Dispense di biologia animale e vegetale, Sbobinature di Biologia Umana

Scarica Dispense di biologia animale e vegetale e più Sbobinature in PDF di Biologia Umana solo su Docsity! 1.UN’ANTEPRIMA DELLA CELLULA 1.1 LE CARATTERISTICHE DELLA VITA Questo file (Ppt Cap.1 e Cap.2) riguarda i primi due capitoli del libro Becker ed è un’introduzione alla cellula in generale e al significato di cellula ​vivente​. Questo oggi viene dato per scontato, in quanto tutti sappiamo di esser formati da cellule, ma solo fino a duecento anni fa, tutto ciò era qualcosa di assolutamente ignoto. La ​teoria cellulare​ risale alla prima metà dell’Ottocento ed è strettamente connessa alla conquista tecnica di un microscopio che è stato in grado di ingrandire abbastanza dei tessuti (prima vegetali, poi le cellule del sangue) e di riuscire a vedere il piccolissimo, che a occhio nudo non riusciamo a vedere. Da questo momento in poi è stato possibile comprendere varie cose: le prime conquiste sono dell’Ottocento con Virchow, che affermò che tutte le cellule derivano da altre cellule. Prima ancora, Schleiden e Schwann, avevano compreso dell’esistenza di un’unità cellulare, che seppur diversissima nelle sue forme e nei vari organismi rimane una costante. Questa piccola cella è un mattone che compone gli organismi cellulari e ciascun mattone, ciascuna piccola cella, ha un’organizzazione estremamente complessa e straordinariamente efficiente. Quindi, le conquiste sono state molteplici, non solo relative alla struttura base degli organismi pluricellulari, ma anche riguardanti l’origine delle cellule. Parliamo di periodi dove c’era ancora del mascheramento sulla scienza ad opera della religione e del creazionismo che in un certo senso, oscurarono le conquiste scientifiche. Comprendere che le cellule derivano da altre cellule, ha permesso di capire che la vita può propagarsi in ​autonomia​, caratteristica propria della vita stessa. Da qui ci furono anche i primi barlumi di teoria evoluzionistica: le cellule viventi e gli organismi viventi, derivano da altri organismi appartenenti alla generazione precedente. Gli organismi formati da tante cellule non solo hanno dei processi metabolici governati da enzimi, ma hanno anche un’altra importante caratteristica: il biochimismo che può essere regolato; quindi ogni cellula non è solo un laboratorio biochimico, ma un laboratorio biochimico controllato dal biochimismo stesso della cellula e di altre cellule in contatto con esse. Vedremo come tanti processi vitali sono essenzialmente delle reazioni biochimiche straordinariamente complesse e straordinariamente coordinate e controllate. Perché questo controllo possa avvenire, è necessaria l’esistenza di stimoli che eseguino questi controlli, quindi dei messaggi che vengano lanciati da cellule e a pari merito è necessario che le cellule siano dotate di strutture di ricezione di messaggi; quindi questo concetto della ​comunicazione​ è un altro elemento distintivo della vita che permette agli organismi di capire in che ambiente sono immersi, cosa accade nell’ambiente circostante e come si possa rispondere allo stimolo ambientale, in modo da crescere, svilupparsi, avere delle reazioni biochimiche che permettono la crescita, lo sviluppo e la riproduzione. Quest’ultima ha varie sfaccettature: l’organismo unicellulare si riproduce per scissione, che non prevede una interazione con un altro individuo di sesso opposto, come accade per gli organismi pluricellulari; in ogni caso, sia la replicazione cellulare dell’organismo unicellulare, sia la ben più complessa replicazione degli organismi pluricellulari hanno bisogno di stimoli a cui rispondere; l’aspetto della comunicazione cellulare e della comunicazione tra organismi è di fondamentale importanza perché la vita possa andare avanti. La riproduzione che permette una variabilità genetica più ampia è quella sessuata ed è grazie a questo tipo di riproduzione che il patrimonio genetico viene rimescolato in modo da generare degli individui diversi rispetto ai genitori. L’ultimo punto che si vede in elenco (“le popolazioni si evolvono e si adattano all’ambiente”), caratteristico anch’esso della vita, riguarda l’​evoluzione​: la differenza della nuova generazione, rispetto alla precedente, in virtù dell’assortimento del materiale genetico che è avvenuto attraverso la riproduzione sessuata; ciò permette di confrontare con l’ambiente degli individui nuovi, abbastanza simili ai genitori per mantenere la stessa specie, ma abbastanza diversi perché questo confronto con l’ambiente esterno avvii un processo di selezione naturale che porta il meno adatto all’ambiente a soccombere e il più adatto all’ambiente a sopravvivere. Il più adatto all’ambiente sarà l’individuo che, insieme ad un altro individuo, darà origine ad una progenie potenzialmente più adatta di quella che non è sopravvissuta nel processo di selezione naturale. Per avere un’idea di quanto possono essere diverse le cellule di un organismo, qui ce ne sono alcuni esempi; anche all’interno di uno stesso organismo le cellule sono di dimensioni molto diverse, di forme molto diverse. qui vedete delle cellule del sangue, con linfociti T, delle cellule dendritiche, dei globuli rossi (c); degli spermatozoi (f) molto più piccoli della cellula uovo, una delle cellule più grandi, se non consideriamo le cellule neuronali. 1.2 BIOLOGIA CELLULARE Lo studio della cellula può essere considerato come tripartito, cioè come un intreccio di tre branche fondamentali: la citologia, la biochimica e la genetica. La ​citologia​ è la l’utilizzo di solventi diversi oppure con l’utilizzo di campi elettrici che fanno migrare il DNA verso il polo positivo in una struttura gelatinosa utilizzata all’occorrenza, permettendo di separare le strutture. In conclusione, ​la biochimica separa le strutture cellulari o addirittura molecolari per poterle studiare separatamente​ dal resto della cellula ​e capire​ ovviamente, ​cosa quelle strutture fanno​ nel resto della cellula. L’ultima branca è quella della ​genetica​, che si è sviluppata in modo consapevole, dopo la scoperta del DNA nel Novecento, grazie a Watson e Crick, ma che ha le sue radici già in tempi precedenti perché Mendel pur non sapendo nulla di struttura di DNA, aveva capito, con i suoi studi meticolosi, che c’è un’informazione che può essere tramandata di generazione in generazione e come l'ereditarietà dei caratteri abbia delle leggi ben precise. Sicuramente da quando si è capito che struttura ha il DNA e quali sono le modalità di decodifica del codice che esso contiene, la genetica ha avuto un enorme sviluppo. In particolare, considerando una cellula eucariotica, il DNA localizzato all’interno del nucleo, avvia un flusso di informazione genetica all’interno della cellula, che attraverso la trascrizione di DNA in RNA all’interno del nucleo, porta alla fuoriuscita dell’RNA dal nucleo nel citoplasma; la sintesi delle proteine sulla base dell’informazione trascritta nell’mRNA permette di produrre le proteine. Quindi cosa fa il DNA? In modo divulgativo e molto concettuale: il DNA conserva l’informazione genetica per poter produrre le proteine, le macromolecole attive all’interno della cellula. Il DNA “non fa molto”, conserva l’informazione genetica perché venga letta, trascritta, tradotta, sono poi le proteine che fanno tutto; le proteine sono gli enzimi, sono le strutture della cellula, le colonne portanti citoscheletriche, sono messaggeri, recettori. Il DNA dice come queste proteine devono essere fatte, è un libretto di istruzione sulla base del quale vengono prodotte. Quando la cellula si appresta a dividersi, il DNA duplicandosi fornisce alle cellule figlie questo famoso libretto di istruzione che serve per la loro vita. Questo in termini molto concettuali, divulgativi è il flusso dell’informazione genetica in una cellula che dal DNA arriva alle proteine. Quello che serve di questo primo capitolo è avere un’idea delle dimensioni di una cellula, cioè sapere che una cellula eucariotica ha delle dimensioni dell’ordine delle decine di micron; sapere che il microscopio ottico arriva a vedere fino ai mitocondri e non oltre; i concetti fondamentali relativi alle caratteristiche della vita: ciò che distingue l’organismo vivente da uno non vivente. 1.3 L’IMPORTANZA DEL CARBONIO Il ​carbonio​ è un elemento molto importante al punto che è proprio sulla chimica del carbonio che eseguiamo una distinzione tra composti organici e composti inorganici, ossia compatibili con la vita e composti che non lo siano. Il carbonio è un elemento molto ​duttile ​perché in virtù della sua configurazione elettronica può formare degli orbitali ​ibridi​ ed essere capace di formare ​legami​ singoli, doppi, tripli e legare non solo con altri atomi di carbonio, cosa che avviene nelle macromolecole biologiche, ma anche con altri elementi come ossigeno, azoto e fosforo; le possibilità del carbonio di combinarsi sono veramente tante e anche la forma che gli orbitali del carbonio assumono è diversa per il tipo di legame o meglio, a seconda degli orbitali ibridi che si formano e che quindi permettono alcuni legami meglio che altri. I concetti fondamentali di chimica da tenere presenti sono ​la forza del legame​ singolo, doppio, triplo ​che è crescente​ e che laddove si formano i legami carbonio-carbonio, ​la struttura stessa del legame che si forma è piuttosto stabile​ cioè non altamente reattiva, ciò significa anche che nel tempo una certa struttura può essere conservata; la stabilità del carbonio è importante perché vuol dire che le macromolecole biologiche hanno una struttura permanente; le macromolecole in cui il carbonio è abbondante e forma legami con altri atomi di carbonio, sono la classe degli idrocarburi che possono formare acidi grassi, con delle lunghe catene di carbonio legate tra di loro e legate ad atomi di idrogeno; gli idrocarburi possono anche formare strutture importantissime per la cellula e per l’organismo pluricellulare, strutture macromolecolari idrofobiche, ossia non solubili in acqua. La vita sulla terra si è sviluppata nell’acqua, ma perché sia stato possibile avere un primo “comparto” (cellula primordiale) in questo grande ambiente acquoso è stato necessario delimitare questo comparto. È da mettere in chiaro che le sostanze idrofobiche servono alla cellula per delimitare un settore che lo isoli dall’ambiente acquoso circostante. Quindi non cadiamo nell’errore facile di pensare la vita si sia evoluta nell’acqua. Le macromolecole idrofobiche servono per delimitare un comparto dall’ambiente acquoso, le molecole insolubili in acqua creano una barriera e delimitano il nostro settore. Esempi sono la membrana plasmatica o i trigliceridi, abbondantemente presenti nelle cellule del tessuto adiposo, macromolecole di scorta energetica. E’ importante capire la differenza tra idrosolubile e liposolubile e capire la chimica dei composti organici, presenti nelle nostre cellule. Il carbonio si lega con altri atomi di carbonio e con atomi di idrogeno, ciò costituisce lo scheletro delle molecole biologiche, ma non si tratta solo di atomi di carbonio e idrogeno; il carbonio lega facilmente anche altri atomi: zolfo, ossigeno, azoto, fosforo, quest’ultimi sono degli atomi che ritroviamo in grande abbondanza in alcune macromolecole fondamentali di cui ci occuperemo. L’elettronegatività di questi atomi diversa da quella di carbonio e idrogeno permette di creare un dipolo elettrico. Quando questi atomi ad elettronegatività diversa si legano al carbonio attraggono, a seconda dell’elettronegatività di ciascuno di essi, la nube di elettroni su di sé creando un dipolo elettrico. ACCENNO AI GRUPPI FUNZIONALI: I gruppi amminici e gruppi carbossilici sono presenti negli amminoacidi, il gruppo fosfato è presente negli acidi nucleici e altri gruppi come OH (gruppo ossidrilico), SH (gruppo solfidrilico), il Carbonilico, l’Aldeidico li ritroviamo in diverse molecole biologiche. Adesso continuiamo ad occuparci del carbonio; consideriamo la condizione del carbonio in cui gli orbitali ibridi formati dall’elemento, sono in numero più elevato possibile tanto da avere degli orbitali sp​3 ​, ciò vuol dire che tutti e quattro gli elettroni dei livelli energetici esterni sono disponibili per formare un legame e nell’ibridarsi formano quattro orbitali ibridi diversi da p che si dispongono nello spazio secondo i vertici di un tetraedro. Abbiamo dunque l’immagine del carbonio che è tetravalente e può legare quattro diversi gruppi funzionali. Questo è quello che accade negli amminoacidi in cui dei quattro legami disponibili due sono impegnati con gruppo amminico e gruppo carbossilico, uno con l’idrogeno e l’altro con il gruppo funzionale tipico degli amminoacidi. Parlando di stereoisomeria, gli stereoisomeri rappresentano la possibilità di avere di fatto molecole diverse a seconda di come i gruppi funzionali degli atomi sono legati al carbonio tetraedrico. Le molecole possono essere stereoisomeri diversi perché considerando, ad esempio un amminoacido come la L-alanina e la D-alanina, le loro immagini non possono essere sovrapposte l’una sull’altra, quindi sono di fatto diverse, sono due molecole speculari. Siccome nello spazio i gruppi sono disposti in modo diverso queste molecole saranno assolutamente diverse e non riusciranno ad entrare nel sito catalitico dell’enzima che ospita una certa forma. Iniziamo anche a pensare che due molecole biologiche possono essere diverse pur avendo la stessa formula bruta, pur avendo lo stesso numero di atomi e di gruppi funzionali, ma in base a come sono legati quest’ultimi a un centro chirale, ossia del carbonio tetraedrico di cui stiamo parlando, queste molecole per certe strutture biologiche risultano diverse. In biologia la forma è importantissima, caratterizza una molecola molto più di quanto potrebbe fare una formula bruta che scriviamo o anche la denominazione che diamo. Esistono dunque amminoacidi diversi, pur essendoci