Principi di Biologia Animale

Biologia animale

Biologia

Biologia: analisi scientifica della vita a tutti i livelli di complessità: molecolare, individuale, popolazioni (organismi della stessa specie), comunità (popolazioni nella stessa area), ecosistema (biotico + abiotico), biosfera. Primi importanti biologi: Aristotele e Ippocrate. Gli esseri viventi sono raggruppati in 3 domini: Bacteria, Archea, Eukarya. Quest'ultimo è diviso in 4 regni: Protisti, Funghi, Piante, Animali. 500 Ma presenti solo regni unicellulari, semplici, poi diventati pluricellulari.

Cellula e chimica della vita

Proprietà del sistema vivente: sistema aperto (scambia sia energia che materia con l'esterno) e dinamico (regolare i suoi scambi con il mondo esterno per mantenere la sua integrità); struttura molecolare che nasce, cresce, si riproduce e muore “autopoiesi”: organismo in grado di auto-mantenersi, auto-prodursi e generare nuovi organismi. Unione componente metabolica (insieme reazioni chimiche che generano prodotti) e informazionale (codice genetico contenuto in DNA e RNA, acidi nucleici replicatori). Virus presentano solo la seconda componente, non sono viventi, ma sub-viventi.

Acqua: elemento più importante presente negli organismi viventi, molecola tenuta assieme da legami covalenti polari. Ossigeno di una molecola si lega a idrogeni di un'altra (regioni di carica opposta), formando legami a idrogeno con un massimo di 4 molecole (icosaedro) associazioni a vita breve, deboli, fluidità. Particolari caratteristiche: elevato calore specifico, coesione, adesione, tensione superficiale, bassa densità allo stato solido, solvente universale.

Biomolecole

Biomolecole: composti organici (carbonio) che costituiscono strutture degli organismi viventi. Piccole molecole comuni a tutti gli organismi (monomeri) ordinate e assemblate a formare peculiari e variabili macromolecole (polimeri). Da un lato il gruppo OH, dall'altro H. Sintesi dei monomeri attraverso disidratazione: legame covalente tra OH e H, liberata molecola d'acqua. Processo inverso: idrolisi, rottura dei legami e impiegata molecola d'acqua. Tali reazioni avvengono grazie agli enzimi (azione catalizzante). Diversi gruppi funzionali.

Zuccheri

Zuccheri (carboidrati, glucidi): principali combustibili per i lavori cellulari, fonte di atomi di carbonio per la costruzione di altre piccole molecole organiche (amminoacidi e grassi), ruolo di segnalazione e strutturale. Classificati in:

• Monosaccaridi (zuccheri semplici): composti da una sola unità, divisi in aldeidi e chetoni (posizione doppio legame, 1 o 2 atomo C), o in triosi, pentosi, esosi (numero atomi C). Es: glucosio, fruttosio.
• Disaccaridi: due unità uguali o diverse, legame glicosidico attraverso disidratazione, es: maltosio (glucosio+glucosio), saccarosio (glucosio+fruttosio).
• Oligosaccaridi: tre-dieci unità.
• Polisaccaridi: più di dieci unità, anche centinaia, più comuni glicogeno (animali), cellulosa e amido (vegetali), funzione di riserva o strutturale.

Lipidi

Lipidi (grassi, glicidi): funzione di riserva energetica, protezione meccanica, isolante, impermeabilizzante, strutturale, termoregolatrice. Precursori molecole interesse biologico.

• Trigliceridi: glicerolo + 3 acidi grassi lunghe catene C, H, O, legami singoli (saturi, grassi animali) o doppi (insaturi, grassi vegetali, curvatura strutturale). Riserva energetica.
• Fosfolipidi: glicerolo + fosfato + 2 acidi grassi, costituenti membrana cellulare, testa idrofila e code idrofobiche.
• Colesterolo: precursore di altri steroidi, compresi ormoni sessuali.
• Cere: funzione impermeabilizzante nei vegetali.

Proteine

Proteine: catene polipeptidiche, polimeri di amminoacidi (20 essenziali), ad un'estremità gruppo amminico, all'altra gruppo carbossilico, catene laterali (gr R). Funzione strutturale, enzimatica, ormonale, energetica, trasporto. Origine vegetale (incomplete) o animale (complete, dette nobili). Uniti da legami peptidici. Diverse strutture proteiche:

• Primaria: lunga catena lineare semplice.
• Secondaria: primo ripiegamento a formare α-elica o β-foglietto (strutture ripetute), unione grazie legame idrogeno.
• Terziaria: struttura tridimensionale, unione tramite legami idrogeno, forze di van der Waals (interazioni idrofobiche), ponti disolfuro e legami ionici, no sequenze ripetitive, maggiore dinamicità.
• Quaternaria: unione strutture terziarie, struttura tubolare (collagene) o globulare (emoglobina). Presentano componenti non necessariamente proteici (Ferro, gruppo Eme).

Acidi nucleici

Acidi nucleici (DNA, RNA): polimeri nucleotidi, in grado di auto-duplicarsi e contenenti informazione genetica. Nucleotidi: zucchero pentoso (desossiribosio o ribosio) + gruppo fosfato + basi azotate. Purine (doppio anello), adenina e guanina; pirimidine (anello singolo), citosina, timina e uracile.

Origine della vita

Origine della vita: esperimento Miller-Urey (anni '50), la vita ha origine da brodo primordiale, non da elementi biologici. Ricreate condizioni di quel periodo, elementi iniziali: acqua, acido carbonico e altri elementi, tutto sottoposto a scariche elettriche; si verifica che in questo brodo si ottengono monomeri di interesse biologico. Da qui alcune questioni:

• Chi catalizza formazione polimeri? Originati prima acidi nucleici o proteine? Idea di una chimica primordiale centrata sull'RNA.
• Originato prima metabolismo o replicazione (metabolism first/replication first)?

Principali transizioni evolutive

Evoluzione tende ad una maggior complessità, 8 principali transizioni:

• Molecole in grado di replicarsi → Popolazioni di molecole in cellule divise in compartimenti
• Replicatori indipendenti → Cromosomi
• RNA come gene ed enzima → DNA e proteine
• Procarioti → Eucarioti
• Cloni asessuati → Popolazioni sessuate
• Protisti (unicellulari) → Animali, piante, funghi (pluricellulari)
• Individui solitari → Colonie
• Primati sociali → Società umane, linguaggio verbale

Procarioti

Procarioti: semplicità, costituiti da una sola molecola circolare di DNA o RNA, immerso in una regione nucleoide, un solo compartimento citoplasmatico + parete esterna (esoscheletro), protezione e rigidità. Dimensioni ordine del μm (10 m). Esclusivamente monocellulari (batteri e archeobatteri), possono vivere in qualsiasi nicchia ecologica, con o senza luce, ossigeno, molecole organiche, adattandosi velocemente ad ambienti estremi. Sono in grado di sintetizzare tutti i loro componenti a partire da molecole inorganiche e da una fonte di energia autotrofi. Scambiano geni in modo orizzontale, tra membri della stessa generazione. In grado di evitare l'estinzione (fossili di 3 miliardi di anni).

Eucarioti

Eucarioti: complessità, varie molecole lineari di DNA organizzate in cromosomi all'interno del nucleo, citoplasma organizzato in compartimenti (sistema di endomembrane, agevolate attività metaboliche) e organelli cellulari, specializzati a seconda della funzione. Dimensioni maggiori rispetto a procarioti: 10-100 μm (eccezioni es. uovo, neurone). Forma cellulare dovuta a un citoscheletro interno composto da almeno tre diverse famiglie di filamenti proteici. Necessitano di molto ossigeno, e oltre ad ampia varietà di forme monocellulari (protozoi o protisti) hanno generato tre grandi regni multicellulari (piante, funghi e animali). Nuovi meccanismi di divisione cellulare (mitosi e meiosi) e movimento, sviluppo embrionale. In grado di adattarsi all'ambiente con cambiamenti altamente sofisticati ma alto grado di estinzione (specie animali persistono mediamente per quattro Ma).

Nucleo

Nucleo: organello di dimensioni maggiori. Diviso in parti:

• Nucleolo: struttura sferoidale con fibre che sintetizzano parti dei ribosomi
• Involucro nucleare: protezione, doppia membrana dotata di pori (ciascuno associato ad una proteina, complesso del poro) che permettono scambi con l'esterno.
• DNA e proteine, cromatina: regione condensata distinta grazie a un colorante, formata da fibre. Due tipi: Eucromatina (parte chiara e meno condensata, utilizzata per trascrizione e sintesi proteica) ed Eterocromatina (scura, fortemente condensata, non usata per sintesi, mette a disposizione genoma per eventuale specializzazione. Femmina mammiferi: corpo di Barr, un cromosoma X inattivo).
• Durante divisione cellulare la cromatina origina i cromosomi (due cromatidi uniti nel centromero). DNA avvolto attorno a gruppi di 8 proteine basiche, istoni, formando un nucleosoma (diametro 10 nm), tra un nucleosoma e l'altro tratto di DNA associato a un altro istone (H1) struttura a collana di perle. Tale struttura forma fibra di 30 nm, che si avvolge formando cromosoma, largo 1400 nm. Ogni specie possiede quantità caratteristica di cromosomi (uomo 46).

Ribosomi

Ribosomi: necessari per sintesi proteine (lettura mRNA), formati da rRNA (RNA ribosomiale) e proteine, 2 subunità (maggiore e minore). Possono essere nel citoplasma, legati a membrana reticolo endoplasmatico o nucleo, oppure in organuli (mitocondri, cloroplasti).

Reticolo endoplasmatico (ER)

Reticolo endoplasmatico (ER): intreccio di strutture membranose in prossimità del nucleo, diviso in due parti:

• Rugoso: organizzazione a sacculi-cisterne, a ridosso della membrana nucleare esterna, ribosomi adesi alla membrana, sintesi proteine di membrana e secretorie. Proteine circolano al suo interno (lumen) e raggiungono altra destinazione attraverso vescicole di trasporto.
• Liscio: organizzazione a tubuli, sintesi ormoni sessuali, steroidi, lipidi, ioni calcio. Detossificazione: eliminazione sostanze tossiche grazie particolari enzimi.

Apparato del Golgi

Apparato del Golgi (studioso italiano, scoperta attorno 1800): formato da pile di membrane ripiegate una sull'altra (cisterne), stretta associazione con ER, immagazzina e rielabora prodotti chimici della cellula o extracellulari, per poi inviarli verso altre destinazioni. Presenta faccia cis, rivolta verso nucleo, riceve (endocitosi) vescicole gemmate da ER o provenienti dall'esterno, e faccia trans, rivolta verso estremità della cellula, libera nuove vescicole (esocitosi) con prodotti elaborati. Alcune vescicole sono trasformate in organelli:

• Lisosomi: sacchetti di enzimi digestivi, degradazione (riduzione a componenti più semplici) di particelle alimentari o organuli danneggiati (autofagia) inglobati per endocitosi, ambiente acido, pH inferiore rispetto all'esterno, facilitando lavoro degli enzimi. Formati da apparato del Golgi.
• Perossisomi: producono perossido di idrogeno (H₂O₂), sostanza nociva, poi neutralizzata da particolari enzimi, rilasciando acqua e ossigeno. Perossisomi delle cellule epatiche hanno funzione detossificante verso sostanze inquinanti (alcol, idrocarburi), contengono enzima catalasi. Formati da particolari regioni dell'ER dette estensioni lamellari. Biomarkers: misurazione quantità perossisomi ed enzimi detossificanti per vedere quanto il corpo è esposto ad inquinanti.

Mitocondri

Mitocondri: sede della respirazione cellulare, utilizzo energia immagazzinata in molecole di ATP, poi rilasciata al bisogno. Costituiti da doppia membrana, una esterna liscia e una interna, tra di esse spazio intermembrana, all'interno matrice. Membrana interna forma le creste mitocondriali, necessarie per aumentare superficie, processi molto complessi, più proteine rispetto membrana esterna. Presenti in quasi tutte le cellule eucarioti. Dimensione circa 10 μm.

DNA mitocondriale (mtDNA): presente nella matrice, circolare (come batteri), geni che codificano proteine impiegate nel recupero energia. Presenza mtDNA supporta teoria dell'endosimbiosi (1990 circa): in origine mitocondri erano batteri aerobi che, inglobati in una cellula ospite procariotica, creando con essa un'associazione simbiontica diventando organelli (simbiosi: associazione avvantaggia organismo ospitante e ospitato ≠ parassitismo). Vantaggio cellula: protezione da eccessivo ossigeno (in crescita nell'atmosfera), vantaggio batteri: nutrimento, protezione. Altre prove teoria: mitocondri simili a batteri, in grado di fondersi e spostarsi, utilizzo molto ossigeno.

Respirazione cellulare

Molecola ATP: adenina + ribosio (adenosina) + 3 gruppi fosfato. Si forma da ADP (adenosina difosfato) + gruppo fosfato P + energia: disidratazione, reazione endoergonica, richiesta energia. Processo inverso ATP → ADP + P + energia: idrolisi, reazione esoergonica, rilascio energia.

Reazioni catalizzate da enzimi: molecole proteiche che abbassano energia di attivazione aumentando velocità reazione, caratterizzate da elevata specificità (uno per ogni reazione, da cui prende nome, es idrolasi, ligasi). Nel sito attivo avviene reazione Enzima + Substrato → Complesso ES → Enzima + Prodotto.

Fasi respirazione cellulare (da 1 glucosio prodotti 36 o 38 ATP):

• Glicolisi (citoplasma): 1 molecola glucosio convertita in 2 di piruvato, prodotti 2 ATP (fosforilazione a livello del substrato), elettroni trasportati grazie coenzima NADH, divisa in due fasi:
  • Investimento energetico: consumati 2 ATP
  • Produzione energetica: produzione 4 ATP e 2 NADH.
• Reazione preparatoria (matrice): 2 piruvato + 2 CoA (coenzima A) → 2 Acetil-CoA (2 atomi C) + 2 CO₂.
• Ciclo di Krebs (matrice): coinvolti coenzimi NADH e FADH₂, 2 gruppi acetilici convertiti in 4 CO₂, prodotti 2 ATP (fosforilazione a livello del substrato), 6 NADH e 2 FADH₂.
• Catena trasporto elettroni (creste): elettroni trasportati da NADH e FADH₂ passano da un trasportatore (complessi proteici situati sulla membrana), ossigeno è accettore finale degli elettroni (formando acqua). Ioni H⁺ creano un forte gradiente elettrochimico tra creste e citoplasma che permette di produrre (per chemiosmosi) enorme quantità di energia (32 o 34 ATP, fosforilazione ossidativa).

Citoscheletro

Citoscheletro: novità evolutiva cellula eucariote, sistema articolato di fibre proteiche che fornisce supporto meccanico, mantenimento e cambiamento forma; regolazione attività biochimiche in risposta a stimoli meccanici; mobilità diversi tipi cellulari, ciò richiede interazione con proteine motrici. Composto da tre categorie di microfilamenti:

• Microfilamenti (diametro 6-7 nm): fibre composte da subunità monomeriche di actina, due catene intrecciate tra loro, responsabili del movimento (contrazione cellulare), motore proteico è la miosina. Possono formare reticolo tridimensionale, resistenza forze di trazione.
• Filamenti intermedi (8-10 nm): composti da subunità fibrose (fasci di fibre), elasticità e resistenza meccanica. Situati generalmente nella membrana nucleare (lamina nucleare) e nella pelle: cheratina, si oppone alla disidratazione (passaggio da ambiente acquatico a terrestre), persiste anche dopo la morte cellulare.
• Microtubuli (25 nm): cilindri cavi formati da subunità dimeriche di tubulina, necessari per spostare strutture nel citoplasma (es cromosomi, vescicole), collegate a essi tramite chinesine. Subunità sono semovibili, attaccate a una estremità (estremità +, microtubulo ha polarità) e rimosse all'altra (estremità -).

Centrosoma: origine fuso mitotico durante divisione cellulare, coppia di centrioli, ciascuno formato da 9 triplette microtubuli, disposte ad anello. Microtubuli costituiscono ciglia e flagelli. Flagelli: movimento ondulatorio, in genere un unico lungo flagello. Ciglia: più corte e numerose, movimento alternato, ricezione segnali specifici (ruolo importante in attività cerebrale e sviluppo embrionale). Sezione trasversale filamento: 9 coppie microtubuli periferiche + 2 centrali (solo nei flagelli). Corpo basale: stessa struttura centrioli, 9 triplette microtubuli. Microtubuli ancorati tra loro e a corpo cellulare da bracci di dineina: essi permettono anche scorrimento tra microtubuli adiacenti in una specifica direzione, movimento limitato da proteine di connessione.

Membrana

Membrana: struttura formata da un doppio strato di fosfolipidi e proteine, modello detto a mosaico fluido: i suoi componenti sono liberi di spostarsi attraverso essa.

• Fosfolipidi: testa idrofila (può entrare in contatto con acqua), polare, gruppo fosfato (carica negativa) + 2 code idrofobiche, apolari, formate da acidi grassi (catene C-H, carica positiva) molecole anfipatiche (carattere idrofilo + idrofobico), disposti a doppio strato con parte apolare all'interno.
• Proteine di membrana: tra queste glicoproteine e colesterolo (regola fluidità), si muovono più lentamente rispetto fosfolipidi, che si scambiano di posto continuamente. Membrana fortemente asimmetrica: ogni proteina ha specifico orientamento. Grazie a proteine membrana ha numerose funzioni:
  • Trasporto: passaggio di determinate sostanze (permeabilità selettiva), può essere passivo (diffusione) o attivo (richiede energia, opera contro gradiente, pompe Na-K). Per grosse molecole si creano vescicole, endocitosi ed esocitosi.
  • Rigidità e resistenza: attacco a citoscheletro o fibre extracellulari.
  • Segnalazione e riconoscimento: tramite determinate segnali-marcatori (ricezione, trasduzione, risposta).
  • Giunzione intercellulare: permettono a più cellule di impacchettarsi (tessuti).
  • Attività enzimatica.
  • Osmoregolazione (equilibrio idrico).

Origine membrana ed evoluzione: organismi formati in ambienti di acqua salata, con passaggio ad acqua dolce ambiente diventa ipotonico, problema risolto grazie a membrana che regola passaggio sali; ipotesi che in origine (brodo primordiale) strutture simili a fosfolipidi, racchiudendo materiale e formando micelle, possano aver formato i primi organismi.

Riproduzione cellulare

Riproduzione (≠ sessualità) di due tipi:

• Asessuata: comune nei protozoi, dopo duplicazione dei cromosomi la cellula madre si divide originando due cellule figlie identiche (organismo fa copie di sé, cloni), numero elevato di individui.