Tutte le basi di biologia

Biologia

Il termine biologia deriva dal greco (Bio-Logos), letteralmente vuol dire "studio degli esseri viventi". Un essere vivente, per essere considerato tale, deve:

• Nascere
• Crescere
• Riprodursi
• Morire

Il ciclo vitale di una cellula, definito come ciclo cellulare, è sostenuto da un programma genetico, ossia una serie di informazioni contenute nel DNA (acido-desossiribonucleico). I due scopi fondamentali di un essere vivente sono quello di automantenersi e di tramandare alla prole il proprio programma genetico (sia animali sia cellule).

Il DNA ha il compito di dare le istruzioni, mentre coloro che si occupano della sua espressione sono le proteine. Per proteine si intendono tutte quelle macromolecole biologiche che hanno il compito di esplicare le funzioni del DNA. Ogni proteina è specifica per una particolare funzione. Oltre al DNA esiste un'altra macromolecola fondamentale, l'RNA (acido-ribonucleico), il quale ha una funzione che sta a metà fra il DNA e le proteine.

DNA e RNA fanno parte di un particolare tipo di macromolecole, definite acidi nucleici. Le macromolecole sono dei polimeri, costituiti da monomeri, i quali sono formati da C, H, O, N, S. Le macromolecole principali del nostro corpo sono:

• Carboidrati, i quali sono costituiti da unità fondamentali dette zuccheri.
• Lipidi, i quali sono costituiti da acidi grassi.
• Proteine, costituite invece da amminoacidi.
• Acidi nucleici (DNA e RNA), formati invece da nucleotidi.

Tutti gli organismi sono formati da cellule. Se un organismo è formato da una sola cellula è detto unicellulare, se è formato da più di una cellula è detto pluricellulare. Le cellule sono definite bioreattori, ossia che basano le loro funzioni su reazioni chimiche e fisiche. Per ovviare alla naturale necessità di energia, esistono dei particolari sistemi molecolari ed enzimatici che sono adibiti alla produzione di energia.

Oltre ad essere bioreattori, le cellule sono anche considerate centrali biosintetiche perché sono in grado di produrre proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici. Le proteine sono divise in due grandi classi:

• Proteine strutturali - Collaborano alla composizione della cellula.
• Enzimi - Hanno uno scopo funzionale, ossia che agiscono all'interno della cellula.

Esistono anche proteine in grado di avere sia una funzione strutturale sia una funzione enzimatica.

Origine della vita

I primi organismi unicellulari sono comparsi sulla terra 3,5 miliardi di anni fa. Erano cellule procariotiche (organismo pro-carion, che vengono prima del "carion", ossia il nucleo). Il nucleo è una struttura tipica degli eucarioti e ha la funzione di isolare e proteggere il patrimonio genetico. Nei procarioti, invece, il patrimonio genetico è libero all'interno della cellula (citoplasma).

I primi eucarioti compaiono sulla terra 1,5 miliardi di anni fa, erano organismi unicellulari e prendono il nome di protisti. Le cellule eucariotiche, con il tempo, si sono raggruppate in colonie, ed è da qui che ha avuto inizio il processo di formazione dei primi organismi eucarioti pluricellulari. La replicazione molecolare è la capacità di alcune macromolecole di fare una copia di se stesse. Questa caratteristica è tipica della molecola di DNA. Lo scopo di questa duplicazione è affermare un patrimonio genetico, tramandandolo alle cellule figlie. Questo processo viene definito riproduzione.

Riproduzione significa duplicare il patrimonio genetico, per poi dividersi in due e dare origine a due cellule figlie identiche. Tutte le cellule di un organismo pluricellulare contengono la medesima informazione genetica. Di fatto, pur avendo il medesimo patrimonio genetico, ogni cellula si è differenziata e svolge una particolare funzione specifica. Le cellule si specializzano tramite un processo definito come differenziamento cellulare.

Il differenziamento parte già dallo zigote, infatti è da esso che si formano tutte le cellule di un organismo, ovviamente dopo un processo di riproduzione e differenziamento. La prima cellula non sintetizzava macromolecole, anzi, in verità prima si sono formate le macromolecole, poi si sono formate le prime cellule. Le prime macromolecole si sono formate in un contesto abiotico (senza vita). La terra era ricca di composti inorganici, i quali, a contatto con l'energia solare, hanno rotto i propri legami e, rimescolandosi, hanno formato le prime molecole organiche semplici (etanolo, acido formico, acido lattico).

Queste prime molecole vengono a contatto con altre sostanze inorganiche, e si formarono così le macromolecole che conosciamo noi oggi (DNA, RNA, carboidrati, lipidi e proteine). Le prime macromolecole comparse sulla terra furono i lipidi, o meglio i fosfolipidi, un composto formato da acidi grassi. Un fosfolipide è una molecola anfipatica, ossia che può assumere due comportamenti diversi quando posizionata in un certo ambiente.

Bisogna tener conto che il brodo primordiale era un ambiente acquoso, e i fosfolipidi hanno sviluppato due modi per disporsi rispetto ad esso. Un fosfolipide è formato da due catene carboniose legate a una molecola di glicerolo, legato a sua volta con l'acido fosforico. Un fosfolipide è formato da:

• Due catene carboniose apolari, ossia idrofobe.
• Un gruppo fosfato (glicerolo + acido fosforico) polare, ossia idrofilo.

Le teste dei fosfolipidi saranno a contatto con l'acqua, mentre le code non saranno a contatto con l'acqua. Inizialmente i fosfolipidi si uniscono formando una micella (forma sferica con code al centro e teste verso l'acqua), oppure formando un doppio strato fosfolipidico (code che si guardano e teste verso l'acqua). Il doppio strato fosfolipidico ha permesso la formazione delle prime cellule, definite liposomi, che racchiudono dentro di sé un po' di acqua (prima cellula procariota).

Nell'acqua del liposoma ci saranno altre macromolecole, tra cui il DNA. Le prime cellule avevano ovviamente l'RNA, non il DNA, il quale contiene l'informazione genetica. Alcuni virus funzionano tutt'ora a RNA, e sono detti retrovirus (es: virus HIV).

Escherichia coli

È un batterio che vive nel nostro intestino e il peso della sua popolazione nel nostro corpo è circa 1,5 kg. È un organismo unicellulare che si nutre di quello che noi non riusciamo a digerire. Ha un tempo di riproduzione (accrescimento, duplicazione del DNA, e divisione cellulare) pari a 20 minuti. Rappresenta molto bene il modello di cellula procariotica che era presente sulla terra 3,5 miliardi di anni fa. Come tutti i procarioti, è ulteriormente rivestita da una parete cellulare. Alcuni procarioti possono avere un ulteriore rivestimento, chiamato capsula, la quale è formata da proteo-glicani (zuccheri + proteine).

All'interno del doppio strato vi è il citoplasma, in cui ci sono immerse le macromolecole:

• DNA
• RNA
• Carboidrati
• Lipidi
• Proteine
• Ribosomi - Strutture ribo-nucleo-proteiche formate da RNA+ proteine; sono la sede fisica della sintesi proteica.

La molecola di DNA è unica e ha una forma circolare. A un certo punto della vita della cellula, questa si duplica, e la cellula è pronta a dividersi per scissione binaria. Il 70% di un Escherichia coli è acqua, e lo stesso vale per gli eucarioti. Il restante 30% sono le macromolecole, tra cui anche i plasmidi. I plasmidi sono filamenti di DNA extra cromosomico, e contengono le informazioni che danno alcune caratteristiche specifiche, per esempio la capacità di resistere agli antibiotici.

Esistono vari tipi di RNA:

• rRNA (RNA ribosomale)
• tRNA (RNA di trasporto)
• mRNA (RNA messaggero)

L'mRNA viene prodotto a partire da una molecola di DNA e poi viene tradotto in proteina. Il tRNA e l'rRNA vengono prodotti a partire da DNA, ma poi vengono usati per funzioni specifiche come RNA (e non come proteine).

Il DNA è un doppio filamento circolare. I nucleotidi sono 4,5 milioni per mm (nei batteri). La cellula batterica ha dimensioni che si attestano a 2 µm x 0,5-1 µm. L'87% dell'informazione genetica sono proteine. Il DNA delle nostre cellule, a differenza di quello dei batteri, è lineare e non circolare. Contiene 6 miliardi di nucleotidi. In ogni cellula ci sono 2m di nucleotidi. Maggiori sono le informazioni genetiche, maggiore è la complessità di quell'organismo.

Le cellule batteriche producono energia, che viene prodotta sotto forma di adenin-trifosfato (ATP). La produzione di ATP è uno degli obiettivi principali della cellula. È costituito da:

• Zucchero pentoso (pentoso ossia che ha 5 carboni)
• Base azotata, in questo caso l'adenina
• Trifosfato

Lo zucchero pentoso ha 5 carboni, di cui uno libero che si lega al gruppo fosfato. Il carbonio 1' si lega alla base azotata tramite un legame glicossidico. Il carbonio 5' si lega al gruppo fosfato. L'ATP ha la caratteristica di avere sul gruppo fosfato dei legami esterici, ossia particolari legami covalenti a alta energia. L'ATP è in grado di idrolizzarsi (perdere residui di acido fosforico) liberando energia. Questa energia viene usata per compiere tutte le funzioni cellulari. Quando l'ATP perde il primo fosfato diventa ADP (di-fosfato), quando ne perde due diventa AMP (mono-fosfato).

Le prime cellule erano eterotrofe-anaerobiche (3,5x10⁹ anni fa). Qui i batteri usavano lo zucchero presente nell'ambiente e facevano la fermentazione (glicolisi anaerobica).

C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₄O₃ + 2ATP

Poi 2,5x10⁹ anni fa comparvero i batteri fotosintetici autotrofi. Questo accade a causa della diminuzione dello zucchero nell'ambiente, quindi le cellule procariotiche si evolvono per iniziare a produrlo. Compare infatti l'informazione genetica che permette la produzione di batterio cianina, una particolare proteina che svolge il medesimo compito della clorofilla.

6CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

La produzione di ossigeno ha permesso la comparsa di batteri aerobi. I batteri aerobi usano l'ossigeno per la produzione di ATP.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6 H₂O + 36-38ATP

Il cambiamento che ha permesso l'evoluzione in batteri fotosintetici autotrofi è detto mutazione. La mutazione è una modificazione del patrimonio genetico che può permettere l'evoluzione nelle proprie funzioni. Le mutazioni avvengono casualmente, e quegli organismi che in un determinato ambiente riescono a sopravvivere sono quelli che continueranno a tramandare il loro patrimonio genetico. Questa è definita come selezione naturale: "chi si adatta vince, chi non lo fa si estingue". L'O₂ porta la caratteristica che ossida, ossia distrugge i legami fra le molecole.

Alcuni batteri si sono adattati per riuscire a convivere con l'ossigeno, hanno acquisito la capacità di produrre particolari proteine enzimatiche in grado di usare l'ossigeno con lo zucchero per dare origine a CO₂ e H₂O (glicolisi aerobica). Il vantaggio evolutivo è stato che la glicolisi ha permesso una grande produzione di ATP. Nella prima fase, infatti vi era la produzione di una molecola di ATP, mentre nella terza fase vi è la produzione di ben 36-38 molecole di ATP.

Il passaggio all'utilizzo di ossigeno viene definito la seconda tappa evolutiva degli esseri viventi (la prima è la formazione della membrana). Gli organismi che non potevano evolversi in organismi aerobi fagocitarono un organismo aerobico (teoria endosimbiotica). Il batterio aerobico va a stazionare nel citoplasma. È protetto da una doppia membrana fosfolipidica. In questo processo parti della membrana del batterio aerobico si staccano e finiscono nel citoplasma, andando a formare gli organelli citoplasmatici della cellula eucariotica. I mitocondri sono quindi ciò che rimane di quel batterio aerobico. Questo si denota anche dal fatto che i mitocondri svolgono la respirazione ossidativa e hanno caratteristiche molto simili a quelle dei batteri aerobi. I mitocondri sono gli unici a contenere una molecola di DNA, che è molto simile a quella di un batterio (è circolare, più ridotto e contiene informazioni genetiche che specificano la produzione di enzimi per la produzione di ATP).

Le cellule eucariotiche con il tempo hanno assunto una compartizione citoplasmatica, ossia ogni zona è occupata da particolari organelli e svolge specifiche funzioni. La cellula riesce così a svolgere funzioni diverse in punti diversi nello stesso momento. Questo è diventato lampante negli organismi pluricellulari. In un organismo pluricellulare le cellule hanno funzioni:

• Specializzanti
• Comuni/di base (house keeping)

Il punto dell'organismo in cui è posizionata una cellula determina quali funzioni specializzanti si attivano. L'ambiente dice alle cellule cosa e quanto devono produrre; questo avviene in base a stimoli detti segnali molecolari. In base allo stimolo viene prodotta una proteina specifica. La cellula ovviamente deve essere in grado di leggere e percepire un determinato segnale. Abbiamo 210 tipi di cellule diverse nel nostro corpo, sia a livello strutturale, sia a livello funzionale. Tutte hanno origine da uno zigote, il quale origina da due gameti, quello maschile e quello femminile.

Il gamete femminile, chiamato cellula uovo, è la più grande cellula dell'organismo, è molto ricca di proteine dato che, una volta fecondata, deve originare un nuovo individuo. Alcuni tipi di cellule:

• Osteociti - Cellule dell'osso.
• Fibroblasti - Stanno nel derma.
• Globuli rossi - Sono le uniche cellule che in età adulta non hanno il nucleo.
• Globuli bianchi - Hanno un nucleo lobato (a mezza luna).
• Cellule gliali
• Cellula nervosa
• Cellula muscolare - È un sincizio cellulare, ossia deriva dall'unione di più cellule uninucleate (miociti).

La struttura di una cellula è strettamente legata alla funzione. Abbiamo 3 tipi di tessuto muscolare:

• Striato scheletrico
• Striato cardiaco
• Liscio

Tutte le cellule effettuano l'espressione genica, ossia l'insieme dei meccanismi chimici attraverso cui un gene viene trascritto almeno in una molecola di RNA; questa può venir tradotta in una specifica proteina. Questo vale sia per le funzioni house keeping sia per le funzioni specializzanti. La specializzazione della funzione cellulare non è data dalla presenza di geni diversi in cellule diverse, ma da una regolazione dell'espressione genica. Ciò dipende da quante volte viene prodotta una determinata proteina.

Cellula eucariotica animale

La cellula eucariotica è rivestita da una membrana formata da un doppio strato fosfolipidico. Nel citoplasma ci sono una serie di membrane, sempre formate da un doppio strato fosfolipidico, gli organuli. Il nucleo è formato da una doppia membrana fosfolipidica. Il reticolo endoplasmatico è una struttura a fisarmonica che circonda il nucleo. È un insieme di sacchetti avvolti da uno strato fosfolipidico. All'interno delle cisterne avvengono delle trasformazioni. Il reticolo endoplasmatico si divide in due parti:

• Reticolo endoplasmatico rugoso (RER) - È la parte del reticolo che ha il compito di trasformare le proteine. È detto rugoso perché la sua membrana è ricca di ribosomi.
• Reticolo endoplasmatico liscio (REL) - È un sistema tubulare posto sullo strato più esterno del RER, ed è definito liscio a causa della mancanza di ribosomi sulla sua membrana. Questo non svolge la sintesi proteica, bensì sintetizza i lipidi, le membrane fosfolipidiche e gli ormoni lipidici.

Gli ormoni lipidici sono molecole a base di colesterolo, che fanno da segnale per le cellule e le aiutano a proliferare. In alcuni casi più specifici, gli ormoni lipidici trasformano le cellule germinali in gameti (Es: testosterone ed estrogeni).

Nucleo-RER-REL

L'apparato del Golgi è un organello formato da una serie di cisterne appiattite e rivestite da membrana fosfolipidica. È suddiviso in tre parti:

• Cis, che si rivolge verso il reticolo endoplasmatico.
• Il Golgi mediano, che sta in mezzo.
• Trans, ossia la parte che si rivolge verso la membrana cellulare.

A livello delle cisterne del Golgi avviene un processo di endocitosi quando la cellula entra nella membrana. Quando la molecola deve uscire ci sarà il processo inverso detto esocitosi, che avverrà a seguito della trasformazione della molecola. Questo passaggio di "dentro e fuori" avverrà prima nel cis, poi nel Golgi mediano e per finire nel trans. Questo meccanismo consente alle molecole di muoversi all'interno della cellula e di uscirne tramite un processo detto secrezione molecolare.

Flusso di membrana - Meccanismo che consente lo spostamento di molecole all'interno della cellula. I mitocondri sono un organello che, come il nucleo, ha una doppia membrana fosfolipidica. All'interno della membrana c'è una soluzione acquosa, detta matrice extra-mitocondriale. Nella matrice sono presenti dei ribosomi, e ciò implica che questi contengono DNA, detto DNA mitocondriale. Questo tipo di DNA è più piccolo rispetto a quello del nucleo, ha una forma circolare ed è composto da 16,000 nucleotidi. Queste caratteristiche sono molto simili a quelle di un normale DNA batterico.

Nel mitocondrio ci sono da 10 a 100 copie di DNA mitocondriale. È un DNA di derivazione materna, ossia che viene ereditato dal gamete femminile. Il DNA mitocondriale ha un numero limitato di geni. Alcuni di questi diventano enzimi che partecipano alla fosforilazione ossidativa. Quando vengono prodotti gli RNA messaggeri, l'informazione di DNA viene trascritta su una molecola di RNA. L'enzima che permette questo processo è chiamato RNA polimerasi. L'informazione di questo enzima non sta nel DNA mitocondriale, bensì nel DNA nucleare. Il mitocondrio ha quindi sempre bisogno dell'aiuto del DNA nucleare.