Biologia Molecolare e Biologia cellulare - Appunti

Biologia

Il metodo scientifico

Metodo deduttivo

Il metodo deduttivo deriva dalla filosofia aristotelica. Non è importante osservare l’aspetto empirico quanto elaborare le cause che determinano le manifestazioni naturali. Sillogismo: da alcune proposizioni (premesse) logicamente conseguono delle conseguenze necessariamente vere se le premesse sono vere. È in grado di prevedere eventi che non si sono ancora realizzati. Si va oltre all’empirismo, come nel caso di Sherlock Holmes.

Metodo induttivo

Il metodo induttivo si sviluppa dal particolare all’universale, come descritto da Galileo Galilei. È incentrato sull’osservazione degli eventi naturali. Ricava dalle osservazioni empiriche dei principi generali che le regolano. Una critica al metodo induttivo è che l’induzione per enumerazione non è valida perché non si possono osservare infinite volte i fenomeni. L’induzione per negazione si basa sull’eliminazione delle teorie errate, ma si sbaglia nel considerare finito il numero di teorie rivali. Il vero limite del metodo puramente induttivo è che l’osservatore non è mai neutro, ci sono le categorie mentali e i nostri sensi. Criterio di falsificabilità: le teorie sono vere tanto quanto sono resistenti alla loro falsificazione. Gli esperimenti verificano che le teorie non siano false.

La scienza moderna fa distinzione fra aspetto sperimentale e teorico e né uno né l’altro sono preponderanti, poiché fa parte del metodo scientifico che un modello teorico spieghi un’osservazione sperimentale ed anticipi future osservazioni. Per distinguere la scientificità di un discorso medico, il criterio è la ripetibilità statisticamente significativa: un dato fenomeno deve poter essere riproposto e studiato in tutti i laboratori del mondo.

Regole del metodo deduttivo

• Formulare un’ipotesi.
• Esprimerla in modo da prevedere alcune conseguenze o eventi, deducibili dall’ipotesi iniziale.
• Osservare se si produce l’evento previsto.
• Se l’evento si produce, la teoria non è confermata, semplicemente non è stata smentita e possiamo accettarla solo provvisoriamente.

La suddivisione in regni degli esseri viventi

3 domini

• Eubatteri: procarioti.
• Archeobatteri: procarioti.
• Eucarioti: 4 regni
• Animali
• Piante
• Funghi
• Protisti

Organismi modello

Escherichia coli: Usato in laboratorio con regole determinate dalla conferenza di Asilomar (California) 1975:

• Utilizzo di precauzioni negli esperimenti concernenti il DNA ricombinante.
• Utilizzo di barriere che limitino la diffusione del DNA ricombinante.
• Utilizzo di ceppi batterici che non siano in grado di sopravvivere nell’ambito naturale.
• Utilizzo di vettori che siano in grado di crescere solo in ospiti specifici.
• Utilizzo di cappe e ambienti a pressione positiva.
• Applicazione di buone pratiche del laboratorio microbiologico.
• Educazione e training del personale.

Arabidopsis thaliana: Pianta con genoma sequenziato interamente nel 2000.

Caenorhabditis elegans: Animale con genoma sequenziato nel 1998. Circa 22 mila geni (lo stesso numero circa dell’uomo).

Drosophila melanogaster: Studiata dai genetisti per la comprensione della trasmissione dei caratteri. Ciclo vitale breve, si riproduce molto.

Xenophus laevis: Usato perché le uova sono grosse.

Danio rerio (zebrafish): Piccolo pesce con embrione trasparente, si vede lo sviluppo al microscopio.

Mus musculus (topolino): Genoma sequenziato nel 2002. Tratti di cromosomi uguali a quelli umani si ritrovano mescolati in quelli dei topi. Genomi simili ma modificati nel modo in cui i pezzi sono assortiti.

Le specie si differenziano l’una dall’altra perché non sono più interfeconde (riarrangiamento dei cromosomi).

Sistematica e tassonomia (Linneo)

La sistematica è una branca della biologia che studia la diversità degli organismi e le loro correlazioni evolutive. La tassonomia dà il nome agli esseri viventi.

Classificazione binomiale sul concetto di specie

Nome del genere e nome della specie. Una specie è un raggruppamento di individui simili fra loro che incrociandosi generano una discendenza feconda. Nome del genere sempre in maiuscolo e nome specifico sempre in minuscolo. Es: gatto = Felis domestica. La classificazione tassonomica è gerarchica. Ogni classe tassonomica superiore comprende tutte quelle inferiore fino ad arrivare alla specie. Uomo = Homo sapiens

• Regno: Animalia
• Tipo: Chordata
• Classe: Mammalia
• Ordine: Primates
• Famiglia: Hominidae
• Genere: Homo
• Specie: sapiens

Atomi, molecole, macromolecole, organelli, cellule, tessuti, organi, sistemi e apparati, organismi, popolazioni, comunità, ecosistemi, biosfera. I fenomeni biologici partono con le molecole organiche e arrivano agli organismi.

Due visioni

• Approccio riduzionistico: Tende a semplificare al massimo. Spesso però la complessità aggiunge proprietà non contenute nei singoli elementi.
• Approccio olistico: La difficoltà è misurare molti eventi contemporaneamente.

La teoria cellulare

La scoperta della vita microbica e delle strutture cellulari si ebbe con lo sviluppo delle tecniche microscopiche. Il primo pioniere fu Anton van Leeuwenhoek, che sviluppò la capacità di produrre lenti con un ingrandimento fino a 200 volte. Fu il primo a osservare forme di vita microscopiche, prima di allora del tutto sconosciute. (Il suo interesse nel costruire lenti era per esaminare le stoffe, dato che era un mercante di stoffe olandese).

Il primo microscopio aveva una lente unica: punta di metallo regolabile su cui era fissato il campione e una piccola lente. Divenne molto famoso a livello popolare ma anche scientifico. Iniziò a osservare la vita microbica osservando i denti (placca). Osservò e descrisse i primi batteri e protozoi in modo molto accurato. Diceva di essersi reso conto di avere un desiderio di osservare e descrivere (empiristico, scienziato moderno). Novità: descrizione e osservazione. Era disponibile a condividere i risultati dell’osservazione ma non aveva interesse a trasmettere come costruire i microscopi, quindi venne meno la ripetibilità degli esperimenti. Questo fece rallentare di decenni il progresso della scienza.

Robert Hooke definì cellule le strutture a cellette che osserva esaminando con un microscopio da lui costruito un frammento di sughero tagliato. Nel 1830 si definì la Teoria cellulare di Schleiden e Schwann. La cellula è l’unità minima che ricapitola le proprietà fondamentali della vita:

• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule.
• Le cellule sono le unità funzionali degli organismi.
• Le cellule originano per divisione di cellule preesistenti (postulato aggiunto da Wirchow nel 1858 “omnis cellula e cellula”). (Francesco Redi aveva anticipato -nel 1668- che ogni organismo deriva da un uovo “omne vivo ex ovo”).

Esistono due tipi di cellule

• Cellule procariotiche (batteri e archebatteri)
• Cellule eucariotiche

Esistono anche due tipi di organismi

• Organismi unicellulari:
  • Possono essere formati sia da cellule procariotiche che da cellule eucariotiche.
  • La singola cellula è in grado di svolgere tutte le funzioni necessarie per la sopravvivenza, anche se i batteri vivendo in colonie possono costruire un biofilm in cui riescono a sopravvivere meglio, quindi la vita in colonie permette di acquisire proprietà maggiori rispetto alla singola cellula.
• Organismi pluricellulari:
  • Sono costituiti sempre da cellule eucariotiche.
  • “Suddivisione del lavoro”.
  • Questa forma di specializzazione comporta una espressione genica differenziata: le cellule hanno tutto lo stesso patrimonio genetico, lo stesso DNA, ma imparano a usare alcune parte dell’informazione e non altre. Le strutture interne, la forma, la struttura sono diverse da cellula a cellula.

Gli organismi unicellulari sviluppano strutture anatomiche fatte da porzioni della cellula stessa simili a quelle dei pluricellulari (bocche, denti, dardi, ecc…). Perché da cellula a cellula si passa a un organismo pluricellulare? Perché, dato che il rapporto superficie-volume cresce diversamente, oltre a una certa dimensione la superficie non è sufficiente per garantire gli scambi. I fattori limitanti le dimensioni cellulari quindi sono:

• Rapporto superficie/volume: (il volume cresce con il cubo del diametro della cellula mentre la superficie solo con il quadrato del diametro).
• Velocità di diffusione delle molecole che varia inversamente alle dimensioni. Oltre una certa dimensione le molecole non hanno possibilità di diffondere con sufficiente energia cinetica.
• Necessità di una adeguata concentrazione di reagenti e catalizzatori: nelle nostre cellule avvengono reazioni biochimiche spontanee ma catalizzate perché vengono controllate. Perché possano essere catalizzate è necessario un certo rapporto di catalizzazione. Al raddoppiare delle tre dimensioni di una cellula il numero delle molecole di reagenti e di enzimi deve aumentare di un fattore di 8 volte per mantenere la stessa concentrazione. La compartimentalizzazione serve a concentrare in alcuni settori certi enzimi per consentire la concentrazione sufficiente.

Inoltre, i vantaggi del sistema di endomembrane:

• Garantire le concentrazioni adeguate aumentando la velocità di reazione (es. tutti gli enzimi litici concentrati nei lisosomi).
• Creare compartimenti che consentono di svolgere reazioni diverse contemporaneamente. Un esempio sono i lisosomi con il pH acido e gli enzimi litici.
• Immagazzinare energia (con una gradiente di concentrazione ai lati della membrana).
• Membrane usate come superfici di lavoro, superfici nella quale si allineano proteine che svolgono reazioni in sequenza.

La cellula procariotica

L’interno è un unico ambiente, privo di endomembrane, il citoplasma non è omogeneo, con i ribosomi e una regione nucleare, il nucleoide dove è contenuto il nucleo. La membrana plasmatica è rivestita esternamente dalla parete cellulare, costituita da peptidoglicani. Può esserci inoltre una membrana esterna su cui ci possono essere appendici mobili, pili e flagelli.

L’organismo è fatto da popolazioni di cellule diverse e si differenziano fra le cellule della linea somatica e quelle della linea germinale, le quali produrranno gameti che potranno essere poi usate per la produzione di un altro organismo. La linea germinale è “immortale” perché ha una linea di trasmissione continua. Se c’è una mutazione in una cellula somatica, questa viene trasmessa solo alle cellule figlie ma non alla progenie. Se invece è in una cellula della linea germinale può essere trasmessa alla progenie.

Confronto tra cellule eucariotica e procariotica

Mesosoma: invaginazione della membrana plasmatica che si approfondisce dentro la cellula per aumentare le dimensioni della membrana.

Parete cellulare

Struttura rigida tipica dei batteri responsabile della forma della cellula e della sua protezione. È costituita da peptidoglicani (polipeptidi + polisaccaridi). Serve perché il batterio deve sopravvivere in un ambiente che non controlla: il problema fondamentale è la tonicità della soluzione acquosa in cui vivono. Fornisce un’ottima protezione in ambiente ipotonico ma non in ambiente ipertonico, perché essendo rigida limita l’espansione del citoplasma. Il lisozima (14.4 kD) è un enzima presente in tutti tessuti animali (nei liquidi biologici, funge da prima difesa) perché idrolizza il legame β (1→4) tra l’acido N-acetilmuratico (NAM) e la N-acetilglucosammina (NAG) che sono i componenti principali del peptidoglicano. Il lisozima fu descritto per la prima volta nel 1922 da Alexander Fleming. (Mentre osservava l’inibizione della crescita batterica mentre coltiva batteri dei batteri e gli cade una lacrima, che contenendo lisozima, ha inibito la crescita dei batteri.)

Una prima classificazione dei batteri si può fare in base alla forma:

• Sferici (cocchi, diplococchi, streptococchi, stafilococchi)
• Bacilli, forma allungata
• Spirilli, forma spiralizzata

I batteri possono essere classificati anche in base al tipo della loro parete:

• Gram positivi: hanno uno strato molto spesso di peptidoglicani, fatti da monomeri di zuccheri uniti da ponti peptidici.
• Gram negativi: hanno un sottile strato di peptidoglicano, all’esterno hanno una membrana con lipoproteine e polisaccaridi sulla superficie esterna che li rende insensibili a molti agenti chemioterapici (sulfamidici, antibiotici).

Se sono positivi o negativi alla colorazione di Gram (medico danese). I Gram + quando sono colorati con crystal violetto, trattati con sali di iodio e decolorati con alcol, trattengono la colorazione viola; i Gram - invece inizialmente si colorano ma con alcol si decolorano completamente. Se faccio una contro colorazione con la safranina i Gram- si colorano con la safranina mentre i Gram+ mantengono la colorazione del crystal violetto. La colorazione riflette la particolare composizione della parete.

Gli antibiotici hanno un ottimo indice terapeutico in quanto agiscono su strutture che non sono presenti o sono diverse nelle nostre cellule. Tuttavia sono poco selettivi e quindi uccidono anche batteri utili (es: flora batterica intestinale), quindi vanno usati con cautela. (La penicillina nei Gram- non funziona perché agisce sulla parete cellulare, che non ha rilevanza fondamentale nei Gram-).

Appendici mobili

Molti batteri sono mobili. La maggior parte dei batteri si muove con i flagelli, il cui numero e posizione sono importanti per la classificazione dei batteri. Spesso le proteine presenti sulle strutture di superficie vengono riconosciute come estranee dal nostro organismo e quindi sono usate per distruggere i batteri. Il flagello dei procarioti, composto da flagellina, è costituito da un corpo basale, un uncino e un filamento. (I flagelli delle cellule eucariotiche sono diverse, sono fatti da microtubuli). Il motore del flagello funziona grazie all’utilizzo di ATP che viene usato per pompare protoni fuori dalla cellula. L’afflusso di protoni viene usato per far ruotare il flagello. Possono avere anche i pili: appendici superficiali che possono riconoscere specifiche strutture sulle cellule ospite, quindi alcuni batteri hanno la capacità di attaccarsi a alcuni tipi di cellule che esprimono determinati recettori di superficie e non ad altri.

Riproduzione batterica

La riproduzione dei batteri è asessuata, in genere avviene per scissione binaria (ma anche per gemmazione e frammentazione). In condizioni ideali la cellula di Escherichia coli si divide ogni 20 minuti. (Perché lo scopo per ‘sopravvivere’ è colonizzare l’ambiente, al contrario delle cellule eucariotiche che hanno un controllo ferreo sulla riproduzione). La riproduzione asessuata porta anche svantaggi. Se i batteri si dividessero solo per scissione binaria sarebbero sempre uguali a sé stessi. Questo avviene grazie allo scambio di materiale genetico.

Nelle cellule eucariotiche c’è una differenza tra cellula delle linea somatica (cellule che formano il nostro corpo) e cellule della linea germinale, (cellule che producono gameti per essere utilizzati per la fecondazione per produrre un altro organismo). Se c’è una mutazione delle cellule della linea somatica verrà trasmessa solo alle cellule figlie, ma non alla progenie, al contrario di quelle della linea germinale. Scambio di materiale genetico nei batteri, per una maggiore variabilità e per la resistenza agli antibiotici.

• Trasformazione
• Trasduzione (mediata da virus)
• Coniugazione: scambio che avviene attivamente attraverso un’appendice particolare, il pilo sessuale. Il pilo sessuale consente di trasferire parti di molecole di DNA o piccole molecole di DNA circolare (plasmidi) che possono attraversare il “canale” formato. I batteri possono acquisire per mutazione proprietà che possono essere trasferite da una cellula batterica all’altra con questo processo.

Archeobatteri (Archaea)

Sono organismi molto antichi che hanno caratteristiche che li avvicinano sia agli eubatteri sia agli eucarioti. Vivono in condizioni estreme (estrema concentrazione salina, termofili estremi tra 85°-105°, metanofili, alofili). Sembrano in grado di vivere negli ambienti estremi della Terra primordiale. Si sono sviluppati nelle condizioni primordiali della vita sul pianeta e hanno continuato a vivere in queste nicchie ecologiche particolari. Sono interessanti in attività di ricerca e industriale perché posseggono molecole che si sono evolute per sopravvivere e hanno proprietà particolari (ad esempio resistere ad alte temperature). Probabilmente hanno un progenitore comune sia agli eucarioti sia agli procarioti.

Relazioni evolutive tra i vari tipi di cellule

Origine endosimbiotica dei mitocondri e cloroplasti:

• Esistenza di una doppia membrana (membrana interna è simile a quella dei procarioti)
• Hanno ribosomi molto più simili ai ribosomi dei batteri che a quelli della cellula eucariotica.
• Contengono DNA circolare.

Si pensa che l’origine dai batteri agli eucarioti derivi da una serie di eventi di endosimbiosi (Lynn Margulis - teoria endosimbiontica seriale): la vita sulla terra è avvenuta non per competizione ma per cooperazione: più tipi di organismi procariotici hanno imparato a convivere all’interno della stessa cellula conferendole proprietà delle cellule eucariotiche. Per esempio alcuni organismi spirochetasimili potrebbero essere diventati le appendici mobili delle cellule eucariotiche e la progressiva aggiunta di procarioti avrebbe portato alla nascita delle prime cellule eucariotiche.