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Introduzione alla Biologia

• La biologia è lo studio scientifico della vita e delle diverse forme viventi.
• Ogni essere vivente è costituito da cellule.

Definizioni

• Cos'è la biologia? La biologia è lo studio scientifico della vita e delle diverse forme viventi.
• Qual è la proprietà comune a tutti gli esseri viventi? Ogni essere vivente è costituito da cellule.

Introduzione

• La materia vivente è costituita da cellule. Esse rappresentano l'unità fondamentale in grado di compiere tutte le attività richieste per la vita.
• Una delle proprietà comuni a tutti gli esseri viventi è la complessità, specificamente definita. Ciò significa che con l'aumentare della complessità dell'organismo si instaurano innumerevoli nuove connessioni e il numero di interazioni tra le cellule aumenta.
• Partendo da una semplice molecola di acqua (livello chimico) otteniamo, grazie alla loro unione con altre sostanze, le macromolecole, che rientrano nel medesimo livello, ma dove abbiamo un numero di interazioni maggiore.
• Procedendo, le macromolecole si uniranno a formare gli organelli (livello cellulare), che a loro volta costituiscono la cellula.
• L'associazione di molte cellule porta alla formazione dei tessuti, i quali sono i costituenti degli organi..
• L'unione degli organi crea i sistemi di organi, elementi essenziali dell'organismo.
• I sistemi di organi lavorano insieme in un organismo funzionale.
• Le popolazioni di specie differenti che vivono nella stessa area costituiscono una comunità.
• Una comunită, insieme all'ambiente non vivente, forma un ecosistema.
• La Terra e tutte le sue comunità costituiscono la biosfera.
• Altre proprietà comuni a tutti gli esseri viventi sono l'accrescimento e la riproduzione, poiché ogni essere vivente deve essere in grado di produrre una prole.
• Inoltre, l'organismo deve essere abile a reagire a stimoli esterni, quindi adattarsi ed evolvere per rispondere ai cambiamenti ambientali.

La cellula

• Dimensioni: La dimensione delle cellule cambia. Le dimensioni delle cellule cambiano durante le fasi del ciclo cellulare e sono correlate alla specializzazione della cellula. Le dimensioni cambiano in base alla funzione che svolge. L'unità di dimensione inferiore è il micoplasma ed i virus, visibili solo con il microscopio elettronico.
• Forma: Altra caratteristica importante delle cellule è la forma, che differenzia le diverse tipologie. La forma è collegata alla specializzazione e funzionalità della cellula.

Modelli animali

• Perché vengono utilizzati i modelli animali? Negli ultimi anni, in realtà, i modelli animali stanno iniziando ad essere sostituiti da tecnologie all'avanguardia, come gli Organ-on-chip.
• Organ-on-chip: dispositivi in vitro che ricreano la struttura e la funzione di un determinato organo, come il polmone.
• Modello animale: in laboratorio vengono utilizzati modelli animali come topi immunocompromessi, nei quali il sistema immunitario è completamente inefficacie.
• Ciò permette l'inoculo di cellule umane (ingegnerizzate) per studiare l'effetto delle stesse su un organismo.
• La rapidità di riproduzione dei topi facilita il loro impiego nelle ricerche.
• L'ambito in cui gli animali vengono ancora usati in modo diffuso è lo studio psicologico dei comportamenti o esperimenti legati alla memoria.

Dimensioni

• L'altezza dell'uomo
• La lunghezza di alcuni nervi e cellule muscolari
• Uovo di gallina
• Uovo di rana
• Cellule eucariotiche
• Nucleo
• La maggior parte dei batteri
• Mitocondrio
• Micoplasma
• Virus
• Ribosomi
• Proteine
• Lipidi
• Piccole molecole
• Atomi

Classificazione

• Tutti gli esseri viventi sono suddivisi in categorie (o taxa) secondo un preciso ordine gerarchico.
• Il termine Tassonomia significa studio della diversità e della classificazione degli esseri viventi in categorie.
• Gli esseri viventi si possono classificare in tre domini: Bacteria, Archaea, Eukarya.
• I domini sono suddivisi in ulteriori categorie: Dominio, Regno, Phylum, Classe, Ordine, Famiglia, Genere, Specie.

La Chimica della vita

• Gli elementi fondamentali sono: idrogeno, carbonio, azoto e ossigeno (CHON).
• La chimica della vita si basa su diverse reazioni chimiche tra elementi, come legami covalenti e ionici, per creare le base dei viventi.
• Gli elementi tendono a raggiungere l'ottetto, che è la configurazione più stabile. Il carbonio è fondamentale perché può creare legami multipli con altri atomi.
• I legami chimici principali sono: Covalente: gli elettroni vengono condivisi tra due atomi. Ionico: un atomo cede uno o più elettroni a un altro.

Proprietà dell’acqua

• L'acqua ha una struttura polare, quindi attira altre sostanze e non è facile che cambi conformazione, per questo é un solvente privilegiato.
• L'acqua forma legami covalenti in cui gli elettroni non sono equamente ripartiti.
• L’ossigeno ha una maggiore elettronegatività, causando una carica parziale negativa sull’ossigeno e una carica parziale positiva sugli atomi di idrogeno.
• Le proprietà biologiche dell’acqua sono essenziali per la vita.
• Le molecole polari, come l'acqua, presentano cariche parzialmente positive e negative. Le molecole apolari sono neutre e non si mescolano bene con l'acqua.
• L’acqua è essenziale per la vita e le sue proprietà sono importanti per i sistemi biologici. Ad esempio, l'espansione dell'acqua quando congela può causare problemi come la vasocostrizione, causando problemi e malattie cardiovascolari.
• Le molecole d'acqua formano legami a idrogeno tra loro. Questa interazione conferisce all'acqua alcune proprietà uniche, tra cui la coesione e la tensione superficiale.
• L'adesione è la capacità dell'acqua di legarsi ad altre superfici o molecole polari.

Composti organici

• La chimica della vita è strettamente legata al carbonio, fondamentale per la formazione di legami covalenti con alta libera energia di Gibbs (AG).
• Permettere le reazioni spontanee e non spontanee necessarie alla vita.
• Gli atomi di carbonio sono in grado di legarsi con altri atomi di carbonio, generando catene o molecole cicliche.
• Il carbonio si lega a molti diversi elementi.

Isomeria

• La versatilità del carbonio porta alla formazione di isomeri, composti aventi la stessa formula ma con struttura o legami differenti.
• Nei composti organici ci sono cinque tipi di isomeria: isomeria di catena, isomeria di posizione, isomeria ottica e isomeria cis-trans.

Biomolecole

• Carboidrati(zuccheri) ruolo di riserva energetica. Sono costituiti da carbonio, idrogeno, e ossigeno.
• Oligosaccaridi(2- 10 monosaccaridi) sono presenti in molti altri gruppi (es: glucosio+fruttosio = saccarosio).
• Pulisaccaridi(>10) sono polimeri di piccole unità. Es: amido, glicogeno e cellulosa
• Lipidi, ruolo sia di deposito energetico che strutturale. Sono in gran parte idrofobici.
• Fosfolipidi, costituenti delle membrane biologiche.
• Steroidi, catene di quattro anelli condensati. Es: colesterolo.
• Proteine, unità strutturali, ruolo di riserva energetica. Sono polimeri di amminoacidi.
• Acidi nucleici, sono il DNA e l'RNA. Contengono le informazioni genetiche.

Biomolecole: Carboidrati

• Monosaccaridi: piccole unità di base (ad esempi: glucosio, fruttosio, mannosio)
• Oligosaccaridi: costituiti da unità di monosaccaridi
• Polisaccaridi (complessi): polimeri formati da molte unità di monosaccaridi. Esempio: cellulosa.

Biomolecole: Lipidi

• Trigliceridi: molecole di grasso che immagazzinano energia.
• Fosfolipidi: importanti per la struttura delle membrane.
• Steroidi: importanti per i ormoni e altre funzioni biologiche.

Il DNA e il suo ruolo nel ciclo cellulare

• Il DNA contiene le informazioni genetiche.
• L'importanza della duplicazione del DNA per il corretto funzionamento delle cellule.
• Le fasi del ciclo cellulare: interfase (compresa da G1, S, e G2) e mitosi (successione di eventi: profase, prometafase, metafase, anafase e telofase)
• I meccanismi molecolari che regolano il ciclo cellulare: checkpoint e fattori di controllo
• Le proteine che mediano il ciclo cellulare possono essere attivatori, repressor e fattori di controllo.
• p53: un fattore di controllo, importante per la prevenzione delle mutazioni.
• Telomeri: Protezione delle estremità cromosomiche, il cui accorciamento indica senescenza/apoplosi. Telomerasi: mantiene la lunghezza dei telomeri.

Biomolecole: Proteine

• Ciascuna proteina è fatta da una serie di amminoacidi legati tra loro tramite legami peptidici in posizione N-terminale e C-terminale.
• Varietà e struttura: numerose, diverse in ruolo, lunghezza e disposizione.
• Struttura primaria: disposti in linea.
• Seconda struttura: alfa-elica, foglietti beta, ecc...
• Struttura terziaria: piegamento complessivo e 3D.
• Struttura quaternaria: associazione di più catene.
• I legami covalenti tra aa stabiliscono la struttura in 3D.
• Vari tipi di proteine (es. enzimi, ormoni, structural).

Biomolecole: Gli acidi nucleici

• DNA: acido desossiribonucleico
• RNA : Acido ribonucleico.
• Nucleotidi: unità di base del DNA e dell'RNA.

Metabolismo

• Il metabolismo cellulare è la somma delle reazioni chimiche che avvengono in ogni cellula.
• La cellula metabolizza molecole organiche a fini energetiche.
• Carboidrati, lipidi e proteine sono tre classi di queste molecole organiche.
• Oltre a carboidrati, lipidi, e proteine vi sono altre molecole utili.

Citofluorimetria

• Tecnica per studiare il ciclo cellulare.
• Si basano sulla capacità del DNA o RNA.
• Analisi quantitativa di cellule in diverse fasi del ciclo cellulare.
• Importante per lo studio, ad esempio, delle cellule tumorali.

Mitosi

• Organizzazione del DNA
• Processo di divisione di cellule
• Fase per il mantenimento di un organismo.
• Coinvolgimento dei microtubuli e centrioli.
• Separazione dei cromatidi fratelli.
• I cicli per questo evento sono diversi.

Meiosi

• Processo di riproduzione sessuata.
• Divisione cellulare.

Trascrizione

• Sintesi di RNA da stampo DNA, da RNA polimerasi.
• Fasi della trascrizione: inizio, allungamento e terminazione.
• Fattori di trascrizione: proteine che possono regolazione la trascrizione.
• RNA maturazione: splicing e la maturazione.

Traduzione

• Processo che porta alla formazione di proteine.
• Fasi della traduzione: inizio, allungamento e terminazione.
• Ribosomi: strutture sulla membrana che legano RNA e proteine.
• tRNA: trasportano amminoacidi ai ribosomi.

Smistamento delle proteine

• Le proteine vengono smistate dal lato citosolico del proteasoma.
• Meccanismi di smistamento delle proteine: co-traduzionale e post-traduzionale.

Perossisomi

• Sono organelli specializzati in reazioni di ossidazione
• I perossisomi di solito degradano sostanze tossiche
• Gli enzimi perossisomali trasformano H₂O₂ (acqua ossigenata) in acqua ed ossigeno.
• Nel perossisoma avviene anche la ẞ-ossidazione degli acidi grassi.
• Nel rene e nel fegato i perossisomi hanno azione detossificante.

Mitocondri

• Struttura: doppia membrana (interna e esterna)
• Matrice mitocondriale: reazione chimica, produzione di energia.

Fagocitosi e autofagia

• Fagocitosi: endocitosi che avviene in seguito a stimolo di una cellula.
• Materiale particolato ingerito.
• Importante per l'immunità ed eliminazione.
• Autofagia: digestione di materiale interno in seguito a stimolo.
• Fusione con lisosomi per degradazione.

Cancro

• Cause genetiche
• Mutazioni oncosoppressori
• Mutazioni oncogeni.
• Inizio, promozione e progressione del cancro.
• Persistenza delle cellule danneggiate e di cellule non sane.
• Fattori ambientali, agenti biologici, e fisici.
• Instabilità genica e mutazioni dei geni.

Cellule staminali

• La capacità di dividersi e autoriprodursi
• Generazione di vari tipi cellulari.
• Potenziale
• Cellule staminali embrionali
• Cellule staminali adulte.

Matrice extracellulare

• MEC: sostanza extracellulare.
• Componenti principali: proteoglicani, collageni ed elastine.
• Ruolo nella struttura e funzione dei tessuti.

Connezioni cellulari

• Giunzioni ocludenti
• Giunzioni adesive
• Giunzioni comunicanti