Biologia I

Introduzione alla biologia

La biologia (dal greco, bios vita e logos studio) è la scienza che studia gli organismi viventi ed i loro rapporti con l’ambiente circostante e come l’organismo risponde agli stimoli. Tutto ciò che stiamo per studiare è pertanto governato da precise leggi chimico-fisiche e da istruzioni contenute nel patrimonio genetico DNA.

Caratteristiche fondamentali della materia vivente

Complessità (biodiversità):

• Problemi → Necessità dell’esistenza di una grande mole di informazione specifica, contenuta in ciascun organismo.
• Quindi, 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.
• Presenza di molteplici specie che aumenta la probabilità che la vita non si estingua.

Capacità di accrescimento:

• Problemi → Gli organismi viventi devono essere in grado di produrre energia dalla materia.
• Quindi, esistenza di catalizzatori estremamente specifici ed efficienti, gli enzimi, ciascuno dei quali è responsabile di una data reazione. In ogni organismo, si svolgono solo le reazioni per le quali esso è in grado di produrre il corrispondente enzima; una buona parte dell’informazione genetica riguarda il modo in cui sintetizzare i diversi enzimi.

Capacità di autoriproduzione:

• 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.
• Quindi, 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.

Adattamento all’ambiente

• Problemi → Necessità di un meccanismo di adattamento compatibile con la conservazione e la trasmissione dell’informazione genetica.
• Quindi, esistenza di un meccanismo di EVOLUZIONE per selezione naturale su fenotipi generati dall’insorgenza di mutazioni casuali nell’informazione genetica.

Tutti gli organismi devono soddisfare queste quattro caratteristiche, senza però scordare la quinta, ovvero la morte, che paradossalmente è essenziale alla vita stessa. Ogni livello ha proprietà emergenti, caratteristiche non presenti ai livelli inferiori. Il tutto è più della somma delle sue parti. L’organizzazione biologica è gerarchica.

Universo → Sistema Solare → Terra → Biosfera → Ecosistema → Comunità → Popolazione → Organismo vivente → Sistema di organi → Organo → Tessuto → Cellula (Gruppo di organuli e di molecole, organizzate in modo da formare l’unità fondamentale degli organismi viventi. È la più piccola unità capace di vita indipendente) → Organulo → Molecola → Atomo → Particella subatomica.

Il mondo biologico è un mondo fatto di cellule. La teoria cellulare afferma che tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule, l’unità di base della struttura biologica, e che ciascuna di queste deriva da una cellula pre-esistente.

La teoria cellulare

L’unità fondamentale della materia vivente è la cellula, che è la più piccola unità capace di vita indipendente. Tale teoria si basa su tre principi fondamentali:

• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da una (UNICELLULARI) o più cellule (PLURICELLULARI).
• La cellula è l’unità di base della struttura di tutti gli organismi.
• Tutte le cellule derivano esclusivamente per divisione da cellule pre-esistenti: “omnis cellula e cellula”.

La teoria cellulare è stata sviluppata grazie al contributo di numerosi scienziati diversi, tra cui Hooke, van Leeuwenhoek, Brown, Schleiden, Nageli e Virchow.

Contributi alla teoria cellulare

Robert Hooke (1635-1702; matematico, fisico, astronomo e naturalista inglese) nel 1665 osservando fettine di sughero con un rudimentale microscopio da lui costruito (ingrandimento solo di 30x), conia il termine cellula.

Antoine van Leeuwenhoek (1632-1723; Ottico e naturalista Olandese) progetta i primi microscopi e costruisce lenti con potere di ingrandimento 300X.

Matthias J. Schleiden (1804-1881; botanico tedesco) nel 1838 afferma che tutti i tessuti vegetali sono costituiti da insiemi organizzati di cellule.

Theodor Schwann (1810-1882; zoologo tedesco) nel 1839 estende le osservazioni di Schleiden ai tessuti animali e propose una base cellulare comune a tutti gli organismi viventi.

• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da una (Unicellulari) o più cellule (PLURICELLULARI).
• La cellula è l’unità di base della struttura di tutti gli organismi.

Rudolf Virchow (1821-1902; l’anatomopatologo tedesco) nel 1858 completa la teoria cellulare: afferma che le cellule possono essere originate solo da altre cellule preesistenti.

• Tutte le cellule derivano esclusivamente per divisione da cellule preesistenti: “omnis cellula e cellula”.

Sebbene l’importanza delle cellule nell’organizzazione biologica sia nota da quasi 150 anni, la disciplina della biologia cellulare come noi la conosciamo oggi ha origini molto più recenti. La biologia cellulare moderna è diventata tale grazie alla confluenza e all’integrazione di tre diversi rami della ricerca: la citologia, la biochimica e la genetica, che probabilmente ai loro inizi non apparivano affatto collegate tra loro. Oggi è necessario che i biologi cellulari abbiano ben presenti tutti e tre questi rami, poiché si completano l’un l’altro nell’obiettivo di comprendere cosa sono le cellule e come funzionano.

Tecniche e scoperte nella biologia cellulare

La microscopia ottica ha permesso di visualizzare le singole cellule, il cui diametro è compreso all’incirca tra 1 e 50 µm. Storicamente, i limiti del suo potere di risoluzione non consentivano di vedere dettagli strutturali più piccoli di circa 0,2 µm (200 nm), ma i moderni microscopi ottici hanno oltrepassato questo limite. Diversi tipi di microscopio ottico consentono di osservare campioni cellulari fissati o viventi a ingrandimenti anche superiori a 1000X. È stata sviluppata la microscopia in campo chiaro, a contrasto di fase, a contrasto interferenziale, a fluorescenza, confocale e la video microscopia digitale. Ciascuna di esse offre particolari vantaggi nello studio e nella comprensione delle cellule.

Il microscopio elettronico utilizza un fascio di elettroni invece di luce visibile, per visualizzare campioni. Esso può ingrandire fino a 100 000X, con un potere di risoluzione inferiore a 1 nm, consentendo di vedere strutture subcellulari come membrane, ribosomi, organelli e perfino singole molecole di DNA.

Le scoperte della biochimica hanno rivelato come si svolgono molti dei processi chimici all’interno delle cellule, aumentando notevolmente le nostre conoscenze sul funzionamento cellulare. Tra le scoperte più importanti della biochimica sono state l’identificazione degli enzimi come catalizzatori biologici, la coperta dell’adeosin trifosfato (ATP) come principale trasportatore di energia negli organismi viventi e la descrizione delle principali vie metaboliche che le cellule usano per ricavare energia e sintetizzare le componenti della cellula. Tra le numerose e importanti tecniche biochimiche che ci hanno permesso di comprendere la struttura e la funzione delle cellule vi sono il frazionamento subcellulare, l’ultracentrifugazione, la cromatografia, l’elettroforesi e la spettrometria di massa.

La teoria cromosomica dell’eredità afferma che le caratteristiche degli organismi trasmesse da una generazione all’altra derivano dal fatto che si ereditano cromosomi, che trasportano unità fisiche discrete note come geni. Ogni gene è costituito da una sequenza specifica di DNA che contiene l’informazione per dirigere la sintesi di una proteina della cellula. Il DNA è formato da una doppia elica di filamenti complementari, tenuti insieme da ben precisi accoppiamenti di basi. Tale struttura consente al DNA di essere duplicato con accuratezza e in tal modo trasmesso alle generazioni successive.

La bioinformatica e le nanotecnologie permettono di confrontare e analizzare migliaia di geni o altre molecole simultaneamente, portando a una vera e propria rivoluzione nella genomica, nella proteomica e in numerosi campi della “-omica”.

Il metodo scientifico

La scienza non è una raccolta di fatti, ma è un processo che porta a dare delle risposte a quesiti riguardanti il nostro mondo naturale. Gli scienziati acquisiscono conoscenze applicando il metodo scientifico, che comporta la formulazione di un’ipotesi la cui validità può essere saggiata accogliendo dati per mezzo di esperimenti per disegnati e dotati di controlli.

La scienza, come campo di studio, è basata sulla consistenza e riproducibilità. Quando un’ipotesi acquisisce credibilità, viene definita teoria e, quando la teoria diventa incontrovertibile si parla di legge. È bene tuttavia ricordare che alcune delle teorie o delle leggi meglio “dimostrate” sono state nel tempo modificate, estese o perfino confutate. La scienza è un campo dinamico, in continuo cambiamento. Gli scienziati utilizzano una grande varietà di organismi modello per testare nuove ipotesi, sviluppare nuove teorie e aumentare la conoscenza della biologia cellulare.

Il sistema di nomenclatura binomiale

La scienza che studia la classificazione degli organismi è la tassonomia (o biosistematica). Nel XVIII secolo il botanico svedese Carlo Linneo elaborò un metodo di classificazione che, pur con qualche modifica, è tutt’oggi in uso. L’unità di base per la classificazione è la specie. Le specie strettamente correlate fra di loro possono essere riunite in un genere. Il sistema viene detto binomiale perché a ciascuna specie viene attribuito un nome doppio. La prima parte del nome indica il genere (la prima lettera in maiuscolo), la seconda parte (tutto in minuscolo) indica il nome specifico. Il nome va scritto in corsivo.

Specie: Una specie è un gruppo di organismi con struttura, funzione comportamento simili; in natura, gli individui appartenenti alla stessa specie si incrociano solo tra loro, sono tra loro interfertili, e generano prole fertile.

Specie → Generi → Famiglie → Ordini → Classi → Phyla → Regni → Domini

Chimica della cellula

Carbonio: Ha diverse proprietà che lo rendono l’unico atomo adatto a costruire le basi della vita. Possiede 4 elettroni di valenza, che permette la formazione di quattro legami chimici singoli, doppi o tripli con altri atomi. Ciò è reso possibile dalla condivisione di elettroni fra i vari elementi, che possono presentare legame singolo, doppio o triplo. Quando sono coinvolti solo atomi di H a formare molecole lineari o circolari, i composti risultanti sono definiti idrocarburi. La maggior parte dei composti biologici contiene, in aggiunta al carbonio e all’idrogeno, uno o più atomi di ossigeno e spesso azoto, fosforo o anche zolfo. Questi atomi sono normalmente parte di diversi gruppi funzionali, che determinano le caratteristiche chimiche delle molecole di cui sono parte.

Le molecole contenenti carbonio sono in grado di esprimere un’ulteriore variabilità, poiché l’atomo di carbonio possiede una struttura tetraedrica e può presentare due forme speculari, ma non sovrapponibili, dello stesso composto (= stereoisomeri), poiché l’atomo centrale di carbonio è chirale, ovvero è legato a 4 gruppi differenti.

Acqua: Componente più abbondante delle cellule e negli organismi. L’acqua è polare, presenta infatti una distribuzione disomogenea della carica nell’ambito della molecola. Struttura triangolare, forma ripiegata. L’atomo di ossigeno a un vertice della molecola è fortemente elettronegativo, cioè tende ad attirare su di sé gli elettroni, conferendo a quell’estremità della molecola una parziale carica negativa e lasciando l’altra estremità della molecola con una parziale carica positiva intorno agli atomi di idrogeno. Grazie alla polarità, le molecole d’acqua sono attratte l’una dall’altra e tendono a orientarsi spontaneamente in modo che l’atomo elettronegativo di ossigeno di una molecola sia associato con un atomo elettropositivo di idrogeno di una molecola adiacente. Le attrazioni di questo tipo vengono chiamate legami idrogeno, legame debole non covalente. Tuttavia, la forza di combinazione di un numero elevati di legami può essere veramente significativa. Essendo una molecola polare, l’acqua è un ottimo solvente per soluti ionici e polari. È la tendenza a formare i legami idrogeno tra le molecole adiacenti che rende l’acqua così coesiva. Questa coesione spiega l’elevata tensione superficiale dell’acqua, oltre ai suoi elevati punti di ebollizione, calore specifico e calore di evaporazione. È l’elevato calore specifico che conferisce all’acqua la sua capacità di stabilizzare la temperatura. Il calore specifico è la quantità di calore che un grammo di una sostanza deve assorbire per aumentare la sua temperatura di un grado centigrado. A causa della grande quantità dei suoi legami idrogeno, il calore specifico dell’acqua è di gran lunga superiore a quello di molti altri liquidi. Molta dell’energia che in altri liquidi costituirebbe l’aumento dell’agitazione molecolare, e di conseguenza l’innalzamento della temperatura, nell’acqua è impiegata per rompere legami idrogeno tra molecole vicine. I legami idrogeno stabilizzano la soluzione acquosa a discapito di ampie variazioni di temperatura → di grande rilevanza biologica. Questo rilascio di energia rappresenterebbe un serio problema di surriscaldamento per le cellule, se non fosse tamponato dall’estesa quantità dei legami idrogeno. L’acqua possiede anche un elevato calore di evaporazione, che è definito come la quantità di energia necessaria per convertire un grammo di un liquido in vapore.

L’acqua è un solvente eccellente. I soluti che hanno affinità per l’acqua e quindi si disciolgono facilmente in essa sono detti idrofilici (zuccheri, acidi organici, alcuni aa), mentre le molecole non particolarmente solubili in acqua vengono dette idrofobiche (idrocarburi, lipidi, proteine che costituiscono le membrane). Es: NaCl. Perché questo composto di sciolga nel liquido, le molecole di solvenza devono vincere l’attrazione elettrostatica che le opposte cariche dei cationi Na⁺ e degli anioni Cl^- esercitano tra loro. A causa della loro polarità, le molecole d’acqua possono formare aloni di idratazione intorno sia al Na⁺ sia al Cl^-, neutralizzando così la loro reciproca attrazione e riducendo di conseguenza la loro tendenza a riassociarsi. Molte molecole organiche risultano idrofiliche poiché possiedono alcune regioni cariche positivamente e altre cariche negativamente. Le molecole idrofobiche tendono ad aggregarsi nel mezzo acquoso, associandosi tra loro piuttosto che con le molecole d’acqua.

Membrane selettivamente permeabili

Una membrana cellulare è una barriera permeabile idrofobica, costituita da fosfolipidi, glicolipidi e proteine di membrana. In genere, fosfolipidi e proteine di membrana sono anfipatiche (presentano sia una regione idrofilica, sia una idrofobica). Quando una molecola anfipatica è esposta ad un ambiente acquoso può andare incontro ad interazioni idrofobiche → la struttura risultante è il doppio strato fosfolipidico. Le teste di entrambi gli strati sono rivolte verso l’esterno, mentre le code idrocarburiche si estendono internamente, determinando una continuità idrofobica nella struttura interna della membrana. All’interno o associate con la membrana si trovano le proteine orientate coerentemente con la regione idrofobica (interno) o quella idrofilica (protendono nella fase acquosa).

A causa della sua regione interna idrofobica, una membrana è molto permeabile alle molecole non polari, mentre è piuttosto impermeabile a molte molecole polari e ancor più a tutti gli ioni. Fanno eccezione le molecole molto piccole, i componenti con peso molecolare inferiore ai 100 Da diffondono attraverso membrana indipendentemente siano apolari (come O₂ e CO₂) o polari (come l’etanolo e l’urea). L’acqua è un’altra molecola che può attraversare facilmente il doppio strato.

Per il passaggio di ioni, invece, intervengono le proteine di trasporto, una particolare proteina transmembrana che funziona come canale idrofilico oppure è una proteina che svolge un ruolo di trasportatore (carrier), legando uno specifico soluto da un lato della membrana e, successivamente, attraverso un cambiamento conformazionale, facendolo passare attraverso la membrana.

Le macromolecole, che sono responsabili della maggior parte delle forme e delle caratteristiche di tutti i sistemi viventi, sono generate dalla polimerizzazione di piccole molecole organiche. I tre tipi principali di macromolecole costituite da polimeri di unità ripetute (monomeri) che si trovano nelle cellule sono: proteine, acidi nucleici e polisaccaridi. Nei primi due l’ordine esatto con cui vengono disposti i differenti monomeri è essenziale per la loro funzione.