Appunti - riassunto del corso di biologia e genetica - elementi di biologia - a.a. 2016/2017 PDF

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Riassunto completo integrato di appunti e slide della prof. Combi...

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Biologia e genetica 29/02/16_ lezione 1 Biologia, dal greco Bio: vita Logos: parola scienza che studia la vita, organismi viventi animali e vegetali immersi in un ambiente con cui scambiano continue interazioni. A. da atomo a organismi: atomo, minima quantità di elemento che mantiene le caratteristiche (p.6) -> organismo -> macromolecole biologiche o micro molecole -> cellula (unità fondamentale della vita) [tessuti, insieme di cellule con la stessa funzione -> organi, più tessuti-> sistemi d’organo, più organi] -> organismi. B. da organismi a ecosistema: ecologia: popolazione, insieme di organismi della stessa specie che vivono nello stesso ambiente -> comunità, insieme di organismi che vivono nello stesso ambiente, ma non appartengono necessariamente alla stessa specie (insieme di popolazioni nello stesso ambiente) -> ecosistema, racchiude tutti gli ambienti e tutte le popolazioni (comunità insieme a ambiente) -> tutti gli ecosistemi esistenti Cosa sono gli organismi viventi. Proprietà necessarie: 1. Complessità specificamente determinata: ogni specie ha una sua complessità intrinseca, ha caratteristiche specifiche della sequenza di DNA. Esistenza di macromolecole informazionali (capaci di contenere grandi quantità di informazioni); il DNA è il composto chimico in cui è depositata questa informazione. L’insieme delle molecole di DNA contenenti l’informazione genetica di una molecola ne costituisce il genoma. 2. Capacità di accrescimento: non solo in dimensioni, riguarda anche il cambiamento e lo sviluppo, è un processo dinamico es. cristallo di ghiaccio cresce in dimensioni, ma non si sviluppa. Gli organismi viventi devono essere in grado di trasformare i composti inorganici in composti organici specifici di ciascun organismo. Devono anche essere in grado di produrre energia dalla materia. Infatti esistono catalizzatori estremamente specifici ed efficienti, gli enzimi, ciascuno dei quali è responsabile di una data reazione. In ogni organismo, si svolgono solo le reazioni per le quali esso è in grado di produrre il corrispondente enzima; una buona parte dell’informazione genetica riguarda il modo in cui sintetizzare i vari enzimi. 3. Capacità di riprodursi: riproduzione sessuata, le cellule si dividono, non esiste il sesso maschile né quello femminile es. batteri. Riproduzione sessuata: organismo femminile e maschile; è più evoluta perché si generano individui con un miscuglio di materiale genetico e quindi geneticamente diversi dai loro genitori: è alla base del processo evolutivo -> Darwin (vedi il libro, pg. 11 in breve). Necessità di un meccanismo di replicazione e di trasmissione dell’informazione genetica specifica di ciascun organismo; Necessità che la moltiplicazione delle cellule degli organismi avvenga solo quando il materiale genetico è stato duplicato e la crescita è stata sufficiente. Infatti, esiste un meccanismo di REPLICAZIONE del DNA che assicura la conservazione dell’informazione. Esistenza di meccanismi che assicurano la precisa ripartizione del materiale replicato tra cellule figlie (MITOSI e MEIOSI). Esistenza di meccanismi che controllano la divisione cellulare in funzione della crescita della cellula e della replicazione del materiale genetico. 4. Capacità di rispondere agli stimoli: interazione organismo ambiente es. mimetizzarsi, alimentarsi, proteggersi… 5. Movimento: es. organismo procariote batterio -> flagello -> flagellina es. organismo eucariote: apparato motorio 6. Adattamento all’ambiente: es. mimetizzarsi: rendere le caratteristiche fisiche più simili a quelle dell’ambiente (caso della Biston Betularia, pre rivoluzione industriale: 90% bianche, 10% nere; post rivoluzione industriale: 10% bianche 90% nere).

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6. Adattamento della specie dell’ambiente: l’ambiente si modifica e seleziona gli organismi. Necessità di un meccanismo di adattamento compatibile con la conservazione e a trasmissione dell’informazione genetica. Infatti, esiste un meccanismo di evoluzione per selezione naturale su fenotipi generati dall’insorgenza di mutazioni casuali nell’informazione genetica. 7. Regolazione La cellula. Teoria cellulare:   

Cellula come unità fondamentale della vita Una cellula non si autogenera, ma deriva da altre cellule Tutti gli organismi sono formati da cellule

Le dimensioni sono correlate alle funzioni, l’unità di misura è il micron o micrometro 10-6m oppure i nanometri 10-9 m.    

Es. le cellule nervose umane sono più grandi perché hanno più propaggini per andare lontano Es. cellula uovo umana è molto grande perché deve generare una nuova vita, contenere tutte le informazioni del DNA, le proteine, gli zuccheri etc… Es. globulo rosso è più piccolo per passare nei vasi più sottili Es. batteri sono le cellule più piccole

Lunghezza Millimetro

Abb . mm

Eq.

Volume

10-3 m

Millilitro

Abb . mL

Microlitro

μL

Micrometro (micron)

μm

10-6m = 10-3mm

nanometro

nm

10-9m

Eq.

Massa

Abb.

Eq.

10-3L (1mL= 1cm3= 1cc) 10-6L (1μL= 1mm3)

Milligrammo

mg

10-3g

Microgrammo

μg

10-6g

Nanogrammo

ng

10-9g

Picogrammo

pg

10-12g

Forma correlata con la funzione:  



Es. adipocito, cellula di riserva piena di grasso; ha forma sferica per avere maggiore volume disponibile Es. globulo rosso, trasporta ossigeno nei vasi; ha forma piccola, sferica, priva di angoli per non lesionare i vasi. È l’unica cellula priva di nucleo per lasciare spazio all’ossigeno, i globuli rossi non si possono riprodurre; si originano nel midollo e vengono continuamente riprodotti perché invecchiano Es. neurone: corpo cellulare non troppo grosso ma con nucleo, presenta tante ramificazioni (corte, dendriti ricevono info e segnali → afferenti. Lunghe, assone per comunicare e trasmettere → efferente)

Struttura: 

Procariotica:      

Primitiva Struttura semplice: membrana cellulare che ricopre il contenuto In alcuni casi parete cellulare fatta di proteine per dare rigidità alla struttura Non ha nucleo Citoplasma: citosol (soluzione acquoso) + corpuscoli cellulari (ribosomi, DNA, RNA) Scissione binaria 2



Eucariotica:    

Evoluta Struttura complessa: membrana cellulare (plasmatica) e involucro nucleare Nucleo: acido nucleico Citosol: organelli specifici: struttura delimitata da membrana con funzioni specifiche → sedi specializzate per lavorare al meglio  Mitosi-meiosi

Organismi:  

Unicellulari: composti da un’unica cellula contenente tutta l’informazione genetica. Pluricellulari: composti da più cellule, ciascuna delle quali presenta una forma e funzione tipica; le cellule si differenziano perché si attivano diverse parti del DNA, cambiano le parti lette e trascritte in proteine → cambia l’ESPRESSIONE GENICA (non DNA)

Classificazione in domini: 1. Eubatteri, batteri comuni 2. Archeobatteri 3. Eucarioti → Regni superati perché confusionari Batteri: Cellule procariotiche Primitive Forma: cocco → sfera, bacilli → bastoncelli, spirilli → spirale Provocano infezioni batteriche Struttura semplice: membrana cellulare + peptidoglicano (parete cellulare), proteine + zuccheri La parete batterica: è una struttura rigida, responsabile della forma della cellula e della sua protezione. È costituita da un complesso macromolecolare di enormi dimensioni, che avvolge come una rete l’intera cellula, detto peptidoglicano (polipeptide + polisaccaride) DNA circolare ad anello, meno spazio ma DNA più protetto Scissione binaria, non c’è variabilità → due cellule identiche. Il DNA si duplica, si pone ai poli della cellula, si crea un setto di divisione a metà, le membrane entrano a contatto fondendosi per poi formare due cellule identiche     



 

Archeobatteri:  

   

Organismi unicellulare, microscopici Caratteristiche a metà tra eubatteri e eucarioti. Morfologicamente indistinguibili dai batteri; sono privi di un nucleo delimitato da membrana. Per altre caratteristiche (processo di trascrizione e traduzione) sono simili agli eucarioti. Forma e struttura: membrana, citoplasma e DNA ad anello Metabolismi specifici per ogni archeobatterio VS glicolisi e fermentazione dei batteri Vivono in condizioni estreme: 1. Fosse oceaniche → pressione e alta salinità → alofili 2. Vulcani → alte temperature → termofili 3. Solfatare → alti livelli di zolfo → sulfobatteri Metanobatteri: producono metano → interesse economico; alobatteri: affinità per il sale; sulfobatteri: ricavano energia da composti con il zolfo. 3

02/03/16_ lezione 2 Composizione chimica della materia vivente.  

Componenti o molecole organiche, macromolecole che costituiscono la cellula Componenti inorganiche, acqua e ioni (cationi Na+ e anioni Cl-)

Non tutti gli elementi della tavola periodica entrano in gioco! Solo alcuni comuni formano le macromolecole organiche (idrogeno, carbonio, azoto e ossigeno), quelli meno comuni sono presenti sotto forma di ioni invece (sodio, magnesio, fosforo (no ione, ma acido nucleico), zolfo, cloro, potassio e calcio) Remember: atomo= più piccola struttura di un elemento che ha tutte le proprietà di quell’elemento; parte centrale: nucleo → protone + e neutrone o, intorno c’è la nube elettronica → elettroni in continuo movimento –. Gli atomi si combinano tra loro mediante legami chimici. Legami chimici. Sono possibili grazie agli elettroni: 





IONICO: gli elettroni passano da un atomo poco elettromagnetico (accettore) a uno molto elettromagnetico (donatore), proprio a causa della differenza di ELETTRONEGATIVITA’. Es. HCL → H+ (donatore) + Cl- (accettore) COVALENTE: gli atomi presentano elettronegatività simile o identico e gli elettroni vengono condivisi. È di due tipi: 1. Non polare, due atomi con stesse proprietà che condividono gli elettroni es. O2, O = O 2. Polare, tra atomi con poca differenza di elettronegatività; gli elettroni sono condivisi, ma un atomo li attira di più. Es. H2O, crea una carica parziale che crea una molecola polare che conduce poli affini all’acqua. A IDROGENO: sono i legami più facilmente degradabili, un atomo di H legato covalentemente a un atomo elettronegativo, si lega a un atomo elettronegativo della stessa molecola

Legami a idrogeno tra molecole d’acqua. Le molecole d’acqua si attraggono per i poli opposti → ogni molecola forma quattro legami a idrogeno. Proprietà acqua:  

 





Polarità, dovuta alla diversa distribuzione delle cariche tra ossigeno (più elettronegativo, parziale carica negativa) e idrogeno (parziale carica positiva) Coesione, dovuta a legami a idrogeno; spiega la tensione superficiale (alcuni organismi stanno sopra la superficie) e l’elevato punto di ebollizione. I legami a idrogeno si formano tra un atomo di idrogeno, legato covalentemente ad un atomo elettronegativo e un atomo elettronegativo, come ossigeno, azoto o fluoro di molecole diverse oppure della stessa molecola (legame a idrogeno intramolecolare) Adesione, dovuta a legami a idrogeno con altre molecole polari Alto calore specifico, per aumentare il caos devo rompere i numerosi legami a idrogeno tra le molecole, devo fornire calore cioè energia → noi riusciamo a termoregolarci mantenendo la temperatura costante, nonostante le condizioni ambientali Alto calore di evaporazione, allo stato gassoso le molecole d’acqua portano una grande quantità di calore, determinando un raffreddamento per evaporazione. Es. fazzoletto imbevuto d’acqua per la febbre Tendenza alla dissociazione, il legame a idrogeno è rotto e la molecola si divide in due ioni (ione idronico + e ione idrossile -) → l’acqua ha una bassa tendenza a ionizzarsi; in natura predomina la forma H2O → sulla tendenza alla dissociazione si basa il concetto di pH, scala usata per misurare l’acolinità di una sostanza, è un numero legato alla concentrazione di ioni idronico H3O+ o H+ → pH= -log10 (H+).

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Acqua pura, no sostanze disciolte: (H+) = 10-7 moli/litro → pH= -log 10 10-7= 7. Un pH diverso da quello della cellula (7. Ma alcune regioni 5) può danneggiarla o creare delle mancanze. H+ 10-1 10-7 10-14

 

pH 1 7 14 (elevata concentrazione di ioni idrossile OH+)

Molecole polari: idrofile, composti ionici e polari. Es. carboidrati, amminoacidi e nucleotidi (legami a idrogeno). Es. Sali, ioni attraggono le molecole di acqua Molecole apolari: idrofobiche, non solubili in acqua. Es. olio, nessun legame

Composizione chimica di una cellula batterica. 70% molecole acqua

15%proteine con tante funzioni

30% molecole organiche o macromolecole

6% RNA → acido nucleico 4% ioni e piccole molecole 2% polisaccaridi 2% fosfolipidi e grassi 1% DNA, una molecola per ogni cellula

Macromolecole. Sono suddivisibili in unità fondamentali, monomeri (componenti base più semplici delle cellule) e polimeri (componenti base complessi delle cellule). Si legano per reazione di condensazione → si forma un legame covalente tra monomeri e si ha la liberazione di una molecola di acqua → reazione inversa: rottura dei legami tra monomeri per aggiunta di una molecola d’acqua.  Zuccheri → polisaccaridi o carboidrati  Acidi grassi → grassi/lipidi/membrane  Amminoacidi → proteine  Nucleotidi → acidi nucleici Carboidrati. Formula bruta (CH2O)n, dove n è direttamente proporzionale alla grandezza della molecola. Sono costituiti dunque da carbonio e acqua. Hanno pesi molecolari e funzioni biologiche molto diverse. Es. glucosio e fruttosio C6H2O6 (n-6). Caratteristiche monomeri, scheletro di carbonio cui sono legati idrogeno e ossigeno (= monosaccaridi):  

Gruppo carbossile (terminale = aldeide, centrale= chetone) Gruppo alcolico OH su tutti gli altri atomi di C

Classificazioni carboidrati: monosaccaridi, un monomero; disaccaridi, 2 monomeri; oligosaccaridi, da due a dieci monomeri; polisaccaridi, dieci o più monomeri. Monosaccaridi. Classificazione in base a n: n=3, triosi; n= 4, tetrosi; n=5, pentosi (ribosio RNA e desossiribosio DNA); n=6, esosi (fruttosio, glucosio e galattosio). Confronto glucosio e fruttosio. Formula bruta: (CH2O)6 e (CH2O)6

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Sstessa formula bruta ma diversa formula di struttura → glucosio e fruttosio sono ISOMERI

Disaccaridi.   

Glucosio + fruttosio = saccarosio Glucosio + glucosio = maltosio Glucosio + galattosio = lattosio

N.B. in soluzione si richiudono ad anello, pentagono ed esagono. Polisaccaridi. Possiedono almeno 11 monomeri, hanno funzione di riserva di glucosio, prima fonte di energia ottenuta tramite la respirazione cellulare. Hanno una catena ramificata o lineare.   

Amido, riserva vegetale → forma ramificata Glicogeno, riserva animale → forma ancora più ramificata, si trova in ammassi nel citoplasma Cellulosa, sostegno. Si trova nei vegetali, è più rigida → forma lineare (causa le striature del legno)

Noi siamo in grado di digerire l’amido e il glicogeno mentre non riusciamo a digerire la cellulosa a causa dei suoi legami covalenti che non possono essere spezzati dai nostri enzimi, per cui la cellulosa non può essere idrolizzata. Funzione dei carboidrati. 1. Fonte di energia (glucosio in primis) 2. Struttura, costituenti cellulari, membrana e sostegno (la cellulosa forma la parete cellulare delle cellule vegetali; la chitina forma l’esoscheletro degli insetti, dei crostacei, e di altri invertebrati) 3. Molecole di ricezione dei segnali 4. Riserva energetica 5. Materiale di partenza per la sintesi di altri costituenti cellulari Lipidi/Grassi. Sono composti idrofobi, es. nell’acqua delle cellule del tessuto adiposo, i trigliceridi formano goccioline che occupano la maggior parte dello spazio. Vengono classificati in:  

Semplici (gliceridi), più comuni: monogliceridi (= glicerolo + un acido grasso), digliceridi (= glicerolo + due acidi grassi), trigliceridi (= glicerolo + 3 acidi grassi) Complessi: struttura più complessa

Funzione:    

Struttura: membrane cellulari Riserva energetica: dai liquidi una cellula ottiene una quantità di energia inferiore rispetto che dagli zuccheri (< 36-38 molecole di ATP) Messaggeri chimici: ormoni chimici, ormoni steroidei Alcuni sono vitamine: A, D, E, K

Acido grasso. 6

Monomero dei liquidi: coda apolare di idrocarburi (tanti CH2 con CH3 terminale) + testa polare terminale (gruppo carbossilico COOH e COO-) = molecola anfipatica. La loro catena può essere:  

Lineare: acido grasso saturo, es. burro. → SOLIDO: forma membrane più rigide, che potrebbero facilitare la rottura dei vasi sanguigni. Ramificata: si creano doppi legami tra i carburi che implicano un tasso di rigidità. Acido grasso insaturo (liquido insaturo), es. olio → FLUIDO: forma membrane meno rigide

Lipidi semplici (gliceridi). Sono i più abbondanti negli esseri viventi. Svolgono la funzione di riserva energetica per tutte le cellule. Unione di acidi grassi e molecola di alcol (glicerolo: tre atomi di C + 3CH) basta 1/3 di acido grasso insaturo per fare un grasso insaturo.

Lipidi complessi. Unione di acidi grassi e molecole diverse: fosfolipidi, glicolipidi e steroidi. Fosfolipidi. Trigliceridi cui è stato tolto un acido grasso e inserito un gruppo fosfato, legato a un gruppo polare Gruppo polare – P - GLICEROLO I

→ molecola anfipatica

I

Acido grasso acido grasso Glicolipidi. Grassi con zuccheri; abbondanti nelle membrane delle cellule nervose.  

Cerebrosidi: zucchero semplice, glucosio/galattosio, (testa polare → sfingosina → acido grasso (coda apolare) Gangliosidi: oligosaccaride (testa polare) → sfingosina → acido grasso (coda apolare)

Steroidi. Acidi grassi + testa polare; struttura ad anello. Es. ormoni. Es. colesterolo: componente membrana → testa polare fatta solo da OH 03/03/16_lezione 3 Proteine. Macromolecole biologiche più abbondanti. Funzioni: 1. Enzimi → facilitano le reazioni chimiche più probabili 2. Struttura → membrana → citoscheletro: impalcatura → ambiente extracellulare: tessuto specifico. Rafforzano e proteggono le cellule e i tessuti. 3. Deposito → riserva di nutrienti, depositi di amminoacidi, più velocemente reperibili in caso di bisogno. Es. uova 4. Trasporto → molto importante nelle cellule nervose, trasportano materiali, ioni, segnali chimici o elettrochimici:  Attraverso la membrana plasmatica → dentro-fuori la cellula  Dentro la cellula  All’interno (centro-periferia) dei microtubuli della cellula, li troviamo negli assoni dei neuroni 7

5. Regolazione → funzione del metabolismo, duplicazione del DNA. Alcune controllano l’espressione di specifici geni. Es. ormoni, insulina, fattori di crescita 6. Contrazione → partecipano ai movimenti cellulari, actina e miosina: unità strutturale dei muscoli striati 7. Protezione → difendono l’organismo o la cellula da agenti nocivi interni o esterni. Es. sistema immunitario Monomeri: amminoacidi, in natura sono 20 H (idrogeno) I (gruppo amminico) NH2-C –COOH (gruppo carbossilico) I R (catena laterale o residuo, varia a seconda dell’amminoacido) Classificazione:  Amminoacidi apolari → non hanno carica. Idrofobi. Es. glicina (R = H)  Amminoacidi polari → non carichi in maniera netta, stanno bene in acqua ma non formano ioni. Es. serina  Amminoacidi polari e carichi → hanno carica netta, posseggono due acidi (aspartato e glutammato), tre basici. Es. aspartato e glutammato. Monomeri e polimeri. I polimeri sono serie di amminoacidi legati. Le proteine differiscono per la sequenza di amminoacidi, questi sono legati tramite legami peptidici (legame covalente di condensazione presente solo nelle proteine). Poiché il legame unisce due grupp...