Lezioni, Biologia Animale e Vegetale

Biologia animale e vegetale

Prof.ssa Valeria Sorrenti

Appunti di Milazzo Antonella - Università degli Studi di Catania

Sommario

• Introduzione
• Le macromolecole
• Proteine
• Carboidrati
• Lipidi
• Acidi nucleici
• Gli organismi viventi
• Membrane biologiche – la struttura
• Membrane biologiche – il trasporto
• Organelli citoplasmatici
• Il nucleo
• I cromosomi
• La cellula vegetale
• I plastidi della cellula vegetale
• I vacuoli
• I metaboliti secondari
• La parete cellulare
• I tessuti delle piante
• La fotosintesi
• Le leggi di Mendel
• Malattie congenite ed ereditarie
• Ciclo cellulare e sintesi del DNA
• La mitosi
• La meiosi
• Trascrizione RNA e sintesi proteica

Introduzione

Prima di conoscere la cellula, dobbiamo sapere la struttura e le funzioni di tutti quei componenti che nel loro insieme costituiscono la cellula e i vari gradi di organizzazione via via sempre più complessi.

La gerarchia e l'organizzazione dei viventi

• Atomi = parte più semplice che genera molecole ed è composto da elettroni, protoni e neutroni
• Molecole = struttura più complessa di diverso tipo (semplice o complessa) che andrà a costituire gli organelli cellulari
• Organelli = di diversi tipi, strutture e funzioni che insieme danno origine alla cellula
• Cellula = può essere già considerata di per sé un organismo vivente in quanto esistono gli organismi unicellulari, dotati cioè di una sola cellula di vita autonoma. Da qui in poi ogni organismo diventerà sempre più complesso: un insieme di cellule forma i tessuti.
• Tessuti = cellule che si specializzano in una determinata funzione. Nei tessuti animali avremo il tessuto osseo, muscolare ecc.
• Organi = formati dall'insieme di più tessuti
• Sistema = insieme di più organi (sistema respiratorio, sistema circolatorio ecc.)
• Organismi, l'insieme dei vari sistemi costituiti dagli organi e dai tessuti e l'uomo risulta essere l'organismo più evoluto del regno animale
• Popolazione, insieme di più organismi che si trovano insieme in uno specifico ambiente
• Comunità, le varie popolazioni unite
• Ecosistema, più comunità
• Biosfera, più ecosistemi

La materia è tutto ciò che occupa un determinato spazio, ha un determinato volume e che è formata da elementi che possono essere:

• Uguali tra di loro (es. Ferro)
• Diversi tra di loro e formano composti o molecole (NaCl)

Gli elementi presenti sono raggruppati nella tavola periodica, divisi in gruppi e periodi. Ogni elemento ha uno specifico simbolo (dato dal nome in Latino), possiedono un numero atomico che rappresenta il numero di protoni o elettroni presenti nell'elemento, e un numero di massa atomica che rappresenta la massa di tale elemento. Nella crosta terrestre sono presenti all'incirca 102 elementi, di cui 30 costituiscono la materia vivente. Tali elementi vengono detti essenziali poiché la loro presenza è necessaria. Di questi trenta, 15 elementi sono stati ritrovati in tutte le cellule. Vengono poi ulteriormente divisi in 11 elementi, chiamati elementi plastici o bioelementi, essenziali e presenti in ogni tipo di cellula. Essi sono: Idrogeno – Ossigeno – Carbonio – Azoto – Zolfo – Fosforo – Cloro – Sodio – Potassio – Calcio – Magnesio. In realtà il 96% è formato da H-O-C-N e solo il 4% da tutti gli altri elementi. Si evince dunque che, tra tutti gli elementi plastici i veri indispensabili sono solo quattro. Di questo 96% l'elemento più abbondante è il carbonio, il più rappresentato nella materia vivente.

• C = 71.7 %
• N = 11 %
• O = 9.3 %
• H = 5 %

Essi sono i più abbondanti poiché chimicamente formano dei legami covalenti stabili, hanno un basso peso atomico, formano composti a basso peso molecolare e si diffondono facilmente nella membrana cellulare. Il carbonio poi è il più versatile.

Nella crosta terrestre, invece, gli elementi più abbondanti sono:

• Ossigeno
• Silicio
• Alluminio
• Ferro
• Calcio

Il 4 % degli elementi presenti nella materia vivente è rappresentato dagli elementi traccia o oligoelementi. Sono chiamati così perché normalmente esistono nella materia vivente ma in quantità notevolmente ridotte. Esse sono: Ferro – Rame – Zinco - Manganese – Iodio – Cobalto - Molibdeno. La loro minor concentrazione non deve portare a pensare che questi elementi non siano indispensabili. Contrariamente, infatti, il ferro è indispensabile per tutte le forme di vita. Senza il ferro non si potrebbe formare l'emoglobina, importante per poter trasportare l'ossigeno ai vari tessuti. Le cellule dunque non potrebbero respirare. Altri elementi invece non sono indispensabili per tutti i viventi: lo iodio è molto importante per i vertebrati. Tuttavia la mancanza di alcuni elementi essenziali può portare ad un deficit patologico:

• La mancanza di Azoto blocca la crescita delle piante
• La mancanza di Iodio, essendo indispensabile per la tiroide, causa il gozzo

La quantità degli elementi non è uguale in tutti i viventi:

• Nei vegetali c’è una maggiore quantità di ossigeno e in bassa concentrazione il carbonio, l’idrogeno, il potassio e gli altri elementi.
• Nell’essere umano c’è maggiore quantità di ossigeno ma varia rispetto ai vegetali per la concentrazione degli altri elementi.
• Nella crosta terrestre, oltre ai vari elementi prima citati, risulta ancora più differente. L’elemento più abbondante è l’Idrogeno.

L'Acqua

Quando si parla di esseri viventi, la prima molecola, indispensabile alla vita, è l’acqua. Pur essendo indispensabili ed essenziali gli altri elementi, l’acqua non può mai mancare, poiché non si può lontanamente immaginare qualsiasi forma di vita. Va ricordato che i ¾ della superficie terrestre è formato da acqua. Essa si può trovare in tre stati di aggregazione anche se solitamente si trova allo stato liquido, ma si trova anche sotto forma solida (ghiaccio) o aeriforme (vapore acqueo). La quantità di acqua rappresenta la percentuale maggiore negli esseri viventi: il 70% del peso corporeo di un essere umano e il 95% per quanto riguarda meduse e piante acquatiche. L’acqua è un mezzo biologico che rende possibile la vita. Gli orsi d’acqua, ad esempio, non riescono a sopravvivere senza una determinata quantità di acqua. L’acqua non è solo uno degli elementi principali dei viventi ma è anche un elemento ambientale che influenza le funzioni dei viventi.

Caratteristiche dell'acqua:

• È una molecola polare = formata da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno. L’ossigeno viene considerato un elemento più elettronegativo rispetto all’idrogeno. Esso infatti riesce ad attirare facilmente gli elettroni dell’idrogeno, tale che risulta più spostato un atomo di ossigeno rispetto ad uno di idrogeno. Nella molecola di acqua si crea un dipolo, ovvero una parziale carica negativa dell’atomo di ossigeno e una parziale carica positiva dell’atomo di idrogeno. La molecola è dunque polare perché di crea una parziale carica positiva e una negativa. Ciò fa si che tra le molecole d’acqua si creino dei legami ad idrogeno, che si creano dalla carica positiva dell’idrogeno unita a quella negativa dell’ossigeno di un’altra molecola di acqua.
• Coesione = sotto la forza di coesione, le molecole di acqua esercitano una forza su altre molecole uguali e spiega la capillarità che si verifica nelle piante o nei vari esperimenti nei tubicini di vetro. Le molecole di acqua si tengono le une alle altre.
• Adesione = le molecole di acqua sono adesive, cioè grazie alla loro polarità, riescono ad aderire alle pareti di cellulosa o di vetro, vincendo così la forza di gravità. La forza che si esercita in questo caso è su molecole diverse.
• Tensione superficiale = si verifica nella superficie che separa l’acqua dall’aria. In questo strato, le molecole sono fortemente attratte verso il basso mediante i legami ad idrogeno con le molecole sottostanti, e sono meno attratte dalle molecole dell’aria. Il caso dell’evaporazione, tuttavia, si verifica quando le molecole di acqua vincono la forza attrattiva proveniente dal basso. Il processo viene accelerato con il calore perché si forniscono molecole di energia superiore, tali da abbassare la forza proveniente dal basso. Questa capacità spiega anche perché alcuni insetti riescono a camminare sull’acqua.
• Vari stati di aggregazione = (solido, liquido, gassoso). Le molecole allo stato liquido sono libere di muoversi, quelle allo stato gassoso sono totalmente libere e quelle allo stato solido, invece, si trovano in posizione ben precise, formando il reticolo cristallino. Per fare i passaggi di stato, si aumenta l’energia cinetica delle molecole. Il ghiaccio ha una densità inferiore e galleggia nell’acqua allo stato liquido.
• Valore specifico di calore = L’acqua contribuisce a mantenere costante la temperatura. Il valore di tale temperatura è molto elevato e per aumentare 1 grammo di acqua di un grado c’è bisogno di 1 caloria. L’acqua riesce ad assorbire una quantità di calore elevatissima.
• Le caratteristiche del ghiaccio = tutti gli esseri marini non muoiono quando l’acqua si trasforma in ghiaccio: solo lo strato superficiale si solidifica e grazie al fatto che l’acqua mantiene la sua temperatura costante, gli animali possono continuare a vivere. “L’acqua rende l’ambiente idoneo alla vita.”
• Solvente versatile = l’acqua scioglie Sali, molecole polari, zuccheri ecc. Per quanto riguarda il sale, gli ioni sodio e cloruro si separano: il sodio viene attorniato dall’ossigeno delle molecole di acqua mentre lo ione cloruro viene circondato dagli atomi di idrogeno. I Sali non sono più visibili. L’acqua è il solvente della vita poiché scioglie con facilità tutto ciò che è polare. L’acqua riesce a sciogliere le cosiddette molecole “idrofile” e riesce a scindere sia quelle con peso molecolare basso, sia alto. Il Lisozima, una grossa macromolecola, in presenza di acqua, circonda la molecola ma non la scioglie, poiché forma una struttura chiamata colloide, che l’acqua riesce a rendere solo solubile. Per lo stesso principio, il cotone idrofilo non si scioglie ma riesce ad assorbire grandi quantità di acqua. In realtà è una molecola fortemente polare che non si scioglie.
• Le sostanze idrofobe invece sono quelle sostanze che l’acqua non riesce a sciogliere perché apolari (che non hanno né parziale carica positiva né parziale carica negativa) come ad esempio l’olio. Con tali sostanze non si crea una soluzione ma si riesce a distinguere in maniera netta il solvente dal soluto. Un esempio di struttura fortemente idrofoba è la membrana biologica.
• Le concentrazioni di H⁺ e OH^- vengono espresse con un parametro fondamentale, cioè il PH. PH= - Log(H⁺) = 7 (allo stato puro, cioè neutro). Se in una soluzione acquosa sono presenti ioni H⁺, le soluzioni verranno definite acide e il pH andrà da 6 a 0. Se in una soluzione acquosa sono presenti ioni OH^- in maggior quantità, il pH verrà definito basico e andrà da 8 a 14. Acido = succo di limone, aceto, pomodori, banane ecc. Basico = candeggina, saponi, ammoniaca, soda caustica. Tutti gli organismi controllano il pH delle cellule, che deve essere mantenuto attorno a 7,4, vicino alla neutralità. Eccessiva acidità o basicità non è compatibile con la vita. Le cellule, per difendersi dalle variazioni improvvise del pH, utilizzano le soluzioni tamponi che cercano di mantenere il pH costante, opponendosi alle variazioni.

Variazioni del PH

• Aumento dei processi respiratori
• Eliminazione di grandi quantità di O₂
• Diminuisce la concentrazione nel sangue
• I tamponi non controllano il pH
• Sintomi: vertigini, svenimenti, morte

Il pH dell’acqua deve essere mantenuto neutro, affinché non si causino delle alterazioni nella biosfera che causano la morte cellulare. L’anidride solforica o l’anidride nitrica portano alla formazione di acidi, maggiori nell’atmosfera, con la formazione di acido solforico e acido nitrico. Se le nubi hanno una forte concentrazione di questi acidi, si formano le piogge acide. In zone industriali sono tanto acide da causare la morte di viventi. L’acidificazione dell’acqua di mare, inoltre, porta all’alterazione di carbonati con conseguente aumento dell’acido carbonico nell’acqua di mare (CO₃). Aumento dei bi-carbonati e diminuzione dei carbonati. Nelle zone tropicali ha portato alla formazione della barriera corallina per la calcificazione. Con i bi-carbonati questo processo di calcificazione non può avvenire. Tutto ciò causa un’alterazione dell’intero sistema.

I cicli biologici

• Comparto a fase biologica (ciclo biologico)
• Comparto a fase geologica (ciclo geochimico)

Il ciclo del carbonio

Elemento più abbondante che permette la formazione di molecole organiche e che può esistere in diversi stadi e in molecole più o meno grandi. Il ciclo avviene prevalentemente nella biosfera, con la partecipazione di vegetali e animali: nei vegetali con il processo della fotosintesi, mediante il quale, tramite l’energia solare, riescono a liberare ossigeno e a sintetizzare composti organici quali gli zuccheri. L’ossigeno e il glucosio sono importanti nei processi di respirazione cellulare che avviene negli animali, che porta alla trasformazione del carbonio in CO₂. Questa, insieme all’acqua, verrà riutilizzata dalle piante, durante la fotosintesi e il ciclo continua.

Il ciclo dell'azoto

Presenta diversi stadi e coinvolge molti organismi. L’azoto si trova in atmosfera sotto forma di azoto biatomico. Oltre a piante e ad animali, interagiscono altri microrganismi, detti batteri. L’azoto viene utilizzato dai batteri (azoto-fissatori) che trasformano l’azoto in ammoniaca mediante il processo della fissazione. I batteri nitrificanti trasformano l’ammoniaca in ione nitrato che, preso dal suolo, viene utilizzato dalle piante come nutrimento e nel processo di organizzazione trasformano l’azoto da molecola inorganica a molecola organica. Le piante verranno utilizzare dai consumatori, gli animali, che tramite i processi di decomposizione formeranno l’azoto riutilizzabile dalle piante o direttamente nel suolo riutilizzato dai batteri come ammoniaca. E il ciclo ricomincia.

Il ciclo dello zolfo

È importante che lo zolfo venga introdotto nelle molecole organiche. Il ciclo presuppone la presenza di zolfo nell’atmosfera sotto forma di ione solfato, che viene incorporato nelle piante che lo trasferiscono agli animali, che rilasciano, mediante i processi di decomposizione, lo zolfo organico, che contribuisce al deposito fornito dal suolo. I batteri ossido-riduttivi lo faranno diventare o acido solfidrico o direttamente solfato (dell’atmosfera). I batteri ossido riduttivi sono un ottimo esempio di demolizione degli esseri viventi e premettono di capire tramite un processo evolutivo, che le prime forme di vita erano molto primitivi e da questi si sono formati i mitocondri e i vari cloroplasti.

Il ciclo del fosforo

Si trova prevalentemente nelle rocce fosforiche della superficie terrestre e deriva solo dai processi di erosione di queste rocce (vulcaniche). Passa dall’atmosfera e quindi alla biosfera. A differenza degli altri elementi visti, il fosforo non varia mai il suo stato di ossidazione. Il ciclo non dovrebbe essere mai alterato, anche se i progressi industriali l’hanno col tempo modificato.

Il ciclo biologico dell'acqua

Il passaggio dell’acqua dal suolo all’atmosfera non prevede cambiamenti chimici ma solo fisici (stati di aggregazione).

Le macromolecole

Le macromolecole sono formate da molecole organiche, nelle quali è sicuramente presente il carbonio, elemento molto versatile in grado di formare diversi tipi di composti stabili e che hanno sia un peso molecolare molto piccolo sia un peso molecolare molto grande. Tra i composti organici più semplici troviamo gli idrocarburi, formati da carbonio e idrogeno e possono essere lineari, ramificati, ciclici, con doppi legami, o molto complessi, che presentano cioè anche altri elementi. Il carbonio riesce a formare in totale quattro legami e può formare:

• Legami semplici = il carbonio assume una forma tetraedrica
• Legami doppi = come ad esempio l’anidride carbonica
• Legami tripli = ovvero le molecole più complesse

I composti organici possono esistere sotto forma di più isomeri, i quali presentano la stessa formula bruta, lo stesso elemento, peso molecolare uguale ma con la presenza di doppi legami (trans o cis). L’isomeria tipica del carbonio è costituita dagli enantiomeri, derivati del carbonio con quattro raggruppamenti diversi e fanno si che esistano due molecole che sono una l’immagine speculare dell’altra. Le molecole organiche, oltre alla presenza del carbonio e dell’idrogeno, presentano i cosiddetti gruppi funzionali:

• Gruppo alcolico = presenta il gruppo OH
• Gruppo carbonilico = di un aldeide (C=OH) o di un chetone (C=O)
• Gruppo carbossilico = che da origine agli acidi (C=O-OH)
• Gruppo amminico = origina le ammine (NH₂)
• Gruppo fosfato