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BIOLOGIA
Unità didattica 1
1.1 Classificazione degli individui e la cellula alle origini
► L’albero della vita
L’albero della vita è una rappresentazione filogenetica che descrive le relazioni evolutive tra tutti gli organismi viventi (ed estinti), mostrando come derivino da antenati comuni attraverso l’evoluzione. Tutti gli organismi derivano da un antenato comune universale denominato LUCA ( Last Universal Common Ancestor ).
I tre domini della vita:
Oggi la struttura più accettata dell’albero della vita distingue tre Domini , basata sopratutto sull’analisi dell’ RNA ribosomiale :
1. Bacteria 1.1. Procarioti 1.2. Parete cellulare con peptidoglicano 1.3. Grande diversità metabolica 1.4. es. E.coli, cianobatteri 2. Archea 2.1. Procarioti geneticamente più simili agli eucarioti 2.2. Membrane e pareti cellulari particolari 3. Eukarya 3.1. Cellule con nucleo e organelli 3.2. Comprende: Protisti, Funghi, Piante e Animali
- Tassonomia : branca della biologia che si occupa della identificazione, denominazione e classificazione degli organismi, sia attuali che fossili, sia dal punto di vista teorico che pratico.
► Gli organismi e la teoria cellulare
Secondo la teoria cellulare si può affermare che:
- tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule
- le cellule sono le unità funzionali più piccole che costituiscono i viventi
- le nuove cellule derivano da cellule preesistenti
Ogni cellula ha vita , nel senso che può crescere, riprodursi, trasformare l’energia, reagire agli stimoli ambientali e così via. Tutte le cellule, seppur molto diverse, hanno qualcosa che le accomuna. Le cellule si somigliano marcatamente sotto il profilo chimico: sono infatti composte dagli stessi tipi di molecole che partecipano agli stessi tipi di reazioni. In tutte le cellule, le unità di cui sono fatte le proteine sono identiche e sono rappresentate dagli amminoacidi , così come le istruzioni genetiche sono rappresentate da quattro nucleotidi differenti nelle basi azotate.
Tutte le cellule hanno in comune almeno tre aspetti fondamentali, ciascuna di esse ha un citoplasma , un nucleoide/nucleo e una membrana plasmatica.
1. Membrana plasmatica : 1.1. Circonda la cellula 1.2. Regola il flusso di molecole tra l’interno e l’esterno 1.3. Capacità di interagire con l’ambiente 1.4. Ruolo nella comunicazione tra cellule 2. Citoplasma 2.1. Rappresenta il corpo di una cellula 2.2. Contiene i composti chimici per reazioni di trasformazione di materia e energia 3. Nucleoide 3.1. Si trova nei Procarioti 3.2. Contiene le macromolecole che costituiscono il materiale ereditario (singola molecola di DNA) 3.3. Non è delimitato da membrana ma disperso nel citoplasma 4. Nucleo 4.1. Si trova negli Eucarioti 4.2. Delimitato da un involucro chiamato carioteca (contiene più molecole di DNA) 4.3. L’interno del nucleo è detto nucleoplasma
Le cellule tra loro possono differire per:
- Dimensioni
- Forma: sferica, poligonale, appiattita, cuboidale o colonnare
2. Capsula propriamente detta : costituita da **polisaccaridi
- Strato mucoso** : riduce l’attrito cellula-cellula e cellula-superficie, favorendo lo spostamento per scivolamento - Mesosoma : invaginazione a forma di spirale della membrana plasmatica. Tali ripiegamenti contengono pigmenti coinvolti nel processo di fotosintesi. - Flagelli : composto da filamento, uncino e corpo basale 1. Filamento : è la parte più esterna del flagello, serve come elemento propulsivo ( grazie alla flagellina ) 2. Uncino : ha una struttura sottile e flessibile e serve a collegare il filamento alla membrana 3. Corpo basale : presenta una serie di anelli che si estendono attraverso l’involucro nucleare. Serve ad ancorare il flagello alla cellula e fornire il meccanismo di rotazione. 3.1. Gram-negativi: hanno 4 anelli, L nella membrana esterna, P nel peptidoglicano, MS nella membrana plasmatica e C (agisce come rotore) nel citoplasma 3.2. Gram-positivi: hanno 2 anelli, MS e C (agisce come rotore), perchè non hanno la membrana esterna e il peptidoglicano è più spesso - Fimbrie : piccole appendici proteiche ( Fimbiline ) utilizzate per l’adesione a superfici o tessuti ospiti. Non hanno una funzione di movimento. Permettono ai batteri di attaccarsi a superfici inerti grazie alle Adesine presenti all’estremità - Pili : Simili alle fimbrie, generalmente più lunghi e meno numerosi. Un esempio sono i Pili sessuali , coinvolti nel trasferimento di materiale genetico durante la coniugazione
► Gram-positivi e Gram-negativi
- Gram-positivi : parete spessa costituita da un monostrato altrettanto spesso di peptidoglicano ➟ mantengono la colorazione di Gram
- Gram-negativi : parete più complessa e presenza di un sottile strato di peptidoglicano ➟ non mantengono la colorazione di Gram
► Biofilm
Comunità organizzata di microrganismi aderente ad una superficie e immersa in una matrice extracellulare autoprodotta.
Fasi di formazione:
- Legame iniziale
- Legame irreversibile
- Maturazione I
- Maturazione II
- Dispersione
► Riproduzione batterica
**1. Replicazione del DNA
- Ancoraggio del DNA alla membrana** : il cromosoma duplicato viene trascinato nella nuova cellula
Si tratta di una riproduzione asessuata o scissione binaria
Altri esempi:
- Trasformazione batterica : processo con cui alcune specie assumono DNA dall’ambiente - Coniugazione : trasferimento di un plasmide attraverso i **pili sessuali
- Trasduzione** : passaggio di DNA da una cellula all’altra tramite virus
► Archea
Caratteristiche in comune con i procarioti
- No nucleo e no organuli specializzati
- Presenza di un singolo filamento di DNA
Differenze con i procarioti
- Maggiore quantità di DNA
- Composizione chimica della parete cellulare e della membrana: no peptidoglicano
- Impermeabilità
- Possono vivere in condizioni estreme
► Bacteria
- Presentano peptidoglicano
► Ciclo replicativo dei virus
- Attacco : il virus si aggancia alla cellula ospite
- Penetrazione :
- il virus entra nella cellula ospite per fusione , processo in cui l’involucro esterno virale si fonde con la membrana cellulare portando così il nucleocapside all’interno della cellula
- il virus entra nella cellula per endocitosi , processo secondo cui il virus, dopo essersi attaccato ai recettori cellulari, viene inglobato in una vescicola rivestita da clatrina la quale, una volta all’interno della cellula, perde il rivestimento di clatrina e si fonde con un endosoma.
- Liberazione dell’acido nucleico : le proteine capsidiche vengono degradate ed il genoma virale viene liberato nel citoplasma dove:
- può rimanere
- può essere indirizzato nel nucleo prima di passare alla fase successiva del ciclo
- Replicazione e biosintesi : il genoma virale possiede tutte le informazioni genetiche necessarie per la propria replicazione e per la sintesi di tutti i componenti utili a fabbricare una nuova progenie virale
- Assemblaggio : favorito per alcuni virus dall’attività di proteine cellulari chiamate chaperonine , fondamentali per determinare un ripiegamento corretto delle molecole proteiche
- Rilascio : i virioni di nuova produzione vengono liberati all’esterno della cellula. La liberazione dipende dalla lisi della cellula. I virus provvisti di envelope invece possono essere rilasciati dalla cellula mediante un processo di gemmazione.
► Ciclo replicativo dei batteriofagi
- Attacco : il batteriofago si ancora alla cellula batterica mediante legame tra le proteine di attacco
- Penetrazione : una volta formato un legame irreversibile con la cellula batterica, il fago inietta il suo acido nucleico all’interno della cellula ospite
- Replicazione : i fagi possono moltiplicarsi attraverso due meccanismi alternativi: il ciclo litico e il ciclo lisogenico.
► Ciclo litico
Caratteristico dei fagi litici (fago T4), consente la moltiplicazione dei fagi e alla fine del processo si ha la morte della cellula batterica per lisi.
- Periodo di eclisse : in cui viene sintetizzato mRNA fagico, dalla cui traduzione vengono prodotte proteine fagiche precoci , alcune delle quali degradano il DNA della cellula ospite, altre servono per la replicazione del DNA fagico, altre sono proteine del capside, altre ancora interagiscono con l’RNA polimerasi batterica modificandola in modo da non permetterle più di legarsi ai promotori.
In un secondo momento, l’RNA polimerasi viene ulteriormente modificata in modo da riconoscere i geni fagici tardivi, la cui espressione porterà alla sintesi delle proteine fagiche tardive.
- Maturazione : le proteine del capside si auto-assemblano e il DNA viene impacchettato nella testa
- Rilascio : un enzima virale, il lisozima , determina la rottura della membrana cellulare, consentendo così la liberazione nel mezzo extracellulare delle nuove particelle fagiche.
- La cellula batterica muore
► Ciclo lisogenico
Tipico dei fagi lisogenici.
In questo ciclo il cromosoma del virus si “ricombina” con il cromosoma della cellula ospite integrandosi in esso. Il DNA del fago inserito viene chiamato profago , in quanto non è un vero fago ma ha le potenzialità per produrre un fago. Le cellule che contengono un profago vengono chiamate batteri lisogeni.
► Virus a DNA
- Materiale genetico: DNA (a doppio o singolo filamento)
- Caratteristiche:
- Usano spesso gli enzimi della cellula ospite - Mutano più lentamente
- Causano infezioni più stabili o latenti
- Spesso si replicano nel nucleo della cellula
Esempi: Herpesvirus, Papillomavirus, virus del vaiolo
► Virus a RNA
- Materiale genetico: RNA
- Caratteristiche:
- Devono portare o produrre una RNA-polimerasi virale - Mutano molto rapidamente
- Evolvono velocemente → maggiore possibilità di nuove varianti
- Di solito si replicano nel citoplasma
Esempi: Virus influenzale, SARS-CoV-2, HIV (retrovirus)
- Retrovirus : sono virus a RNA ma trasformano l’RNA in DNA e questo si integra nel genoma della cellula
- Il core del virione contiene il genoma di DNA a doppia elica
- Il genoma dell’HSV-1 è racchiuso in un capside icosaedrico formato da capsomeri generati da 4 proteine: VP5, VP26, VP23, VB19C.
- Il tegumento è uno strato a base proteica che circonda il capside, contiene proteine primarie virali che sono coinvolte nella regolazione trascrizionale dei geni virali IE e nella regolazione della trascrizione della cellula ospite
- Envelope : membrana lipidica che circonda il tegumento. Immerse nell’envelope si trovano 10 glicoproteine virali che facilitano l’entrata virale nella cellula (B, gC, gH, gL)
- Strategie per massimizzare l’efficacia infettiva
La fusione dell’envelope virale con la membrana cellulare avviene solo dopo il legame di gD al suo recettore cellulare di superficie. Una volta fuse le membrane, le proteine del tegumento vengono disperse nel citoplasma ed il capside virale migra verso il nucleo attraverso il sistema dei microtubuli.
- Strategie per massimizzare il trasporto di informazione nel genoma
Il genoma virale è organizzato in segmenti long (UL) e shorts (US) , affiancati da repets invertite (ab, b’a’, a’c’, ca) e contiene le sequenze richieste per il taglio ed il packaging del genoma. I geni contenuti nelle sequenze uniche sono presenti in copia singola per ogni genoma; i geni presenti entro le repets sono invece presenti in duplice copia per genoma.
- Strategie di escape alle difese immunitarie dell’ospite
A seguito di immissione, il virus intraprende un ciclo litico negli epiteli infetti, le particelle virali vengono rilasciate nel sito della lesione primaria. Questi virioni maturi possono entrare negli assoni dei neuroni sensoriali che innervano l’area lesionata e li rimangono in forma latente.
Adenoviriade
Sono in grado di infettare un ampio range di cellule bersaglio post-mitodiche, incluse quelle estremamente differenziate del tessuto muscolare scheletrico, polmonare, cervello e miocardio.
Il capside del virione consiste di Esoni e Pentoni , rispettivamente costituiti da 3 e 5 peptidi monomerici che formano le facce triangolari del capside
- Pentone : la funzione dei 5 polipeptidi monomerici è quella di ancoraggio di una proteina fibrosa trimetrica, la Fibra , unica componente citotossica del capside.
► Infettività e virulenza
- Infettività : capacità di un agente patogeno di cominciare a stabilire un’infezione in un organismo ospite. È un parametro quantificabile, più un agente è infettivo, minore è la quantità di microrganismi necessaria per scatenare l’infezione
- Virulenza : capacità di causare una malattia più o meno grave, superando le difese dell’organismo ospite. Più un virus è virulento e più risulta aggressivo e dannoso per l’ospite.
► Virus oncogeni
- Virus oncogeni : coinvolti nell’insorgenza di alcune forme di tumore
- Protoncogeni : codificano per proteine coinvolte nel controllo della crescita cellulare. Mutazioni di questi geni determinano la loro attivazione costitutiva
- Oncosoppressori : geni che inibiscono la proliferazione cellulare
► Autofagia
È una strategia fisiologica che consente alla cellula in carenza di energia e/o nutrienti di digerire i propri componenti e riciclare i precursori molecolari in essi presenti. In questo processo sono coinvolti gli organuli digestivi della cellula, i lisosomi. È un processo che comporta la rimozione selettiva di organelli danneggiati/invecchiati e non più funzionali.
- Autofagia mediata da Chaperonine : queste trasferiscono selettivamente le proteine mal ripiegate
- Macroautofagia : meccanismo per cui organelli o porzioni di citoplasma vengono inglobati da vescicole a doppia membrana portati a fondersi con i lisosomi per la degradazione del cargo in essi contenuto
- Mitofagia : vengono rimossi i mitocondri danneggiati allo scopo di salvaguardare la vitalità cellulare
L’autofagia contribuisce fisiologicamente alla prevenzione delle patologie neurodegenerative.
1.4 Le basi chimiche della vita
► Atomi e molecole di interesse biologico
I sistemi biologici sono costituiti prevalentemente da elementi leggeri , capaci di formare legami covalenti stabili in ambiente acquoso. Tra questi ci sono: carbonio, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo
2. Legame pi-greco : sovrapposizione laterale
I doppi legami aumentano la rigidità molecolare, limitano la rotazione e influenzano la conformazione delle biomolecole
2. Non covalenti
Le interazioni non covalenti non implicano la condivisione di elettroni, sono più deboli e più reversibili. Sono essenziali per le strutture secondarie, terziarie e quaternarie.
► Gruppi funzionali
Un gruppo funzionale è un insieme specifico di atomi legati in modo covalente.
- Gruppo ossidrile -OH - Struttura : O legato a H, con due coppie elettroniche libere - Proprietà : polare, donatore e accettore di legami a idrogeno - Ruolo biologico : aumenta la solubilità, è fondamentale nei carboidrati ed è coinvolto in reazioni di ossidoriduzione
- Gruppo carbonilico C=O - Struttura : aldeidico (-CHO) oppure chetonico (>C=O) - Proprietà : fortemente polare, carbonio elettrofilo e ossigeno nucleofilo - Ruolo biologico : reazioni di addizione nucleofila, riconoscimento molecolare, struttura degli zuccheri riducenti
- Gruppo carbossilico -COOH - Struttura : è la combinazione di carbonile e ossidrile - Proprietà acido-base : acido debole - Ruolo biologico : carica negativa, interazioni ioniche, coinvolto nella catalisi enzimatica
