biologia generale - lezione 1

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Docente: Dr Elena Battaglioli

Dipartimento di Biologia e Genetica per le Scienze MedicheVia Viotti 3/520133 Milano

Tel Ufficio: 02.50315859Fax: 02.50315864

e-mail: elena.battaglioli@unimi.it

STRUTTURA DEL CORSOLezioni in classe Ottobre-Gennaio

ATTENZIONE: lezione al lunedì soltanto fino al 16 novembre

La frequenza delle esercitazioni in laboratorio e d in aula è

OBBLIGATORIA

Si richiede il 75% di frequenza (al MASSIMO se ne può perdere 1); sarà fatto l’appello all’entrata; cambi NON possibili a meno di GRAVI e certificati motivi

Esercitazioni in LABORATORIO di due ore ciascuna

1-Metodiche di base in un laboratorio biologico

2-Osservazione di cellule vive in coltura, fissate-colorate e in fluorescenza

3-Osservazione di preparati istologici al microscopio ottico

Esercitazioni in AULA di due ore ciascuna

1-Replicazione del DNA: esperimento di Meselsohn e Stahl.

2-Principi di microscopia ottica e a fluorescenza.

3-Aspetti teorico-pratici dei tessuti animali, prima parte.

4-Aspetti teorico-pratici dei tessuti animali, seconda parte.

5-Aspetti teorico-pratici delle colture cellulari.

Libri di testo

Autore: Becker - Kleinsmith - Hardin IL MONDO DELLA CELLULAPearson, 2009

Libri di testo(alternative)

Autore: Alberts, Bray, Johnson et al. L’ESSENZIALE DI BIOLOGIA

MOLECOLARE DELLA CELLULAZanichelli 2005

Autore: Solomon, Berg, MartinBIOLOGIA

Edizione: V/2008

Slides delle lezioniSITO ARIEL

BIOLOGIA APPLICATA

http://ariel.ctu.unimi.it/

MODALITA’ DI ESAME

Appelli• 3 a gennaio-febbraio• 3 a giugno-luglio-settembre

1 scritto (test a scelta multipla) + 1 orale

FINALITÀ GENERALI DEL CORSO

Il corso intende fornire agli studenti le conoscenze di base di biologia generale, utili per affrontare qualsiasi indirizzo di studio successivo al primo anno interfacoltà. Sarà trattato lo studio degli organismi viventi, dei loro livelli organizzativi e del flusso dell’informazione genica.

I componenti molecolari delle cellule Composizione chimica della materia vivente. L’importanza biologica dell’acqua. Zuccheri, acidi grassi, lipidi, amminoacidi e nucleotidi. Le macromolecole biologiche come polimeri. Struttura e funzioni delle proteine. Cenni sulla struttura e le funzioni degli anticorpi. Il caso particolare delle proteine

prioniche. Struttura e funzioni degli acidi nucleici. Il DNA come materiale ereditario. La replicazione del DNA. Struttura del gene eucariotico. Dai geni alle proteine: trascrizione e maturazione degli RNA, traduzione, codice

genetico. Cenni sulle mutazioni: classificazione, effetti e ruolo evolutivo. Maturazione post-traduzionale delle proteine, Smistamento delle proteine.

PROGRAMMA DEL CORSO

Virus, batteri, archea ed eucarioti La cellula batterica: struttura. Gli Archea La cellula eucariotica e sua compartimentazione. Confronto tra cellule procariotiche ed eucariotiche. Organismi mono e pluri-cellulari. Generalità sui virus. Virus a DNA e a RNA. Le interazioni virus-cellula.

Partiamo?

BIOLOGIA

Dal greco bios: vitalogos: parola

La biologia è la scienza che studia gli organismi viventi ed i loro rapporti con l’ambiente circostante

Tratto da Edoardo Boncinelli: Il cervello, la mente e l’anima. 1999, Mondadori.

“Gli esseri viventi sono costituiti da molecole che obbediscono alle leggi della chimica e della fisica, come tutte le altre. Sono solo associate e organizzate tra loro in maniera peculiare. Tale organizzazione e associazione costituiscono un retaggio storico.

La VITA: una catena ininterrotta di eventi. La sua stessa esistenza dipende da tale continuita’. Via via fino al primo oggetto vivente comparso sulla terra.

Con la comparsa della vita, la continuita’ di tali oggetti, gli essere viventi, non richiede la continuita’ della loro base materiale, ma solo una continuita’ della loro organizzazione formale. Una roccia di oggi e’ la stessa di ieri e di cent’anni fa’. La mia mano di oggi non e’ la stessa di ieri. Cellule, molecole si sostituiscono di continuo. Negli essere viventi esiste un’organizzazione che si mantiene al di la’ del continuo avvicendarsi delle molecole che la compongono.

Organismi viventi rappresentano domini di coerenza, sede di processi ordinati nello spazio e nel tempo. Ciascuno di loro ha un’estensione nel tempo limitata (morte).

Questa forma di organizzazione delle molecole che costituiscono la materia vivente e’ il frutto della continua consultazione di una serie di istruzioni che ogni cellula possiede racchiusa suo nucleo:PATRIMONIO GENETICO O GENOMAche resta costante nella cellula, nell’organismo e si trasmette alla progenie.

Perche’ il codice genetico col quale sono scritte le istruzioni del patrimonio genetico e’ quello e non diverso??Il codice genetico e’ arbitrario o gratuito.Si e’ instaurato per CASO per particolari combinazioni di eventi verificatisi miliardi di anni fa, e si e’ mantenuto inalterato perche’ la pressione selettiva non ha mai permesso la sopravvivenza di entita’ biologiche che tentassere di utilizzarne uno diverso.

….In sostanza, gli esseri viventi rappresentano sistemi complessi, anche molto complessi, ma di un tipo di complessita’ particolare. C’e’ un nocciolo duro in essi, una guida, un disegno, un progetto che puo’ anche non andare in porto ma che e’ sempre presente, almeno come istanza o falsariga. Al cuore del microuniverso complesso rappresentato da ogni organismo vivente c’e’ un piccolo disegno programmato che tenta continuamente di imporre I propri diritti sulla complessita’, altrimenti caotica, degli eventi che si succedono nella particolare regione di spazio e di tempo da esso occupato. Questo disegno programmato e’ ovviamente il risultato della lettura delle istruzioni contenute nel patrimonio genetico presente nelle cellule di quell’organismo. Il patrimonio genetico individuale e’ l’ispiratore e, se vogliamo, la causa immediata degli eventi che caratterizzaranno lo sviluppo, la crescita e buona parte della vita di quell’organismo….

TUTTO CIO’ CHE STIAMO PER STUDIARE E’ PERTANTO

GOVERNATO DA PRECISE LEGGI CHIMICO-FISICHE E DA ISTRUZIONI CONTENUTE NEL

PATRIMONIO GENETICODNA

CARATTERISTICHE FONDAMENTALI DELLA MATERIA VIVENTE

• Complessità (biodiversità)• Capacità di accrescimento• Capacità di autoriproduzione• Adattamento all’ambiente

Tutti gli organismi viventi devono soddisfare queste 4 caratteristiche +

una quinta… Morire!

1La biodiversitàBATTERIBacillus anthracis

ANIMALIFelis concolor

PROTISTIVorticella

FUNGHIAmanitamuscaria

PIANTEIris color

Caratteristica:Complessità specificamente determinata, costante nel tempo e nello spazio

Problemi:Necessità dell’esistenza di una grande mole di informazione specifica, contenuta in ciascun organismo

Risposte:Esistenza di macromolecole informazionali (capaci di contenere grandi quantità di informazioni); il DNA è il composto chimico in cui è depositata questa informazione (detta INFORMAZIONE GENETICA). L’insieme delle molecole di DNA contenenti l’informazione genetica di una cellula ne costituisce il GENOMA.

2Capacità di accrescimentoGli organismi viventi crescono e si sviluppano

Il giovane babbuino mangerà e crescerà fino a raggiungere le dimensioni di un individuo adulto

Il cristallo di ghiaccio cresce… ma si sviluppa???

Caratteristica:Capacità di accrescimento

Problemi:• Gli organismi viventi devono essere in grado di trasformare i composti inorganici in composti organici specifici di ciascun organismo• Gli organismi viventi devono essere in grado di produrre energia dalla materia

Risposte:Esistenza di 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 diversi enzimi.

3Capacità di riprodursi

Riproduzione asessuata(fissione di un lievito)

Riproduzione sessuata

Caratteristica:Capacità di autoriproduzione

Problemi:• 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

Risposte:• Esistenza di 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

4Adattamento all’ambiente

Giraffa

Pesce scorpione

Caratteristica:Adattamento all’ambiente

Problema:Necessità di un meccanismo di adattamento compatibile con la conservazione e la trasmissione dell’informazione genetica

Risposta:Esistenza di un meccanismo di EVOLUZIONE per selezione naturale su fenotipi generati dall’insorgenza di mutazioni casuali nell’informazione genetica

L’organizzazione biologica è GERARCHICA

Ogni livello ha proprietà emergenti, caratteristiche non presenti ai livelli inferiori.Il tutto è più della somma delle sue parti.

Molecola (acqua)

Organizzazione a livello chimico

Macromolecola(DNA)

Sistema(scheletrico)

Organismo(lupo)

Cellula Tessuto(osseo)

Organo(osso)

Diversi livelli di organizzazione degli organismi

Comunità(lupi + cervo + alberi)

(sistema di esseri viventi)

Ecosistema(tutti gli organismi viventi+ ambiente non vivente)

Ecosfera(insieme di tutti gli ecosistemi)

Livelli di organizzazione ecologica

Popolazione(branco di lupi)

Modalità di spiegazione

Livello Componenti

Olistica

Riduzionista

Universo L’intero cosmo

Sistema solare Il sole e i pianeti

Terra La biosfera e la componente terrestre non direttamente coinvolta negli ecosistemi

Biosfera La totalità degli ecosistemi terrestri

Ecosistema La comunità e il suo ambiente inorganico

Comunità L’insieme delle popolazioni che vivono in un dato ambiente

Popolazione Un gruppo di organismi appartenenti alla stessa specie che vivono nello stesso ambiente

Organismo vivente Un sistema uni- o pluri-cellulare che ha acquisito la capacità di assumere, immagazzinare ed utilizzare l’energia, la materia e l’informazione necessarie alla propria riproduzione

Sistema di organi Gruppo di organi coordinati in modo da svolgere una particolare funzione

Organo Gruppo di cellule simili, organizzate in modo da formare una unità strutturale, che svolge una particolare funzione

Tessuto Gruppo di cellule simili, organizzate in modo da formare una unità strutturale, che svolge una particolare funzione

Cellula Gruppo di organuli e di molecole, organizzate in modo da formare l’ unità fondamentale degli organismi viventi. E’ la più piccola unità capace di vita indipendente

Organulo Gruppo di molecole organizzate in una unità strutturale che svolge una particolare funzione

Molecola Gruppo di due o più atomi, organizzati in una unità strutturale tridimensionale mediante la formazione di legami chimici tra atomi

Atomo La più piccola unità di un elemento chimico che possiede ancora le proprietà di un elemento

Particella subatomica Elettroni, protoni, neutroni, ecc.

L’importante è non perdere il… “quadro di insieme”

Pissarro

L’unità fondamentale della materia vivente è la CELLULA, che è la più piccola unità capace di vita indipendente

SCHLEIDEN (botanico)SCHWANN (zoologo)

Fine del ‘1800TEORIA CELLULARE

Tutti gli organismi viventi sono costituiti da una (UNICELLULARi) o più cellule (PLURICELLULARI), che ne costituiscono le unità funzionali

VIRCHOW 1858 (patologo) Completamento della teoria:Dimostrazione che le cellule derivano esclusivamente per divisione da cellule pre-esistenti: “omnis cellula e cellula”

Robert HOOKE 1665 osservando fettine di sughero conia il termine cellula

Il carattere gerarchico dell’organizzazione cellulare

Cellula

Organuli

Complessi sopramolecolari

Macromolecole

Unità di base

Nucleo, mitocondri,Lisosomi, cloroplasti, ecc.

Ribosomi, membrane,Complessi enzimatici

Acidi nucleici Proteine LipidiPolisaccaridi

Nucleotidi Aminoacidi Acidi grassiGlicerolo

Monosaccaridi

Il sistema di nomenclatura binomiale

La scienza che studia la classificazione degli organismi è la TASSONOMIA (o biosistematica).

Nel XVIII secolo il botanico svedese CARLO LINNEO elaborò un metodo di classificazione che, pur con qualche modifica, è tutt’oggi in uso.

L’unità di base per la classificazione è la SPECIE. Le specie strettamente correlate fra di loro possono essere riunite in un GENERE.

Il sistema viene detto BINOMIALE perché a ciascuna specie viene attribuito un nome doppio.

La prima parte del nome indica il genere (la prima lettera in Maiuscolo), la seconda parte (tutto in minuscolo) indica il nome specifico. Il nome va scritto in corsivo.

Carl von Linneo(1707-1778)

Fondamentale visto che si conoscono 1,8 milioni di specie diverse.

Il sistema di nomenclatura binomiale

Esempi:

Cane Canis familiaris (abbreviazione: C. familiaris)Lupo Canis lupusGatto Felis domesticaQuercia Quercus roburUomo Homo sapiens

La classificazione tassonomica è gerarchica

Specie Generi Famiglie Ordini Classi

3Domini 6Regni Phyla

Una specie è un gruppo di organismi con struttura, funzione comportamentosimili; in natura, gli individui appartenenti alla stessa specie si incrociano solo tra loro, sono tra loro interfertili, e generano prole fertile.

MULO: l'incrocio tra un asino maschio (Asinus domesticus) e una cavalla (Equus caballus)

BARDOTTO: l'incrocio tra un‘asina e un cavallo

Categorie Gatto Scimpanzé Uomo QuerciaDominio Eukarya Eukarya Eukarya Eukarya

Regno Animale Animale Animale Vegetale

Phylum Cordata Cordata Cordata Antofite

Subphylum Vertebrati Vertebrati Vertebrati -

Classe Mammiferi Mammiferi Mammiferi Dicotiledoni

Ordine Carnivori Primati Primati Fagales

Famiglia Felini Pongidae Ominidi Fagacee

Genere e Specie

Felis catus

Pan troglodyetes

Homo sapiens

Quercus alba

UomoEukarya

Animale

Cordata

VertebratiMammiferi

Primati

Ominidi

Homo sapiens

Classificazione tassonomica della specie umana

La suddivisione in 6 REGNI degli esseri viventi1-Archibatteri 2-Eubatteri

3-Protisti 4-Funghi 5-Piante 6-Animali

Dal greco Karyon: nucleoEu: benePro: antico

L'albero genealogico dei viventi

1)Archibatteri2)Eubatteri3)Protisti4)Funghi5)Piante6)Animali

Batteri metanogeni

La maggior parte delle specie batteriche conosciute

Protozoi, alghe, (Euglena viridis)

Lieviti, Funghi, muffeAmanita

Piante non vascolarizzate (muschi) e vascolarizzate (felci conifere, piante a fiori) AbeteGatto

(Antrace)

archeobatteri sono circoscritti ad ambienti estremi

Le dimensioni in biologia…

Occhio umano

Integrare con le esercitazioni sulla microscopia ottica e a fluorescenza

LA COMPOSIZIONE CHIMICA DI UNA LA COMPOSIZIONE CHIMICA DI UNA CELLULA BATTERICACELLULA BATTERICA

4 % ioni, piccole molecole

2 % fosfolipidi1 % DNA

6 % RNA

15 % proteine

2 % polisaccaridiCellula batterica

20-30% è costituito da composti organici, costituiti da CARBONIO

di picole dimensioni: carboidrati, lipidi, aminoacidi, nucleotidi

di grosse dimensioni: acidi nucleici (DNA ed RNA)proteine

Ioni: 1%

Il principale costituente della materia vivente è l’acqua, H2O, 70-80% in peso

I componenti chimici della cellula possono essere classificati in componenti INORGANICI e ORGANICI

I componenti inorganici comprendono l’acqua (H2O) e ioni minerali (cationi ed anioni)

I cationi più importanti sono:Na+, K+, Ca++, Mg++

Gli anioni più importanti sono:Cl-, SO4

--, PO4---, CO3

Molecole costituenti, in media, una cellula procariotica (E. coli)

Composto % in peso N° di specie molecolari

Peso molecolare (dalton)

Numero di molecole

Acqua 71 1 18 40 miliardiproteine 15 ~3.000 20.000-40.000 1 miliardoAcidi nucleici DNA 1 1 circa 3 miliardi 1 RNA 6 ~1.000 25.000-1 milione mezzo milione

Piccoli composti organici Carboidrati e precursori 3 ~200 150 200 milioni Aminoacidi e precursori 0,4 ~100 120 30 milioni

Nucleotidi e precursori 0,4 ~200 300 12 milioni Lipidi e precursori 2 ~50 750 25 milioni Altri 0,2 ~200 150 15 milioniIoni inorganici 1 ~20 40 250 milioni

L’ACQUA è il maggior costituente della materia vivente

20-30% è costituito da composti organici, costituiti da CARBONIO

di picole dimensioni: carboidrati, lipidi, aminoacidi, nucleotidi

di grosse dimensioni: acidi nucleici (DNA ed RNA)proteine

Ioni: 1%

Il principale costituente della materia vivente è l’acqua, H2O, 70-80% in peso

AcquaH2O

L’H2O è il solo composto esistente

allo stato liquido in quantità

apprezzabile sul nostro pianeta

IMPORTANZA BIOLOGICA DELL’ACQUAIMPORTANZA BIOLOGICA DELL’ACQUA

La vita ha avuto origine nell’acqua e l’acqua è essenzialeper la vita:

a. la Terra come pianeta dell’acqua; molti organismi vivono nell’acqua (mari, laghi, fiumi, stagni)

b. la materia vivente ha evoluto numerosi meccanismi che sfruttano a proprio vantaggio le caratteristiche dell’acqua. Ad es., la sudorazione come mezzo per raffreddare l’organismo (l’acqua evaporando “si porta via” calore)

a. l’acqua è indispensabile a tutti gli organismi viventi, che se ne devono rifornire costantemente. Gli organismi hanno sviluppato meccanismi per ridurre le perdite di acqua.

a. l’acqua è la sostanza più abbondante nelle cellule; circa il 70-95% del peso corporeo di un organismo è costituito da acqua. La materia vivente deve essere considerata come una soluzione acquosa

e. cellula come un “autoscontro”: le molecole in continuo movimento entrano in collisione e possono stabilire diversi tipi di interazioni

L’ACQUA COME SOLVENTE UNIVERSALE L’ACQUA COME SOLVENTE UNIVERSALE PER GLI ESSERI VIVENTIPER GLI ESSERI VIVENTI

ossigeno

idrogeno

L’H2O è il solo composto esistente

allo stato liquido in quantità

apprezzabile sul nostro pianeta

PERCHE’???

Le proprietà dell’acqua:

1) Polarità 2) Coesione3) Adesione 4) Capillarità5) Alto calore specifico 6) Alto calore di evaporazione7) Tendenza a dissociarsi

1) Polarità Essa è dovuta a una diversa distribuzione delle cariche elettriche tra l’ossigeno e gli atomi di idrogeno. Essendo una molecola polare, l’acqua è un ottimo solvente per soluti ionici e polari

Atomo di ossigeno è più elettronegativo (tende ad attrarre gli elettroni) → parziale carica negativa; atomi di idrogeno → parziale carica positiva

Estremità con una parziale carica positiva e l’altra negativa

2) CoesioneEssa è dovuta ai legami a idrogeno tra le molecole d’acqua. La coesione spiega alcune caratteristiche dell’acqua, come la sua elevata tensione superficiale (alcuni insetti possono camminare sull’acqua) e il suo 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 intramoleolcare)

LEGAME A IDROGENOLEGAME A IDROGENO

LEGAMI A IDROGENOLEGAMI A IDROGENO TRA MOLECOLE D’ACQUATRA MOLECOLE D’ACQUA

Ciascuna molecola d’acqua può formare legami ad idrogeno con un massimo di 4 molecole di acqua

3) Adesione L’adesione è dovuta a legami a idrogeno tra l’acqua e altre sostanze polari.

2) Coesione + 3) Adesione

I legami a idrogeno rendono l’acqua sia coesiva (tendenza delle molecole d’acqua ad attaccarsi le une alle altre) che adesiva (tendenza delle molecole d’acqua ad attaccarsi ad altri composti).

La coesione delle molecole d’acqua spiega l’elevata tensione superficiale dell’acqua.

TENSIONE SUPERFICIALE DELL’ACQUA

4) CapillaritàCoesione e adesione dell’acqua spiegano il fenomeno della capillarità, cioè la capacità di risalire all’interno di tubi molto stretti contro la forza di gravità, come si osserva nelle piante.

Le forze di adesione e di coesione dell’acqua sono responsabili

dei fenomeni di capillarità, ovvero la tendenza dell’acqua a risalire all’interno di tubi molto stretti, come avviene nel caso delle piante

5) Alto calore specifico Definizione: quantità di calore che un grammo di una sostanza deve assorbire per aumentare la sua temperatura di un grado centigrado.

L’acqua possiede una alto calore specifico a seguito dei numerosi legami a idrogeno tra le molecole d’acqua. Ciò consente agli organismi di mantenere relativamente costante la temperatura interna e fa sì che gli oceani e le altre masse d’acqua mantengano una temperatura costante.L'acqua a 15°C ha un calore specifico di 1 cal / (g × °C) mentre l'alcol etilico 0,581 cal / (g × °C).

6) Alto calore di evaporazioneDefinizione: quantità di energia necessaria per convertire un grammo di liquido in vapore.

Le molecole d’acqua, quando passano allo stato di vapore, portano con loro una grande quantità di calore, determinando così un raffreddamento per evaporazione.

7) Tendenza a dissociarsi Ciò dà luogo a ioni idrogeno (protoni, H+) e ioni idrossido (OH-).

Le tre forme dell’acqua differiscono nel grado di formazione dei legami a idrogeno

LE TRE FORME DELL’ACQUA

Ghiaccio (densità inferiore del10% rispetto all’acqua liquida)

acqua liquida

vapor acqueo

Come si sciolgono le sostanze in H2O?

Composti ionici (sali)

Composti polari (carboidrati,

aminoacidi, nucleotidi)

Composti apolari

Composti anfipatici

idrofiliche

idrofobiche

L’acqua è un solvente di composti ionici (es., i sali) e di composti polari (carboidrati, aminoacidi, nucleotidi). Le molecole che si sciolgono in acqua sono dette polari o idrofiliche.

MOLECOLE IDROFILICHE

Nell’acqua non sono solubili le molecole apolari (molecole sulla cui superficie non si verifica uno sbilanciamento nella distribuzione degli elettroni). Le molecole che non sono solubili in acqua sono dette apolari o idrofobiche.

MOLECOLE IDROFOBICHE