Biologia - Materiale di studio, appunti approfonditi inerenti ai principali argomenti del corso di biologia

Biologia

Facoltà di Medicina e Chirurgia

A.A 2020/2021

Prof.: Francesca Magherini 1

Introduzione

In questa prima lezione introduciamo alcuni concetti basilari della biologia che saranno necessari per la

comprensione di argomenti futuri.

Organizzazione gerarchica in biologia:

Atomo: la più piccola parte di una sostanza.

• Molecola: due o più atomi legati assieme.

• Macromolecola: più molecole legate tra loro (DNA, proteine...).

• Aggregati molecolari: strutture che si trovano all’interno di una cellula (organelli).

• Cellule: più piccola unità vivente

• Tessuti: cellule simili strettamente associate.

• Sistemi d’organo: insieme di organi.

• Organismi: singoli esseri viventi all’interno di un ecosistema.

• Popolazioni: tutti gli individui di una specie che vivono in una determinata area.

• Comunità biologica: intera gamma di organismi di tutte le specie che vivono in un dato

• ecosistema.

Ecosistema: insieme di tutti gli esseri viventi e di tutte le parti inerti con cui essi interagiscono.

•

Un aspetto interessante di questa classificazione è rappresentato dal fatto che, man mano che si sale

nella scala gerarchica compaiono delle proprietà nuove dette proprietà emergenti, che non erano

presenti nel livello inferiore.

In biologia possiamo avere due approcci, una visione riduzionistica, che va a vedere le singole parti,

oppure una visione più globale, oggi chiamata biologia dei sistemi, che invece studia l’interazione tra le

parti da cui derivano le proprietà emergenti.

Le caratteristiche degli organismi viventi sono:

Crescono e si sviluppano

• Regolano i loro processi metabolici

• Rispondono agli stimoli

• Si riproducono

• Si evolvono e si adattano all’ambiente

•

NB. Il concetto di evoluzione nasce a metà Ottocento, prima si pensava che gli organismi fossero

suddivisi in più categorie, dai più semplici ai più complessi, senza che si potessero evolvere.

Il padre della teoria evoluzionistica è Darwin, egli viaggiò toccando varie parti del mondo e raccolse

molte informazioni, dalle quali ne ricavò la sua teoria (1859).

Alla base del processo evolutivo vi è il concetto di selezione naturale: gli organismi che meglio si

adattavano all’ambiente (hanno caratteristiche genetiche migliori) in cui vivevano venivano

“selezionati”.

È importante sottolineare che, sebbene la selezione naturale agisca sulle interazioni tra il singolo

individuo e l’ambiente, l’individuo non evolve, è la popolazione che evolve nel tempo.

La selezione naturale agisce sulla variabilità genetica, resa possibile dalla riproduzione sessuata

(crossing over e assortimento indipendente) e dalle mutazioni genetiche.

NB. Un esempio di evoluzione è la resistenza agli antibiotici sviluppata dallo Strphylococcus Aureus:

Nel 1943 la penicillina diventa il primo antibiotico di uso comune

• Nel 1945 il 20% dei ceppi di S. Aureus presenti in ospedale è resistente alla penicillina.

• Nel 1953 viene sintetizzato un antibiotico molto potente: la meticillina.

• Si selezionano i ceppi meticellino-resistenti, estremamente patogeni che negli ultimi anni sono

• aumentati in maniera esponenziale. 2

Sistematica: disciplina che si occupa della classificazione degli organismi viventi e fossili.

Gli organismi viventi sono stati classificati in una serie di suddivisioni, l’immagine sottostante è una

classificazione ad albero che considera anche le relazioni evolutive tra i vari gruppi; ovverosia quanto

questi gruppi sono vicini da un punto di vista filogenetico gli uni rispetto agli altri.

Tutti gli organismi viventi sono organizzati in tre domini: Batteri, Archea ed Eucarioti, e in sei regni.

Questi tre domini derivano da un progenitore comune, che è quello che ha dato origine a tutti gli

organismi; da questo progenitore comune, per due linee evolutive differenti si sono originati da un lato

i batteri veri e propri (quelli che noi oggi noi chiamiamo Eubatteri), e dall’altro si sono originati due

diversi domini: il dominio Archea e il dominio Eucaria. Questi due domini hanno un antenato comune,

però da un punto di vista della struttura cellulare sono molto diversi, gli Archea, da cui derivano gli

archeobatteri, sono infatti dei procarioti.

Batteri ed Archeobatteri possiedono entrambi cellule di tipo procariotico, vedendoli da un punto di vista

prettamente morfologico potrebbe sembrare che questi domini si siano originati insieme, mentre gli

Eucarioti per conto proprio; tuttavia l’analisi filogenico molecolare, ovvero l’analisi delle relazioni tra

gli organismi, non tanto basata sulla morfologia, ma basata sulla somiglianza di alcune regioni del DNA

o di alcune proteine, ha dimostrato che gli Archea sono più vicini agli Eucarioti rispetto a i Batteri.

Dai tre domini si originano sei regni: dai Batteri gli eubatteri, dagli Archea gli archeobatteri e dagli

Eucarioti protisti, piante, funghi e animali; anche in questo caso la filogenesi ci indica i progenitori

comuni (funghi e animali hanno un progenitore comune).

Specie: categoria di classificazione degli organismi che comprende individui in grado di accoppiarsi tra

loro e generare una prole feconda, una specie viene denominata attraverso l’utilizzo di due parole

(nomenclatura binomiale), la prima rappresenta il genere, la seconda un epiteto che caratterizza la

specie.

Filogenesi: disciplina che si occupa della ricostruzione dei processi evolutivi di una specie ; può essere

una filogenesi classica, basata su alcune caratteristica morfologiche macroscopiche (ad esempio la

struttura delle ossa), oppure una filogenesi molecolare che studia quanto divergono i DNA relativi ad

alcuni geni che si pensa siano molto conservati (ad esempio, i geni che codificano per gli rRNA sono

segni che non sono cambiati tanto, guardando quanto sono diversi questi geni tra gli organismi, si può

capire quanto precocemente questi organismi si siano separati nella scala evolutiva).

3

È chiaro che la vita ha bisogno di un continuo apporto di energia e gli organismi viventi sono, sotto

questo punto di vista, in una relazione strettissima.

Metabolismo: tutti i processi chimici e le trasformazioni energetiche che avvengono all’interno della

cellula.

L’uomo ad esempio, con la respirazione cellulare utilizza composti organici preformati (glucosio o

grassi) per ricavare energia attraverso una reazione di ossidazione, l’energia ricavata da qu este reazioni

di ossido-riduzione viene conservata sottoforma di ATP, utilizzato poi in vari modi all’interno della

cellula. Noi di fatto siamo dei consumatori che necessitano di materiale organico preformato.

Un ecosistema autosufficiente è costituito da tre tipi di organismi dipendenti gli uni dagli altri:

• Produttori: sono piante, alghe e alcuni tipi di batteri (cianobatteri), tutti organismi in grado di

produrre composti organici da materiale grezzo (CO ) con concomitante liberazione di ossigeno

2

(necessario per l’ossidazione dei composti organici), utilizzano come fonte di energia la luce e

sono detti autotrofi.

• Consumatori: ricavano energia degradando le molecole prodotte dai produttori primari,

vengono chiamati eterotrofi.

• Decompositori: sono batteri e funghi, organismi in grado di ottenere nutrienti dalla

degradazione delle sostanze di rifiuto e da corpi di organismi morti rendendoli utilizzabili; senza

di loro le sostanze nutritive rimarrebbero intrappolate negli organismi morti, sono a nch’essi

eterotrofi.

Sulla base della loro dipendenza dall’ossigeno gli organismi si possono dividere in:

• Organismi anaerobi: organismi per i quali l’ossigeno è un elemento tossico e perciò vivono in

assenza di esso.

• Organismi aerobi: organismi per i quali l’ossigeno è necessario per la vita, questi possiedono

enzimi che eliminano le componenti tossiche che andrebbero ad ossidare le molecole.

Teoria Cellulare

Tanti concetti che ad oggi ci sembrano scontati erano impossibili da immaginare prima che fosser o

inventati i microscopi, i quali hanno permesso agli scienziati di visualizzare la cellula e di identificarla

come la più piccola unità vivente.

I primi microscopi risalgono intorno al Settecento, e da allora sempre più scienziati si sono avventurati

nell’osservazione del mondo microscopico, ecco alcuni cenni storici:

• A. van Leeuwenhoeck: uno dei primi microscopisti, osservò i microorganismi dell’acqua.

• R. Hooke: osservò e descrisse per la prima volta la cellula della corteccia di sughero.

• M. Schleiden e T. Schwann: formularono la teoria cellulare.

• Pasteur: confutò la teoria della generazione spontanea.

La teoria cellulare afferma che:

• Tutti gli organismi sono costituiti da una o più cellule.

• La cellula è l’unità di base della struttura di tutti gli organismi.

• Tutte le cellule originano da cellule preesistenti.

NB. L’ultimo punto non è scontato, infatti, inizialmente si pensava che gli organismi più semplici

nascessero per generazione spontanea dalla materia; intorno al 1700, essendosi diffuso il metodo

scientifico, si cercò di dimostrare questo principio.

4

Esperimento di Needham: prese dei brodi di coltura ricchi di nutrienti, li scaldò e li tappò con una

garza in modo da permettere gli scambi con l’ambiente; dopo un po’ di tempo si accorse che in questo

brodo erano cresciuti degli organismi: era quindi convinto di aver dimostrato la teoria della generazione

spontanea.

Esperimento di Spallanzani: fece nuovamente l’esperimento bollendo il brodo più a lungo e stavolta

tappando bene l’ampolla in modo tale che non potesse entrare aria; passato del tempo constatò che non

era nato nessun organismo: la teoria era smentita! Tuttavia, gli venne contestato che non facendo

entrare aria aveva “ucciso” l’impulso vitale.

Esperimento di Pasteur: prese due palloni di vetro contenenti il brodo di coltura che progettò lui

stesso con un lungo tubino a collo di cigno ricurvo e aperto ad un’estremità da dove l’aria poteva entrare,

avendo però la curvatura le particelle, il pulviscolo ed eventuali contaminanti presenti nell’aria non

riescono a passare, rimanendo bloccati appunto a livello della curvatura.

Pasteur fece contemporaneamente questi due esperimenti: prese i due palloni, bollì bene bene il brodo

dopodiché ad un primo pallone tagliò il tubicino ricurvo permettendogli di venire in contatto con

l’ambiente esterno, nel secondo invece il tubicino a collo di cigno rimase intatto.

Pasteur si accorse che nel secondo caso non cresceva nulla benché il contatto con l’aria ci potesse essere,

nell’altro esperimento invece, dove il tubicino era stato tagliato, gli organismi crescevano nonostante il

liquido fosse stato bollito; ne dedusse che questi erano nati perché il brodo era venuto in contatto con

microorganismi presenti nell’ambiente esterno e non per generazione spontanea dalla materia.

Origine della vita

Nel 1920 il russo Oparin e l’inglese Haldane ipotizzano che le condizioni della Terra primitiva fossero

tali da permettere la formazione spontanea della vita a partire da materia inorganica.

Caratteristiche dell’atmosfera primordiale:

• Atmosfera riducente ricca di vapore acqueo, anidride carbonica e ammoniaca, ma priva di

ossigeno molecolare.

• Fonti energetiche elevate (tempeste di scariche elettriche, intensa attività vulcanica,

bombardamenti di meteoriti, radiazioni ultraviolette).

Esperimento di Miller: mise in un pallone di vetro una serie di elementi che si pensava fossero presenti

nell’atmosfera primordiale (metano, ammoniaca, idrogeno ed acqua), ed un sistema che producesse

scariche elettriche (mimavano i fulmini), inoltre collegata a questo sistema vie era dell’acqua sottoposta

ad ebollizione in modo tale che si generasse un flusso di vapore acqueo.

In queste condizioni si verificarono delle reazioni, le molecole derivanti da queste reazioni venivano

raccolte ed analizzate; Miller si rese conto che erano comparsi alcuni amminoacidi.

5

Cambiando leggermente la composizione dell’atmosfera, per esempio mettendo acido cianidrico o acido

solforico, si ottennero vari tipi di molecole organiche come nucleotidi e zuccheri; ciò voleva dire che era

possibile ottenere da molecole di natura inorganica una molecola organica.

Possiamo quindi provare a descrivere una possibile successione evolutiva:

• Sintesi abiotica di piccole molecole organiche a partire da molecole inorganiche.

• Aggregazione delle molecole organiche in polimeri (acidi nucleici, proteine...)

• Evoluzione di una molecola depositaria dall’informazione genetica, in modo tale che certe

caratteristiche vantaggiose potessero in qualche modo trasmettersi (si pensa che fosse

inizialmente l’RNA perché è una molecola molto versatile).

• Aggregazione delle macromolecole e origine di strutture complesse dette protobionti o

protocellule con caratteristiche simili ad un organismo vivente.

• Evoluzione delle prime cellule a partire dai protobionti.

I primi organismi di cui abbiamo reperti risalgono a 3-4 miliardi di anni fa, hanno una struttura

procariotica, erano sicuramente anaerobi ed eterotrofi, sfruttavano quelle molecole organiche che si

generavano in maniera abiotica.

Si può immaginare che, ad un certo punto, questi organismi anaerobi ed eterotrofi abbiano cominciato

a competere per le molecole organiche, si selezionano quindi organismi autotrofi, che quindi non

dipendono più da sostanze organiche preformate, e tra questi gli organismi fotosintetici (compaiono

circa 3 miliardi di anni fa quando presumibilmente comparve l’ossigeno sulla Terra).

Si selezionarono successivamente gli organismi aerobi, a causa dell’accumulo di ossigeno nell’atmosfera.

1,9-2 miliardi di anni fa compaiono i primi eucarioti.

Biomolecole

Biomolecole: sono biopolimeri costituiti da un elevato numero di monomeri condensati tra loro,

formano la struttura delle cellule e sono i protagonisti del metabolismo cellulare. Le principali classi di

biomolecole sono:

• Carboidrati

• Lipidi

• Proteine

• Acidi nucleici

CARBOIDRATI

I carboidrati (o glucidi) sono biomolecole monomeriche o polimeriche costituite da due o più gruppi

ossidrili (-OH) e da un gruppo aldeidico (-COH) o da un gruppo chetonico (-CO), detti gruppi funzionali.

6

I carboidrati hanno principalmente funzione strutturale, energetica e di riserva energetica; in base alla

complessità della loro struttura si dividono in:

• Monosaccaridi: formati da un solo monomero.

• Oligosaccaridi: formati da 2 a 10 monomeri.

• Polisaccaridi: formati da più di 10 monomeri.

NB. Le tre classi di carboidrati sono in relazione tramite reazione di idrolisi, ovvero per addizione di H O

2

in presenza di un catalizzatore acido H .

+

(polisaccaride + H O → oligosaccaride + H O → monosaccaride)

2 2

Monosaccaridi: sono carboidrati che non possono essere scomposti in composti più semplici, a seconda

del gruppo funzionale si distinguono in aldosi e chetosi e, a seconda del numero di atomi di carbonio

presenti nella molecola possono essere classificati in tri-osi, tetr-osi, pent-osi etc.

Monosaccaridi più importanti:

• Glucosio: un aldoesoso, è il monosaccaride più abbondante in natura, la rottura dei suoi legami

libera energia che viene poi utilizzata dalla cellula.

• Fruttosio: un chetoesoso con caratteristiche diverse dal glucosio.

• Galattosio: un aldoesoso.

• Gliceraldeide: un aldotrioso.

• Ribosio: aldopentoso, componente dell’RNA.

7

• Desossiribosio: aldopentoso con un idrogeno al posto del gruppo ossidrilico, componente del

DNA.

In soluzione gli zuccheri sono in equilibrio tra una forma lineare ed una forma ciclica che si realizza

tramite un legame tra l’atomo di carbonio in posizione 1 e quello in posizione 5; mentre il carbonio 6

rimane al di fuori dell’anello.

Nella molecola ciclica (emiacetalica), la posizione dell’-OH rispetto al piano dell’anello può essere di

due tipi, o dalla stessa parte del carbonio 6 oppure da parti opposte; questa diversa disposizione dell’-

OH legato al carbonio 1 da origine a due forme alternative: conformazione alfa, in cui l’ossidrile è dal

lato opposto rispetto al carbonio 6, e conformazione beta, in cui l’ossidrile è dallo stesso lato del

carbonio 6.

Gli zuccheri si legano tra loro mediante un legame, detto legame glicosidico, che prevede l’eliminazione

di una molecola d’acqua.

Quando due monomeri si legano tra loro formano i disaccaridi, gli oligosaccaridi più importanti.

I disaccaridi più importanti sono:

• Maltosio: formato da due molecole di α-glucosio, legame 1,4 α-glicosidico.

• Cellobiosio: due molecole di β-glucosio, legame 1,4 β-glicosidico.

• Saccarosio: glucosio + fruttosio, legame 1,2 α-glicosidico.

• Lattosio: glucosio + galattosio, legame 1,4 β-glicosidico.

Il legame che si forma tra due monosaccaridi coinvolge generalmente il carbonio in posizione 1 del

primo monosaccaride e il carbonio in posizione 4 del secondo monosaccaride. Tuttavia, la

configurazione del carbonio a livello 1 può essere alfa o beta, questo implica la formazione di un legame

diverso che determina una disposizione spaziale dei monomeri che si susseguono in un modo piuttosto

che in un altro. 8

Polisaccaridi: formati da più di 10 monosaccaridi, e possono avere funzione di riserva energetica (amido

e glicogeno) o funzione strutturale (cellulosa e chitina).

Gli organismi, in presenza di un’abbondanza di glucosio (ad esempio dopo un pasto), tendono a

conservarlo sottoforma di polimeri di glucosio, nel caso delle piante il polimero che si forma è l’amido,

mentre negli animali è il