità; esse infatti presentano un’estremità relativamente negativa, e l’estremità opposta relativamente positiva.

Acqua parziale carica positiva sugli idrogeni e sugli ossigeni. Particelle di acqua vicine tra di loro vi è un’attrazione tra parziale carica – dell’ossigeno e interagirà con una parziale carica negativa dell’idrogeno. Quando si genera questa parziale attrazione si genera il LEGAME A IDROGENO [I legami a idrogeno si formano tra un atomo di idrogeno, legato covalentemente ad un atomo elettronegativo e un atomo elettronegativo, come ossigeno, azoto o fluoro di molecole diverse oppure della stessa molecola (legame a idrogeno intramolecolare)]: (struttura del DNA): legame debole e di facile rottura (linea spezzata).

L’ossigeno, essendo un atomo più elettronegativo, costituisce il polo negativo della molecola, l’idrogeno, invece, che possiede carica parziale positiva, è il polo positivo della molecola. Tra le molecole d’acqua possono formarsi legami ad idrogeno, i quali vedono coinvolti da un parte l’atomo di ossigeno e da una parte quello d’idrogeno. In acqua una molecola può formare esclusivamente 4 legami ad idrogeno. Determinato da attrazione tra cariche parziali. Una singola molecola in ambiente si può legare mediante legame idrogeno ad altre 4 molecole di acqua perché ci sono 4 cariche parziali.

Le principali proprietà dell’acqua sono

• Polarità, dovuta a una diversa distribuzione delle cariche elettriche tra l’ossigeno e gli atomi di idrogeno.
• Coesione, dovuta ai legami a idrogeno tra le molecole d’acqua. La coesione spiega alcune caratteristiche dell’acqua, come la sua elevata tensione superficiale (alcuni insetti possono camminare sull’acqua) e il suo elevato punto di ebollizione.
• Adesione, dovuta a legami a idrogeno tra l’acqua e altre sostanze polari: acqua può anche interagire con altre molecole polari.