Riassunto di Biologia: utile alla preparazione ai test d'ammissione per le facoltà scientifiche

Biologia

È noto che gli elementi si associano a formare strutture più complesse (molecole) attraverso interazioni differenti che vanno sotto il nome di legami chimici. Questi legami chimici vengono suddivisi in due gruppi: legami forti e legami deboli. Gli atomi interagiscono fra loro tramite gli elettroni del loro strato più esterno, detti appunto elettroni di valenza o elettroni di legame. (I vari tipi di legame, ionico, covalente, etc sono stati affrontati nella sezione chimica inorganica).

Legame covalente

Il legame covalente in particolare ha una grande importanza a livello biologico. Questa importanza non risiede solamente nel suo elevato contenuto energetico e nella sua diffusione in ambito organico, ma anche nel fatto che, in rapporto alle caratteristiche degli atomi interagenti, la nube elettronica comune può essere equamente suddivisa fra gli atomi stessi, oppure stazionare preferenzialmente in prossimità di uno dei due. Si assiste così alla comparsa di cariche elettriche di segno opposto: sull’atomo capace di attrarre la nube elettronica staziona una carica negativa; mentre sull’altro, dove la nube elettronica risulta rarefatta, compare una carica positiva.

Questo fenomeno, detto polarizzazione, è della massima importanza in campo biologico; oltre a rivelarsi la causa principale di attrazione molecolare fra piccole molecole (ad esempio acqua), esso risulta decisivo per l’insorgenza di quelle deboli, se considerate singolarmente, attrazioni intramolecolari (per esempio legami a idrogeno) che caratterizzano le principali macromolecole biologiche. La polarizzazione favorisce la completa o parziale compatibilità della molecola biologica con il mezzo acquoso (idrofilia). Polarità e idrofilia sono quindi un binomio inscindibile.

Anche molecole elettricamente neutre possono interagire fra loro tramite legami deboli, le cosiddette interazioni idrofobiche. Queste forze attrattive risultano simili alle forze di Van der Waals; come queste ultime infatti le interazioni idrofobiche dipendono dalla distanza delle molecole interagenti e svaniscono rapidamente con l’aumentare della distanza stessa. Le interazioni idrofobiche risultano essenziali nella formazione delle membrane biologiche.

Acqua

L’acqua copre attualmente circa i ¾ del nostro pianeta. La vita è nata nell’acqua e lì si è evoluta per 3 miliardi di anni prima di colonizzare la terraferma. Pure le cellule che costituiscono gli organismi viventi sono formate da acqua e il loro contenuto varia dal 70% al 95%.

Nella molecola d’acqua H₂O, l’atomo di ossigeno e i due di idrogeno mettono in compartecipazione i loro elettroni tramite legami covalenti, ma fortemente polarizzati. L’ossigeno è fortemente elettronegativo e la nube elettronica tende a stazionare sull’ossigeno determinando una parziale carica negativa, mentre sull’idrogeno c’è una parziale carica positiva. L’acqua è un solvente del tutto particolare, in quanto, fra le sue molecole fortemente polari si stabiliscono forze di attrazione intermolecolari.

La molecola d’acqua può essere rappresentata come un dipolo magnetico, il cui centro di carica negativa è costituito dall’ossigeno, mentre i due idrogeni risultano parzialmente positivi. Tra gli atomi di idrogeno e quelli di ossigeno, appartenenti a molecole diverse ma vicine fra loro, si possono stabilire forze intermolecolari di attrazione elettrostatica, denominate legami a idrogeno. Ciascuna molecola d’acqua può formare legami a idrogeno con altre 4 molecole d’acqua vicine. Al di sotto della temperatura di ebollizione, le molecole d’acqua sono legate fra loro dai legami idrogeno. Nel ghiaccio il numero di questi legami è massimo, proprio perché costituisce un reticolo ordinato (il ghiaccio è meno denso del 10% rispetto all’acqua liquida). Con l’innalzamento della temperatura, i legami idrogeno tendono gradualmente a scomparire; all’ebollizione le molecole d’acqua si trovano isolate per la totale scomparsa dei legami idrogeno e, conseguentemente, sono libere di passare allo stato aeriforme.

Proprietà e funzioni

Il carattere dipolare dell’acqua conferisce a questo liquido straordinarie capacità di solvatazione sia sui sali inorganici sia sulle molecole organiche. La capacità di formare legami idrogeno fa dell’acqua un agente di stabilizzazione delle macromolecole, la cui struttura dipende in gran parte da legami deboli. L’acqua ha un elevato calore specifico, cioè il calore che deve essere assorbito o perso da una sostanza perché la sua temperatura aumenti di 1°C. A scanso di gravi danni cellulari, perciò, la quantità di acqua nei tessuti animali non può presentare variazioni notevoli. Per questo motivo, gli organismi viventi, in particolare gli animali più complessi, hanno perfezionato sistemi di regolazione (come quello della secrezione surrenale) che permettono di mantenere in equilibrio il bilancio idrico.

L’acqua è definita solvente universale nei sistemi biologici: è in grado di sciogliere un numero di sostanze maggiore di qualsiasi altro solvente. Quando parliamo di soluzione acquosa, il solvente è l’acqua. Le sostanze ioniche e quelle polari sono solubili in acqua. Le molecole d’acqua formano un involucro intorno agli ioni separandoli gli uni dagli altri. Inoltre, molecole come amminoacidi e zuccheri, che posseggono gruppi polari, formano legami a idrogeno con l’acqua. Mentre le molecole neutre o apolari non hanno nessuna affinità con l’acqua (proprietà anfotere) e quindi non si dissociano in essa, vengono definite idrofobe. Al contrario, le sostanze idrofobe in acqua tendono ad aggregarsi tra loro. Il contenuto d’acqua nel corpo umano è pari al 75% nei neonati e al 60% negli adulti.

Cenni di microscopia

La comprensione che ogni essere vivente è costituito da cellule fu permessa dalla realizzazione, nel Seicento, del primo strumento capace di amplificare notevolmente la capacità risolutiva dell’occhio umano. Il “potere risolutivo” è la distanza minima al di sotto della quale non siamo più in grado di vedere due punti come distinti tra loro; il potere risolutivo dell’occhio umano è di circa 1/10 di millimetro. In altre parole, non siamo capaci di percepire come distinti due punti a distanza inferiore a 0,1 mm.

Per poter risolvere, e quindi individuare, oggetti le cui dimensioni sono inferiori al potere risolutivo dell’occhio, sono state dapprima utilizzate le comuni lenti di ingrandimento e poi i microscopi. I diversi tipi esistenti di microscopi sono degli strumenti complessi che sfruttano metodi di osservazione diretta, attraverso cui possiamo conoscere l’organizzazione strutturale delle cellule in condizioni fisiologiche e patologiche.

Microscopia ottica e elettronica

Distinguiamo i due termini: microscopia ottica e microscopia elettronica. In entrambe le tecniche è necessario l’utilizzo dell’occhio. Sarebbe più opportuno chiamare la prima con un altro nome, ovvero microscopia luce e microscopia elettronica, che rimane invariata, in quanto ciò che contraddistingue le due tecniche è la natura del mezzo con cui si analizza l’oggetto e cioè, rispettivamente la luce e gli elettroni.

Il microscopio più comune, e il più utilizzato, è il microscopio ottico chiamato anche microscopio ottico composto poiché è dotato di due sistemi di lenti: obiettivo e oculare. L’obiettivo è rivolto verso il tavolino portaoggetti su cui viene deposto il campione da esaminare. Al che uno specchio dirige un fascio di luce attraverso il preparato e l’obiettivo ne proietta un’immagine ingrandita verso l’oculare, che la ingrandisce a sua volta e la mette a fuoco sul fondo dell’occhio. Il microscopio ottico consente di ingrandire al massimo l’immagine del preparato deposto fino a circa 2.000 volte. Perciò il potere risolutivo di questo microscopio non permette di distinguere distanze inferiori a 0,0002 mm.

L’allestimento di un campione prevede dei procedimenti di preparazione che si dividono in quattro fasi e sono: la fissazione, l’inclusione, sezionamento e colorazione. Uno dei metodi migliori per rendere visibile un campione è trattarlo con un colorante che assorba solo alcune λ (lunghezze d’onda): la colorazione è corrispondente alla λ non assorbita. Alcuni reagenti importanti sono l’ematossilina (colora di blu nucleo, regioni acide del citoplasma e matrice cartilaginea), l’eosina (colora di rosa le regioni basiche del citoplasma e le fibre collagene), l’argento (colora di nero le fibre reticolari), l’acido periodico-Schiff (colora di magenta il glicogeno e molecole ricche di carboidrati), e altri.

Ci sono poi altri tipi di microscopi ottici:

• Microscopio a contrasto di fase (MCF), serve per vedere preparati non colorati. In questo microscopio, oltre a tutte le attrezzature che ci sono in quello composto, ci sono delle aggiunte, cioè un diaframma di fase (prima del condensatore) e una lamina di fase (dentro l’obiettivo).
• Microscopio a fluorescenza, il quale utilizza come sorgente luminosa la luce ultravioletta (invisibile a noi) la quale viene emanata da una lampada a vapori di mercurio, che andrà a colpire uno specchio dicroico che riflette la luce e la manda sul preparato.
• Microscopio confocale, serve per avere una visione tridimensionale del preparato. È un microscopio a scansione laser, il fascio laser viene concentrato in un piccolo foro (foro confocale), riflesso in uno specchio e poi focalizzato in un solo punto del preparato. Il laser effettua una scansione, per poi inviare le immagini a un sistema computerizzato che le assembla creando una visione tridimensionale.

A partire dagli anni Trenta è stato sviluppato il microscopio elettronico, basato sull’utilizzo, al posto della luce visibile, di un fascio di elettroni. I fasci di elettroni utilizzati sono associati a lunghezze d’onda più brevi di quelle della luce, quindi permettono di ottenere un più elevato potere di risoluzione, rendendo possibile l’osservazione di alcune strutture subcellulari (per esempio la struttura delle membrane). Pur non raggiungendo i limiti teorici, il microscopio elettronico fornisce fino a 150.000 – 200.000 ingrandimenti.

Suddividiamo due tipi di microscopio elettronico:

• Microscopio elettronico a scansione (SEM). Fornisce l’immagine tridimensionale di ciò che stiamo osservando e ha un potere di risoluzione di 10 nm. Un fascio sottile di elettroni esplora, punto dopo punto, la superficie del preparato. Gli elettroni infatti non attraversano il campione, bensì sono riflessi sulla superficie. L’immagine che si forma sullo schermo riproduce con effetto tridimensionale la superficie analizzata, rivelandone tutti i particolari.
• Microscopio elettronico a trasmissione (TEM), ci dà un’immagine planare di ciò che stiamo osservando e ha un limite di risoluzione più basso = 0,2 nm (2 angstrom). Un filamento metallico, a vuoto e a caldo, emette elettroni che vengono accelerati da un potenziale elettrico e focalizzati da elettromagneti. Il fascio di elettroni, dopo aver attraversato l’oggetto da ingrandire, colpisce uno schermo fluorescente sul quale si forma l’immagine.

Le culture cellulari

Intorno agli anni ’50 si è iniziato a coltivare cellule in laboratorio, con le colture cellulari. Coltivare cellule in laboratorio significa saper creare un ambiente dove le cellule stanno bene, ricreando l’ambiente in cui loro vivono. Le cellule vengono messe in coltura in un terreno completo e sterile costituito da miscele tamponate e sostanze fondamentali per la crescita e la divisione della cellula. Bisogna inoltre stare attenti a far crescere ciò che vogliamo noi nella cultura, per evitare che crescano ospiti indesiderati (batteri, muffe, etc).

Quando si effettua una coltura di cellule direttamente prelevate da un determinato organi, si parla di coltura primaria a breve termine, si tengono finché sono in grado di sopravvivere. Se vogliamo che le cellule vivano per più tempo, bisogna metterle in un altro terreno e diventano colture secondarie a lungo termine, che dà origine a ceppi cellulari con specifiche caratteristiche strutturali, che sono in grado di dividersi un numero infinito di volte (epidermide umana da 50 a 100 volte, fibroblasti da 30 a 60).

Ci sono cellule, tumorali, che danno origine a linee cellulari che si moltiplicano infinitamente (vengono vendute da grandi case farmaceutiche), hanno un diverso sistema di controllo. Linea cellulare umana HeLa, posseggono infatti 82 cromosomi e, oltre al normale corredo umano, presentano quattro copie del cromosoma 12 e tre copie dei cromosomi 6, 8 e 17. Questa linea è molto utilizzata quando si vogliono fare prove di farmaci tumorali.

Biologia cellulare

La teoria cellulare

La cellula è la più piccola unità capace di vita autonoma e costituisce gli organismi viventi a organizzazione cellulare (ci sono organismi, come i virus, che sono a organizzazione molecolare). Una cellula può essere definita come un elemento di piccole dimensioni, delimitato da una membrana, pieno di soluzione concentrata di sostanze chimiche in acqua e dotato di capacità di produrre copie di sé stesso, crescendo e dividendosi in due.

Le prime osservazioni vennero fatte nel 1665 da Robert Hooke, il quale introdusse il termine “cellula” per descrivere delle piccole cavità che evidenziò osservando una sezione di sughero, utilizzando un primo semplice microscopio (di sua invenzione). Soltanto quando abbiamo avuto a disposizione certi tipi di strumenti si è potuto iniziare a capire la cellula e la sua struttura. Prima di tutto si appurò che tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule. Nel 1838-1839, Theodor Schwann (botanico), Mathias Jakob Schleiden (zoologo) e Rudolf Virchow elaborarono l’attuale teoria cellulare, oggi universalmente riconosciuta.

La teoria cellulare può essere riassunta nei seguenti punti:

• Tutti gli organismi viventi sono composti da cellule, unità elementari dotate di proprietà comuni. La cellula è la struttura base che costituisce tutti gli organismi, alcuni sono costituiti da una sola (batterio, ameba) altri da miliardi (uomo).
• La cellula è l’unità più semplice che possiede tutte le caratteristiche della vita.
• La cellula è l’unità morfologica e fisiologica fondamentale nella struttura degli organismi viventi, dei quali possiede tutte le proprietà caratteristiche. Negli organismi viventi molte funzioni complesse sono rese possibili dall’esistenza di una continua cooperazione tra le diverse cellule.
• Ogni cellula deriva da una cellula preesistente, così come disse Virchow nel 1859: “omnis cellula e cellula”.
• Nelle cellule l’informazione genetica risiede nel DNA e viene trasmessa dalle cellule parentali alle cellule figlie durante la divisione cellulare.

Approfondendo il quarto punto, inizialmente si pensava che le cellule si originassero continuamente per condensazione di fluidi non organizzati, cioè per generazione spontanea. Nel 1862 L. Pasteur fece un semplicissimo esperimento e dimostrò l’impossibilità della generazione spontanea. Prendiamo una beuta con un collo corto e ci mettiamo dentro un insieme di sostanze nutritizie che servono alla cellula per potersi dividere. Lo facciamo inizialmente bollire, per renderlo sterile, poi lo lasciamo all’aria e noteremo che dentro la beuta inizieranno a crescere varie componenti (muffe, microrganismi). Per questo motivo molti sostenevano che le cellule si creassero per generazione spontanea, cioè per autosintesi. Pasteur non era d’accordo e affermò che i microrganismi vi erano in realtà entrati dentro, perché sono molto piccoli e non si possono vedere. Inizialmente, per dimostrare la sua ipotesi, fece il precedente esperimento però tappando la beuta. Non vi crebbero microrganismi ma, gli avversi, sostennero che ciò fu a causa della mancanza di ossigeno. Allora Pasteur prese una beuta con l’imboccatura a collo di cigno, sottile. All’interno non crebbe nulla perché lasciato all’aria un recipiente di questo tipo, anche per molto tempo, grazie alla sua conformazione, bloccava nella curva del collo ciò che entrava. E così dimostrò la sua ipotesi.

Tipi cellulari

La prima cellula di cui abbiamo trovato reperti fossili è la cellula procariotica (circa 3,5 miliardi di anni fa). La terra si è originata invece circa 4,5 miliardi di anni fa. Quindi la cellula procariotica è la più antica, ma ciò non significa che sia la meno evoluta bensì diciamo che ha scelto una strategia diversa. È una cellula estremamente semplice, più piccola, con struttura interna più semplice. Si divide molto più velocemente dell’eucariotica ed è molto più adattabile ad ambienti estremi (i batteri vivono in ambienti in cui la cellula eucariotica non sopravvivrebbe). La cellula eucariotica invece comparve 2 miliardi di anni fa.

Ogni cellula è circondata da una membrana cellulare (detta anche membrana plasmatica o plasmalemma) che definisce un ambiente interno e lo separa dall’esterno; la membrana cellulare regola l’ingresso e l’uscita dei materiali. All’interno si trova il citoplasma, una soluzione acquosa in cui sono immersi i costituenti cellulari e in cui si svolge buona parte delle funzioni cellulari. In base alla presenza o meno di un nucleo vero e proprio, le cellule vengono divise in due gruppi: cellule procariotiche e cellule eucariotiche.

Differenze tra procarioti e eucarioti

• Dimensioni medie: la maggior parte delle cellule procariotiche ha un diametro di 1-10 µm (micrometro); mentre la maggior parte delle cellule eucariotiche ha un diametro maggiore.