Biologia molecolare

Metodo scientifico e caratteristiche della materia vivente

Metodo scientifico

• Osservazione
• Individuazione del problema
• Sviluppo di un’ipotesi
• Previsione che deve essere avvalorata
• Esperimenti per avvalorare la previsione
• Risultati
• Interpretazione e conclusioni
• Ipotesi confermata o non confermata
• Se l’ipotesi è confermata i risultati possono suggerire ulteriori esperimenti o si può sviluppare una teoria che diventa un principio

Caratteristiche fondamentali della materia vivente

Complessità specificamente definita, costante nel tempo e nello spazio: esistenza di macromolecole informazionali, capaci di contenere una grande quantità di informazione. Il DNA è composto chimico in cui è depositata questa informazione che è l’informazione genetica. L’insieme delle molecole di DNA contenenti l’informazione genetica di una cellula forma il genoma.

Capacità di accrescimento: trasformando energia e composti inorganici in composti organici. Catalizzatori specifici ed efficienti sono enzimi, ognuno è responsabile di una data reazione nella materia vivente. In ogni organismo si svolgono solo le reazioni per le quali esso è in grado di produrre il corrispondente enzima, buona parte dell’informazione genetica riguarda il modo con cui sintetizzare i diversi enzimi.

Capacità di autoriproduzione: Esistenza meccanismo di replicazione di DNA che assicura conservazione dell’informazione, esistenza meccanismi che assicurano precisa ripartizione del materiale replicato tra cellule figlie con mitosi e meiosi, esistenza meccanismi di controllo di divisione cellulare in funzione della crescita della cellula e della replicazione del DNA.

Adattamento all’ambiente: meccanismo evoluzione per selezione naturale su fenotipi generati da insorgenza di mutazioni casuali nell’informazione genetica.

L'organizzazione della materia vivente e la teoria cellulare

Suddivisione in regni di esseri viventi

Tra i procarioti ci sono gli Archeobatteri e gli Eubatteri, tra gli eucarioti ci sono i Protisti, i Funghi, le Piante, gli Animali.

Organismi modello: tra gli Eubatteri Escherichia Coli, tra i Lieviti Saccharomyces cerevisiae, tra le Piante Arabidopsis thaliana, tra gli Animali Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Xenophus laevis, Danio rerio, Mus musculus.

La sistematica è la branca della biologia che studia la diversità degli organismi e le loro correlazioni evolutive. La scienza che studia la classificazione degli organismi è la tassonomia o biosistematica. Carlo Linneo elabora il metodo di classificazione. L’unità di base per classificazione è la specie, specie strettamente correlate tra loro possono essere unite in un genere.

Specie, definizione di Dobzhansky e Mayr: sezione di storia evolutiva in cui un gruppo di individui può incrociarsi liberamente con prole illimitatamente feconda. Sistema di nomenclatura binomiale: Genere specie.

Classificazione tassonomica

Dominio, regno, sottoregno, superphylum, phylum, sub phylum, infraphylum, superclasse, classe, sottoclasse, infraclasse, superordine, ordine, sottordine, infraordine, superfamiglia, famiglia, sottofamiglia, tribù, sottotribù, genere, sottogenere, specie, sottospecie, razza o varietà.

Specie umana

• Regno: Animalia (organismi pluricellulari, richiedono come cibo sostanze organiche complesse).
• Tipo: Chordata (animali con cordone nervoso dorsale cavo, fessure branchiali faringee in qualche stadio del ciclo vitale).
• Classe: Mammalia (piccoli nutriti mediante ghiandole mammarie, pelle ricoperta da pelo, temperatura del corpo elevata, cavità corporea divisa da un diaframma).
• Ordine: Primates (animali arboricoli e loro discendenti, generalmente con dita e unghie appiattite, pollice opponibile, senso olfatto mediocre).
• Famiglia: Hominidae (faccia piatta, occhi frontali, visione a colori, locomozione bipede, stazione eretta).
• Genere: Homo (cervello di ampia dimensione, linguaggio, infanzia lunga).
• Specie: sapiens (mento prominente, fronte alta, peli sparsi sul corpo).

Organizzazione cellulare

Unità di base: nucleotidi, aminoacidi, monosaccaridi, acidi grassi e glicerolo.

Macromolecole: acidi nucleici, proteine, polisaccaridi, lipidi.

Complessi sopramolecolari: ribosomi, membrane, complessi enzimatici.

Organuli: nucleo, mitocondri, cloroplasti…

Cellula:

Scoperta delle cellule

Alla fine del XVII secolo Anton van Leeuwenhoek fu il primo microbiologo della storia, inventò il primo microscopio. Robert Hooke definì cellule o pori le strutture microscopiche che osservò esaminando con un microscopio da lui costruito un frammento di sughero.

Teoria cellulare

Nel 1830 Schleiden diede una prima esatta descrizione della cellula composta da citoplasma e nucleo osservando tessuti vegetali, Schwann estese alle cellule animali le osservazioni di Schleiden.

• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule
• Le cellule sono le unità funzionali degli organismi
• Le cellule originano per divisione di cellule preesistenti

I primi due postulati di Schleiden e Schwann, il terzo fu aggiunto da Virchow. Omnis cellula e cellula. Omne vivum ex ovo.

Cellula: unità elementare della materia vivente, ha una porzione di soluzione acquosa (citoplasma), è delimitata da una membrana a doppio strato lipidico (membrana plasmatica), contiene almeno una molecola di acido deossiribonucleico che porta l’informazione genetica della cellula e ne costituisce il genoma, contiene gli enzimi necessari per la replicazione del genoma e per l’espressione dell’informazione genetica. Cellule visibili col microscopio ottico.

Due tipi di cellule: procariotiche e eucariotiche

Due tipi di organismi:

• Monocellulari: formati sia da cellule eucariotiche che procariotiche, singola cellula svolge tutte le funzioni necessarie per la sopravvivenza.
• Pluricellulari: formati sempre da cellule eucariotiche, suddivisione del lavoro, alcune cellule svolgono determinate funzioni che servono a tutto l’organismo, altre cellule svolgono altre funzioni, forma di specializzazione delle diverse cellule quindi differenziamento.

Formati da poche unità fino a miliardi di cellule, tutte posseggono lo stesso patrimonio genetico. In organismi pluricellulari accrescimento e moltiplicazione delle cellule e dell’organismo sono separati, accrescimento di organismo avviene per aumento di numero di cellule che lo costituiscono. In organismi a riproduzione sessuata moltiplicazione di organismo per cellule specializzate che sono gameti (spermatozoi e cellule uovo) che danno origine a zigote, insieme di queste cellule è la linea germinale, tutte le altre cellule sono cellule somatiche. Solo mutazioni che si verificano in linea germinale sono trasmesse a progenie. Vita di singole cellule e vita di organismo non coincidono, morte programmata cellula è apoptosi. Meccanismi coordinamento del funzionamento delle cellule che costituiscono i diversi tessuti, rete di segnali scambiati dalle cellule che sono composti chimici secreti da cellule che agiscono su cellule bersaglio che hanno recettori (regolazione umorale), negli animali tessuto nervoso attraverso segnali elettrici o potenziali d’azione in sinapsi porta a liberazione di neurotrasmettitori che sono composti chimici che interagiscono con recettori e modificano funzionamento delle cellule.

Fattori limitanti le dimensioni cellulari

• Rapporto superficie/volume: volume cresce con il cubo del diametro della cellula, mentre la superficie solo con il quadrato del diametro.
• Velocità di diffusione delle molecole: varia in modo inversamente proporzionale alle dimensioni della molecola.
• Necessità di una adeguata concentrazione di reagenti e di catalizzatori, compartimentalizzazione. Sistema di endomembrane per garantire concentrazioni adeguate aumentando le velocità di reazione, svolgere reazioni diverse contemporaneamente, immagazzinare energia, membrane possono essere utilizzate come superfici di lavoro.

Cellula procariotica

Nucleoide (regione dalla forma irregolare che contiene materiale genetico), membrana plasmatica, parete cellulare, membrana esterna, citosol, ribosomi, pilo di coniugazione, flagelli, fimbrie. Esclusivamente organismi unicellulari, procarioti, sono batteri, sono cellule più semplici, di minori dimensioni, non presentano compartimentazione interna, non hanno nucleo, genoma a contatto con il resto del citoplasma, zona occupata da DNA è nucleoide. Membrana plasmatica assicura funzioni che in cellule eucariotiche sono svolte da organelli intracellulari, interviene in meccanismo di ripartizione di materiale genetico tra le cellule figlie durante la divisione cellulare. Nel citoplasma sciolti ioni, composti organici a basso peso molecolare, proteine ed enzimi per accrescimento della cellula, per replicazione DNA, per sintesi RNA e sua regolazione, ribosomi.

Cellula eucariotica

Reticolo endoplasmatico ruvido, nucleolo, nucleo, involucro nucleare, citosol, vacuolo, mitocondrio, citoscheletro, membrana plasmatica, vescicola di Golgi, cisterne di Golgi, reticolo endoplasmatico liscio, lisosoma. Possono dare origine a organismi eucarioti unicellulari e pluricellulari, forme diverse a seconda del tipo di cellula, compartimentazione all’interno per presenza nucleo delimitato da involucro nucleare e contenente genoma della cellula (cromosomi), organelli delimitati da membrane.

Membrana plasmatica: delimitazione fisica della cellula, controllo scambi con ambiente extracellulare, ricezione segnali extracellulari, in organismi pluricellulari riconoscimento tra cellule, adesione di cellule tra di loro e a matrice extracellulare. Nei funghi e nei vegetali cellule hanno parete cellulare formata da chitina nei funghi e da cellulosa nei vegetali.

Nucleo: delimitato da involucro nucleare con due membrane concentriche attraversate da pori nucleari che mettono in comunicazione compartimento nucleare con resto del citoplasma, DNA combinato con proteine a formare cromatina, in forma di eucromatina decondensata o eterocromatina condensata. Zona del nucleo in cui avviene sintesi di RNA ribosomiale e assemblaggio ribosomi è nucleolo, a interno di nucleo ci sono proteine e enzimi per replicazione del DNA, sintesi di RNA su stampo di DNA (trascrizione) e sua regolazione, maturazione RNA.

Citoplasma: molto strutturato, citosol è soluzione amorfa che contiene ioni, composti organici a basso peso molecolare, polisaccaridi e proteine. Strutture nel citoplasma:

• Citoscheletro: è insieme di proteine fibrose che formano impalcatura della cellula determinandone forma, si connette a membrana plasmatica, formato da microtubuli, filamenti intermedi, microfilamenti.
• Ribosomi: strutture ribonucleoproteiche formate da due subunità, responsabili di sintesi di proteine, quelli delle cellule eucariotiche sono 80S, quelli delle cellule procariotiche sono 70S, diversi ribosomi possono essere associati a una stessa molecola di RNA messaggero, formano poliribosomi che sono sospesi nel citosol o legati a faccia citoplasmatica di membrane di reticolo endoplasmatico ruvido.
• Reticolo endoplasmatico: insieme di sacculi o cisterne interconnessi tra loro e delimitati da membrane, due tipi sono liscio o REL privo di ribosomi e rugoso o RER con poliribosomi su faccia citoplasmatica delle membrane, che sintetizzano proteine destinate a membrane, a lisosomi, a secrezione, nel lume del RER avviene prima fase di maturazione di proteine, da cisterne del RER si staccano vescicole di transizione che trasportano porzioni di membrana e proteine all’apparato di Golgi.
• Apparato di Golgi: insieme di sacculi appiattiti impilati, non interconnessi, porzione iniziale più vicina al nucleo è il cis Golgi, la più periferica è il trans Golgi, in esso si completa maturazione delle proteine della via secretiva, dai margini delle cisterne si staccano vescicole che trasportano membrane e proteine da una cisterna all’altra, dal cis Golgi verso il trans Golgi con trasporto anterogrado, da questo si staccano lisosomi primari e vescicole di trasporto che trasferiscono membrane e proteine mature fino a membrana con cui si fondono liberando a esterno contenuto con secrezione, a interno c’è trasporto retrogrado.
• Mitocondri: organelli delimitati da due membrane, la mitocondriale interna e la mitocondriale esterna, tra esse c’è spazio intermembrana, la interna racchiude matrice mitocondriale e ha molte ripiegature o creste mitocondriali. Mitocondri sono sede di processi ossidativi cellulari e di sintesi di ATP, in matrice ci sono enzimi che catalizzano principali vie metaboliche ossidative che generano coenzimi ridotti e anidride carbonica, in membrana mitocondriale interna ci sono enzimi e coenzimi responsabili di respirazione cellulare e di fosforilazione ossidativa. Mitocondri hanno proprio DNA che è DNA mitocondriale con molecole circolari, contiene geni per RNA ribosomiale, RNA transfer e per alcune proteine mitocondriali, è contenuto nella matrice in cui si svolge sintesi proteica mitocondriale, eredità materna. Origine endosimbiontica.
• Lisosomi: vescicole delimitate da una membrana, contengono enzimi idrolitici per demolizione di corpi estranei introdotti in cellula tramite fagocitosi o di parti invecchiate o danneggiate di cellula, pH interno molto acido <5, ci sono lisosomi primari originati da apparato di Golgi e contenenti solo enzimi idrolitici, lisosomi secondari derivati da fusione di lisosomi primari con vescicole endocitotiche in cui c’è anche materiale da digerire.
• Perossisomi: vescicole delimitate da una membrana contenenti enzimi coinvolti in detossificazione di composti tossici, soprattutto in metabolismo di acqua ossigenata, di metanolo e di etanolo.

Cellule vegetali: hanno parete cellulare a esterno di membrana plasmatica, hanno dimensioni maggiori rispetto a cellule animali, contengono cloroplasti che svolgono fotosintesi clorofilliana, hanno proprio DNA e svolgono propria sintesi proteica, hanno origine endosimbiontica. Cellule della linea germinale sono immortali.

Cellule procariotiche: Eubatteri e Archeobatteri

Unicellulari. Parete: struttura rigida, responsabile di forma cellula e di sua protezione, formata da una molecola di enormi dimensioni che avvolge la cellula, è il peptidoglicano formato da polipeptide + polisaccaride, dà ottima protezione in ambiente ipotonico ma non in ipertonico.

Lisozima: enzima presente in tessuti animali dotato di attività battericida, lisa la parete batterica di alcuni batteri catalizzando idrolisi del legame beta 1,4 tra l’acido N-acetilmuramico (NAM) e la N-acetilglucosamina (NAG) che sono i componenti principali del peptidoglicano. Lisozima fu descritto la prima volta nel 1922 da Alexander Fleming.

Batteri hanno tre forme principali: sferica, bastoncellare, a spirale. Cocchi-diplococchi, streptococchi (catenelle)-stafilococchi (grappoli), bacilli, spirilli.

Mesosoma: numerosi ripiegamenti della membrana plasmatica, in cui avviene la fotosintesi, che risultano molto simili alle membrane dei tilacoidi, dei cloroplasti e delle cellule vegetali.

Parete dei batteri Gram + e Gram -: nei Gram + molti strati di peptidoglicani sono uniti da corte unità polipeptidiche (spesso strato di peptidoglicano + membrana plasmatica interna), nei Gram – un sottile strato di peptidoglicani è ricoperto da una membrana esterna (membrana esterna + sottile strato di peptidoglicani + membrana plasmatica), tra membrana plasmatica e membrana esterna c’è lo spazio periplasmatico. Gram – hanno parete più complessa e sono più resistenti ad antibiotici e disinfettanti.

In alcuni batteri, all’esterno della parte cellulare c’è una capsula polisaccaridica. Maggior parte di batteri sono mobili tramite utilizzo di flagelli, flagello dei procarioti formato da flagellina, con un corpo basale, un uncino e un filamento, ha struttura diversa dai flagelli delle cellule eucariotiche (formati da microtubuli). Motore del flagello funziona grazie a utilizzo di ATP che viene usato per pompare protoni fuori dalla cellula, l’afflusso di protoni viene usato per far ruotare il flagello.

Pili: appendici batteriche.

Riproduzione batterica: asessuata, per scissione binaria, in condizioni ideali la cellula si divide ogni 20 minuti, possono riprodursi anche per gemmazione e per frammentazione.

Scambio di materiale genetico nei batteri: per trasformazione, trasduzione, coniugazione.

Archeobatteri

Comprendono batteri termofili estremi, che vivono a temperature tra 85°C e 105°C, batteri metanofili e alofili. Sono progenitori di Eubatteri e di organismi eucariotici. Privi di compartimentazione interna, organismi monocellulari, vivono in ambienti estremi.

Origine dei mitocondri

Batterio entra in cellula eucariotica ancestrale con nucleo e membrane interne, qui si divide e si trasforma in mitocondri con doppia membrana, la cellula diventa una cellula eucariotica primitiva.

Origine dei cloroplasti

Batterio fotosintetico entra in una cellula eucariotica primitiva, qui si divide a formare cloroplasti e cellula diventa una cellula eucariotica primitiva capace di fotosintesi.

Composizione chimica della materia vivente

Cellula batterica composta dal 70% di acqua e dal 30% di sostanze chimiche, tra cui il 4% di ioni e molecole piccole, il...