Biologia Generale 30-09-2024 PDF

Sbobinatore: Benedetta Lorenzi Revisore: Nicola Basile Materia: Biologia generale Docen...

Sbobinatore: Benedetta Lorenzi Revisore: Nicola Basile Materia: Biologia generale Docente: Alessandro Barbon Data: 30-09-2024 Lezione n°: 01 Argomenti: introduzione al corso, origine della vita sulla terra, eucarioti e procarioti LEZIONE INTRODUTTIVA DI BIOLOGIA GENERALE INTRODUZIONE AL CORSO Il corso di biologia e genetica è importante per avere le basi cellulari e molecolari degli esseri viventi, prima di approcciarsi alla clinica vera e propria. È un corso annuale integrato di biologia e genetica. Nel primo semestre ci sono i due corsi di biologia (biologia generale e biologia cellulare). Nel secondo semestre ci sarà genetica molecolare e genetica medica. Vi è un obbligo di frequenza (si passa foglio firme per entrambi i moduli di biologia). Per poter fare l’esame serve circa il 70% di presenza, per ogni singolo modulo. L’obiettivo del corso di biologia generale è capire che i pazienti non vanno visti come semplici organismi pluricellulari, ma vanno comprese le base biologiche della singola cellula che, se non organizzate correttamente o in modo disfunzionale, possono portare alle patologie che studieremo più avanti. Oggi si parla tantissimo di “medicina di precisione”, ovvero capire cosa ha il paziente in base alle sue caratteristiche cliniche, biomolecolari e genetiche. Per poter fare questo è fondamentale sapere come funziona la singola cellula e cosa succede se non funziona. Il Syllabus contiene il programma del corso. Gli obiettivi formativi contengono le basi della biologia necessarie per affrontare in futuro le discipline cliniche. Il corso tratterà le cellule, ma la morfologia cellulare sarà trattata nel corso di istologia. È richiesto quindi lo sforzo di vedere i corsi di istologia/citologia e biologia come paralleli. Il corso di biologia, dunque, si soffermerà soprattutto sulle macromolecole, ovvero le molecole che portano l’informazione genetica (come sono fatte, dove si localizzano) e il dogma centrale della biologia. Quest’ultimo indica come l’informazione genetica, depositata nel DNA, si esprime in una molecola di RNA, che poi da luogo a delle proteine. Lo scopo finale del corso è riuscire a farci “parlare” gli argomenti di biologia con proprietà di linguaggio appropriata. Le diapositive sono fornite ed è consigliato uno dei seguenti libri di testo: GINELLI MALCOVATI: Molecole, cellule e Organismi di - Edises Ed (2022) B.ALBERTS ET AL: Biologia molecolare della cellula BECKER: Il mondo della cellula – Pearson ed, X ed, 2022 Si dovrebbe seguire quanto detto a lezione e poi andare nello specifico dell’argomento trattato utilizzando uno dei libri come supporto. Una comunità didattica è una parte del sito dedicata a ciascun corso. La comunità didattica è un luogo online dove ci si può parlare e scambiarsi materiale. C’è il Syllabus, il contenuto del corso e il programma per superare l’esame. Verranno qui pubblicati anche gli argomenti trattati a lezione di volta in volta. Tema delle convalide: sono in corso di valutazione le richieste ricevute per gli studenti provenienti da atenei diversi dall’Università degli studi di Brescia; per coloro che provengono dal nostro ateneo (biotecnologie, odontoiatria, farmacia…) la convalida e la frequenza vanno di default, quindi riceveranno comunicazione dalla segreteria. Tema esame finale: biologia e genetica è un esame integrato; quindi, apparirà un unico voto a giugno/luglio che sarà la media dell’esame di biologia generale e cellulare. Il test sarà scritto con 30 domande a crocette e aperte di biologia generale e 30 di cellulare. Questo voto farà media a sua volta con l’esame di genetica (che si terrà a giugno come unico esame scritto con 60 domande circa, non diviso in moduli). 1 1 approfondimento I moduli non sono scatole chiuse, perché a medicina le conoscenze sono aperte, quindi sono necessari i collegamenti. A livello di esame implica che per avere un voto positivo all’esame di biologia entrambi i moduli devono essere positivi. Le ore formali sono due, ma le ore accademiche sono di 45 minuti ciascuna. Il professore fa un’ora e mezza di lezione continuativa. BIOLOGIA Biologia significa letteralmente “scienza della vita”, dove con il termine “vita” si intende la descrizione degli esseri viventi. Gli esseri viventi sono delle entità che nascono, crescono, si riproducono e muoiono. Origine della vita sulla Terra Come si può descrivere la vita sulla Terra? Quando si può parlare di vita sulla terra? Il nostro pianeta ha un’età di 4,5-4,6 miliardi di anni. (figura 1) Le ipotesi indicano che l’origine della vita è nata verso la fine della prima settimana di vita della terra (circa 4 miliardi di anni fa). Il tipo di vita a cui ci si riferisce è di tipo “chimico”. Infatti l’atmosfera ai tempi era completamente diversa rispetto ad ora. La terra si era appena formata e si stava raffreddando; quindi, si è formata l’acqua e l’atmosfera con elementi diversi da oggi. Erano presenti CO2, vapor acqueo e altri elementi molecolari semplici (CO, idrogeno molecolare, ammoniaca, azoto molecolare, zolfo e infine metano, come fonte di carbonio). Mancava tuttavia l’ossigeno, che è una molecola ossidante, che impedisce agli elementi semplici di unirsi insieme. Queste condizioni, unite alla presenza di tantissima energia data dal sole (UV), scariche elettriche nell’atmosfera ed eruzioni vulcaniche, si ipotizza che da quegli elementi semplici si potessero formare delle piccole molecole organiche (base chimica della vita). Tutto ciò è stato ipotizzato da Oparin e Haldane negli anni ‘20 del secolo scorso e poi venne dimostrato in laboratorio da Miller-Ury nel 1950, che ricrearono una sorta di atmosfera primordiale, ovvero le condizioni che si pensava esistessero 4 miliardi id anni fa. Egli prese gli elementi semplici, li riscaldò e creò un vapore contenente acqua, ammoniaca, idrogeno molecolare, ecc. Vi diedero delle scariche elettriche tramite elettrodi al sistema (al posto degli UV). Il tutto venne poi raffreddato e venne analizzato cosa c’era in questa soluzione. Emerse che gli elementi semplici si potevano unire insieme in qualcosa di un po’ più complesso (polipeptidi, amminoacidi, acidi grassi), ovvero molecole organiche semplici, che si accumulavano nel cosiddetto “brodo primordiale” (ricco di energia, acqua e provvisto di zone di contatto con la terra). È proprio in queste zone di contatto che le prime molecole createsi iniziano 2 1 approfondimento ad accumularsi in qualcosa di più complesso. Da monomeri si passerà al concetto di polimeri (gli amminoacidi sono monomeri di proteine. I nucleotidi sono i monomeri degli acidi nucleici). Avvenne quindi la creazione chimica e spontanea di piccole molecole organiche che si sono accumulate nei brodi primordiali e poi con l’aiuto probabile di qualche catalizzatore (es: argille, ovvero rocce con carica positiva con nucleotidi che hanno carica negativa) i monomeri hanno interagito tra loro per creare polimeri (ciò ha richiesto milioni di anni) Negli anni ‘60 ci si chiese quale molecola fosse nata prima per dare origine a tutte le altre. È bene tenere presente che: Il DNA è il depositario dell’informazione genetica L’RNA serve per trasportare informazione genetica per dare luogo alle proteine (e altro ancora) Le proteine, infine, sono in grado di fare tutto (danno struttura, sono alla base degli enzimi…) Negli anni successivi emerse che fu l’RNA la molecola che si era formata per prima. Essa, infatti, ha due funzioni: 1. Trasportare informazione genetica al DNA e alle proteine 2. Fare da enzima (è un riboenzima). Esistono infatti degli acidi nucleici che catalizzano delle reazioni metaboliche. In particolare, la formazione del legame peptidico nel ribosoma (organulo che media la sintesi proteica). Si pensa quindi che l’RNA si sia inizialmente formato in maniera graduale, creando delle molecole sempre più grandi e poi, evolvendo in milioni di anni, l’RNA abbia assunto una capacità autoreplicativa (di creare molecole similia a se stesse). Poi con l’evoluzione e la selezione si sono create anche delle molecole con capacità enzimatica specifica, che hanno dato luogo alle proteine. Queste proteine, essendo molto più efficienti per catalizzare delle reazioni metaboliche, permisero poi di creare delle strutture. L’RNA ha continuato a replicarsi, dando anche poi luogo ad un’altra molecola: il DNA. Il DNA ha la capacità peculiare di essere molto statico, mentre RNA a singola elica è molto più labile (e degradabile). Fino a questo punto si è parlato della creazione di macromolecole in un ambiente libero (il brodo primordiale). Poi vi è stato un altro step evolutivo fondamentale. Nel brodo vi erano anche altre molecole peculiari: gli acidi grassi (lipidi), che sono fondamentali per la soluzione delle cellule. I fosfolipidi/fosfogliceridi sono costituiti da una molecola centrale di glicerolo che si connette con tre altre molecole. Gli acidi grassi sono le molecole che si sono formate inizialmente. Hanno delle lunghe code idrocarburiche, che sono del tutto apolari (ovvero non si sciolgono in acqua, da cui “idrofobiche”). Anche la testa ha delle caratteristiche specifiche (es: azoto o gruppo fosfato, con diverse cariche elettriche). Le cariche elettriche poi interagiscono con le molecole d’acqua che sono dei dipoli elettrici. Tornando al brodo primordiale, ciò comporta che delle molecole simili ai fosfolipidi che si erano formate, tentavano di associarsi tra di loro, diminuendo al massimo il volume di contatto con le loro regioni idrofobiche, mettendo solo le teste polari (idrofiliche) a contatto con l’acqua. Quello che si va a creare sono una sorta di micelle. Le micelle assomigliano in effetti ad una cellula. C’è infatti una membrana plasmatica. Ecco che si è creata una protocellula: il primo organismo a base cellulare. All’interno della cellula, infatti venivano ad essere racchiuse in uno spazio ristretto le macromolecole descritte prima (RNA, DNA, diverse proteine). Questo è di fondamentale importanza, perché da’ una fitness evolutiva (una marcia in più) alla cellula. La cellula era più efficiente da un punto di vista di riproduzione rispetto ad una molecola di DNA o RNA isolate. Le cellule hanno quindi iniziato a dividersi e a colonizzare l’ambiente, determinando la nascita degli organismi procarioti (3,5 miliardi di anni fa). Questo corso si basa proprio sul confronto tra cosa succede negli organismi più semplici procarioti ed eucarioti. Un ulteriore salto evolutivo è stata l’evoluzione all’interno di alcuni procarioti di un peculiare metabolismo: il metabolismo fotosintetico. Questi organismi avevano una marcia in più rispetto agli altri procarioti che dovevano andare in giro nel brodo primordiale contenendo elementi semplici. Questi nuovi procarioti grazie al loro metabolismo creano una molecola che prima non c’era: l’ossigeno. Tanti più organismi fotosintetici, tanto più ossigeno si crea. Per alcuni organismi l’O2 fu anche tossico, quindi vi fu una selezione importante. Alcuni hanno creato il metabolismo aerobico, ovvero utilizzare l’ossigeno per creare energia (respirazione cellulare o fosforilazione ossidativa, come nei nostri mitocondri), che è molto più efficace del metabolismo anaerobio. Questo ha portato ad un altro step evolutivo: la teoria simbiotica. L’ambiente era ricco di protocellule anaerobie che andavano in giro per recuperare materiale. Allo stesso tempo ci sono altri procarioti aerobi in grado di utilizzare O2. La teoria simbiontica indica che una grossa protocellula anaerobia sia andata incontro a un piccolo procariote 3 1 approfondimento aerobico e lo abbia fagocitato. La fagocitosi implica generalmente introduzione di materiale all’interno delle cellule che viene poi degradato in elementi semplici utilizzati per il metabolismo della cellula. In questo caso però la grossa protocellula non ha degradato il piccolo procariote. Piuttosto lo ha mantenuto vivo al suo interno perché era più efficiente utilizzarne le caratteristiche (respirazione ossidativa), piuttosto che utilizzarne gli elementi semplici. Questo ha dato vita al mitocondrio, che infatti ha una membrana interna e una esterna (risultato di un organismo mangiato, ma non degradato appunto). La teoria simbiontica è stato il primo elemento che ha portato poi a cellule più complesse: gli eucarioti. Pro - carioti = prima del nucleo (carion) = assenza del nucleo. Eu - carioti = con il nucleo. Hanno anche compartimentazione interna. Infatti nell’evoluzione della teoria simbiontica sono entrati i mitocondri e poi hanno iniziato a dividere in comparti la struttura interna (es: nucleo per proteggere materiale genetico, apparato di golgi, mitocontri, reticolo endoplasmatico…). Questo processo avvenne 2 miliardi di anni fa. Alcuni di questi organismi eucarioti che si sono formati, poi, invece di dividersi sono rimasti insieme, perché avevano visto che differenziare le funzioni delle diverse cellule rendeva più efficace l’organismo (che quindi divenne pluricellulare). Nel mentre l’ossigeno ha cambiato l’atmosfera, quindi si è creata una variante dell’ossigeno: l’ozono. Questo elemento protegge le terre emerse dai raggi UV e ha permesso agli organismi viventi di avere altre zone da colonizzare. Siamo all’ultima settimana del mese di vita della terra (vedi immagina iniziale del calendario). Gli organismi iniziano a differenziarsi, adattandosi al diverso ambiente in cui sono. Noi esseri umani siamo arrivati negli ultimi cinque minuti dell’ultimo giorno. Classificazione degli esseri viventi (figura 2) In figura 2 è illustrato l’albero genealogico degli esseri viventi. Si parte da LUCA (Last Universal Common Ancestor) che è la protocellula da cui derivano tutti gli organismi. Da questa possiamo dividere l’albero genealogico in tre grandi domini. I primi due domini sono Bacteria e Archea, entrambi procarioti, che differiscono per il metabolismo. I batteri sarebbero gli eubatteri. Gli archea sono batteri con metabolismo peculiare, conosciuti anche come estremofili perché si sono trovati in ambiente estremo. Poi c’è il dominio degli Eukarya: da questi si sono formati quattro dei sei regni che costituiscono gli organismi viventi: protisti: organismi monocellulari ma eucariotici (es: amebe) piante: capacità di fare fotosintesi (autotrofi) funghi: non fanno fotosintesi animali: organismi eterotrofi non fotosintetici All’interno dei singoli regni si hanno ulteriori suddivisioni: phylum, classe, ordine, famiglia… Caratteristiche degli esseri viventi A caratterizzare tutti gli esseri viventi c’è un elevato livello di organizzazione. Parliamo di macromolecole, che si uniscono in polimeri e poi in organuli, organismi cellulari, tessuti e organi. Hanno una particolare omeostasi cellulare, ovvero la capacità di mantenere stabile caratteristiche chimico- fisiche rispetto all’ambiente esterno (es: nostra temperatura rimane stabile rispetto a quella dell’ambiente esterno, perché è la temperatura più efficiente per le reazioni del nostro organismo). tutti gli organismi hanno un codice genetico universale (stesso modo di trasmettere informazione dal dna alle proteina). 4 1 approfondimento  tutti gli esseri viventi hanno la stessa capacità di nascere, crescere, riprodursi. durante l’evoluzione gli esseri viventi si sono adattati all’ambiente, andando a modificare il proprio patrimonio genetico. Ogni essere vivente ha un proprio progetto: ogni organismo vivente si esprime in base a cosa ha scritto nel patrimonio genetico. Si ha un flusso di informazioni unidirezionale dal dna all’rna alle proteine (non si torna indietro). Proprio il fatto che il flusso sia fatto così ci ha permesso di evolverci. Replicazione, trascrizione e traduzione avvengono all’interno della cellula, caratterizzandola e differenziandola dalle altre cellule. Noi siamo fatti di cellule. Un granello di cellule è grande come 5000 cellule. Quindi noi siamo fatti da miliardi di miliardi di cellule (il numero teorico è 3,7 *10^13 cellule). Gli occhi non sono in grado di vedere le cellule perché non hanno un potere di risoluzione adatto per distinguere le diverse cellule. Dobbiamo usare dei microscopi, che possono essere di diverso tipo: microscopici ottici, che tramite la luce permettono di ingrandire un oggetto e distinguere cosa c’è dentro microscopici elettronici, che tramite fasci di elettroni tridimensionali su una sonda permettono di ricostruire una struttura bidimensionale o tridimensionale. (figura 3) In figura 3 vediamo con microscopio ottico un paramecio, organismo protista unicellulare eucariotico, tramite diversi tipi di microscopi. Si può dedurre che l’evoluzione dei microscopi abbia dato un contributo importante alla biologia, anche se la biologia non è nata con i microscopi, ma molto prima (dalle intuizioni dei naturalisti, un po’ tuttologi, che provavano a descrivere la natura). Robert Hooke ha creato una sorta di microscopio: un tubo di cartone che ha permesso di ingrandire delle strutture biologiche, quali la struttura di un albero. Individuò una serie di cellette, che sono le pareti delle diverse cellule vegetali (in realtà quelle cellule osservate erano morte). Dall’osservazione di altri scienziati nacque poi la teoria che la cellula è l’unità morfologica degli esseri viventi. Tutti gli organismi viventi sono nati da cellule. La cellula è anche l’unità funzionale degli esseri viventi, perché tutto ciò che serve per far funzionare la cellula è racchiuso all’interno della cellula. “Omnis cellula e cellula” à tutte le cellule da una prima cellula “Where a cell arises there a cell must previously have existed“ à Dove una cellula si genera, lì una cellula deve essere esistita Inizialmente si era raccontato di come la vita si è da un punto di vista chimico (ora non è più possibile perché l’atmosfera è cambiata). Ora invece si spiega di come ogni cellula deriva da un’altra cellula, intuendo i processi di divisione cellulare (mitosi e meiosi). Esistono cellule diverse (figura 4): neuroni, granulociti, procariote (flagello), spermatozoo, fibroblasto. 5 1 approfondimento  (figura 4) Confronto tra procarioti ed eucarioti La divisione delle cellule avviene in due categorie principali: procarioti ed eucarioti. Da una parte abbiamo i procarioti, relativamente semplici (perché si sono specializzati nel loro ambiente per vivere e riprodursi): sono monocellulari e dotati di membrana plasmatica che delimita il proprio citoplasma. Non c’è il nucleo, ma è presente la regione del nucleoide in cui c’è il DNA del procariote (circolare e super avvolto). Tutto attorno ci sono piccoli organuli che chiamati ribosomi (sede della sintesi proteica). Oltre alla membrana plasmatica possiamo avere la parete cellulare, un’altra membrana esterna e una grossa regione gelatinosa chiamata capsula, costituita da polisaccaridi. Tutto ciò permette di differenziare i diversi procarioti e capirne, se presente, la patogenicità. Dall’altra parte vi sono gli eucarioti, più complessi e compartimezzati. Il compartimento più grande è il nucleo, che contiene il DNA. Poi ci sono i mitocondri (sintesi energia), vescicole di trasporto di materiale tra la cellula e l’esterno, organuli come ribosomi e desossisomi. Vi è un ultimo organismo particolare che non è una cellula: il virus. Sono dei parassiti obbligati. Hanno un materiale genetico all’interno del capside e hanno la capacità di infettare altre cellule (unico modo che hanno per riprodursi). Sono così piccoli che non erano stati visti fino al microscopio elettronico. Sono parassiti obbligati di tutti gli esseri viventi (alcuni infettano i procarioti, altri le piante, altri i batteri). 6 1 approfondimento