Biologia C3

Creative Commons BY

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ISBN 9788896354599

Biologia C3

Biologia C3

Manuale di Biologia per la secondaria di secondo grado

Autori

Prima stesura: Loredana Palumbo

Revisione dei contenuti: Anna Rainone

Revisione del testo: Elisabetta Leonetti

Coordinatore editoriale: Antonio Bernardo

Immagini realizzate da Ginger Lab - www.gingerlab.it

© Matematicamente.it

www.matematicamente.it - info@matematicamente.it

Febbraio 2014

ISBN 9788896354599

Progetto Educationalab

Mobility IT srl

Questo libro è rilasciato con licenza

Creative Commons BY

Ultima revisione 28.02.2014

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Biologia C3

Presentazione

Questo ebook fa parte di una collana di ebook con licenza Creative Commons per la scuola. Il titolo Biologia C3 vuole indicare che il progetto è stato realizzato in modalità Collaborativa e con licenza Creative Commons, da cui le tre “C” del titolo. Non vuole essere un trattato completo sull’argomento ma una sintesi sulla quale l’insegnante può basare la sua lezione, indicando poi testi e altre fonti per gli approfondimenti. Lo studente può consultarlo come riferimento

In sostanza l’idea è stata essenziale da cui partire per approfondire.

Quella di indicare il nocciolo essenziale della disciplina, nocciolo largamente condiviso dagli insegnanti. La licenza Creative Commons scelta permette non solo di fruire liberamente l’ebook ma anche di modificarlo e personalizzarlo secondo le esigenze dell’insegnante e della classe. 3

Biologia C3

Indice

Presentazione .......................................................................................... 3

1. Il trasporto attraverso la membrana plasmatica .................................. 8

1.1 La membrana plasmatica .............................................................. 8

1.2 Il trasporto passivo ...................................................................... 10

1.3 Il trasporto attivo ......................................................................... 18

Approfondimenti ............................................................................... 22

2. Il metabolismo cellulare .................................................................... 23

2.1 Catabolismo e anabolismo .......................................................... 23

2.2 L’energia ..................................................................................... 25

2.3 ATP: il trasportatore dell’energia ............................................... 26

2.4 Gli enzimi: catalizzatori biologici ............................................... 27

2.5 La respirazione cellulare ............................................................. 31

2.6 La cattura dell’energia attraverso la fotosintesi .......................... 44

Approfondimenti ............................................................................... 47

3. La divisione cellulare ........................................................................ 48

3.1 Finalità della divisione cellulare ................................................. 48

3.2 I cromosomi ................................................................................ 50

3.3 Il ciclo cellulare........................................................................... 53

3.4 Mitosi .......................................................................................... 56

3.5 Citodieresi ................................................................................... 60

3.6 Divisione cellulare nelle cellule procariote ................................. 60

3.7 Regolazione del meccanismo di divisione cellulare ................... 61

3.8 Riproduzione agamica e gamica ................................................. 63

3.9 Meiosi ......................................................................................... 65

3.10 Un errore durante la meiosi....................................................... 69

3.11 Mitosi e meiosi a confronto ...................................................... 70

Approfondimenti ............................................................................... 72

4. L’ereditarietà ..................................................................................... 73

4.1 Eredità per mescolanza ed eredità particolata ............................. 73

4.2 Gli esperimenti di Mendel .......................................................... 73

4.3 Le leggi di Mendel ...................................................................... 77

4.4 Fenomeni ereditari complessi ..................................................... 86

4.5 La teoria cromosomica dell’ereditarietà ..................................... 88

Approfondimenti ............................................................................... 90

5. Struttura e duplicazione del DNA ..................................................... 91

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5.1 Il DNA e il materiale genetico .................................................... 91

5.2 La struttura della molecola del DNA .......................................... 94

5.3 Duplicazione del DNA ................................................................ 98

5.4 La funzione dei geni.................................................................. 102

5.5 Il codice genetico ...................................................................... 104

5.6 RNA messaggero ...................................................................... 107

Approfondimenti ............................................................................. 108

6. La sintesi proteica ........................................................................... 110

6.1 Trascrizione............................................................................... 110

6.2 Traduzione ................................................................................ 115

6.3 Mutazioni geniche ..................................................................... 117

Approfondimenti ............................................................................. 120

7. I tessuti cellulari .............................................................................. 121

Dalla cellula all’organismo

7.1 ....................................................... 121

7.2 Tessuti epiteliali ........................................................................ 121

7.3 Tessuti connettivi ...................................................................... 122

7.4 Tessuti muscolari ...................................................................... 123

7.5 Tessuto nervoso ........................................................................ 124

8. Sistemi e apparati ............................................................................ 125

8.1 Il sistema tegumentario ............................................................. 126

8.2 L’apparato scheletrico ............................................................... 128

8.3 L’apparato muscolare .............................................................. 131

9. Nutrizione e apparato digerente ...................................................... 137

9.1 Il cibo come fonte di energia .................................................... 137

I carboidrati ................................................................................. 139

I lipidi .......................................................................................... 140

Le proteine .................................................................................. 141

Le vitamine ................................................................................ 143

I minerali .................................................................................... 145

9.2 Rischi legati all’alimentazione sbagliata .................................. 146

9.3 Apparato digerente .................................................................... 148

Approfondimenti ............................................................................. 156

10. La circolazione e la respirazione ................................................... 157

10.1 Le componenti del sangue ...................................................... 157

10.2 La circolazione in sistemi aperti o chiusi ................................ 163

10.3 Sistema circolatorio ................................................................ 166

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10.4 Malattie cardiache ................................................................... 168

10.5 Circolazione linfatica .............................................................. 169

10.6 Apparato respiratorio .............................................................. 170

Approfondimenti ............................................................................. 176

11. Il sistema immunitario .................................................................. 177

11.1 La difesa contro i microrganismi patogeni ............................. 177

11.2 Risposta immunitaria mediata da anticorpi............................. 181

11.3 Risposta immunitaria mediata da cellule ................................ 184

11.4 Malattie legate al mal funzionamento del sistema immunitario

......................................................................................................... 185

11.5 I gruppi sanguigni .................................................................. 187

11.6 Vaccinazione e sieroterapia .................................................... 190

Approfondimenti ............................................................................. 192

12. Il sistema endocrino ...................................................................... 193

12.1 I messaggeri chimici ............................................................... 193

12.2 Il sistema endocrino ................................................................ 196

Approfondimenti ............................................................................. 206

13. Il sistema escretore ........................................................................ 207

13.1 Il sistema escretore .................................................................. 207

13.2 Reni ......................................................................................... 210

13.3 Ureteri, vescica urinaria e uretra ............................................. 214

13.4 Insufficienza renale ................................................................. 214

14. Il sistema nervoso ......................................................................... 217

14.1 Il sistema nervoso ................................................................... 217

14.2 Propagazione dell’impulso nervoso ........................................ 220

14.3 Sinapsi ..................................................................................... 224

14.4 Il sistema nervoso centrale ...................................................... 226

14.5 Il sistema nervoso periferico ................................................... 232

14.6 I recettori ................................................................................. 236

Approfondimenti ............................................................................. 243

15. Riproduzione e sviluppo ............................................................... 244

15.1 Riproduzione e sviluppo ......................................................... 244

15.2 Apparato riproduttore maschile .............................................. 245

15.3 Apparato riproduttore femminile ............................................ 248

15.4 Ciclo mestruale ....................................................................... 251

15.5 Fecondazione .......................................................................... 254

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15.6 Sviluppo embrionale ............................................................... 255

15.7 Metodi contraccettivi .............................................................. 259

15.8 Tecniche per aumentare la fertilità ......................................... 262

Approfondimenti ............................................................................. 264

Indice delle figure e fonti ................................................................ 265

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Il trasporto attraverso la membrana plasmatica

La membrana plasmatica

Tutte le cellule sono rivestite da membrane plasmatiche che svolgono diverse funzioni:

• Separare ambiente intracellulare o citosol, l’interno della cellula, dall’esterno, ambiente extracellulare;
• Regolare gli scambi tra l’esterno e l’interno della cellula consentendo l’entrata dei materiali utili alla cellula, come ad esempio le sostanze nutritive e la fuoriuscita di sostanze di rifiuto prodotte dal metabolismo cellulare;
• Riconoscere le altre cellule, ad esempio quelle dannose, come i microrganismi patogeni;
• Assicurare sostegno alla cellula;
• Ricevere i segnali prodotti da ormoni e neurotrasmettitori che inducono nella cellula una risposta metabolica.

All’interno della cellula vi sono anche altre membrane che circondano gli organuli cellulari (nucleo, mitocondri, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi ecc.), che svolgono le stesse funzioni della membrana plasmatica e hanno composizione simile.

Osservando una cellula al microscopio elettronico è possibile analizzare la struttura della membrana plasmatica, costituita da un doppio strato fosfolipidico dove ogni molecola di fosfolipide è formata da una testa idrofila polare (solubile nei composti polari come ad esempio l’acqua) ed è composta anche da un gruppo fosfato e da due code idrofobe apolari (non solubili in acqua ma solubile nei composti apolari) costituite da due acidi grassi. I fosfolipidi, in presenza di acqua si organizzano spontaneamente e formano un doppio strato, dove uno aderisce all’altro tramite le code idrofobe mentre le teste idrofile sono disposte all’esterno e rivolte verso gli ambienti acquosi, ovvero l’ambiente extracellulare e quello endocellulare.

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Membrana plasmatica

All’interno del doppio strato fosfolipidico si inseriscono delle proteine che possono essere estrinseche o periferiche ed intrinseche o integrali.

Le proteine estrinseche si trovano sulla superficie esterna o interna della membrana, alcune di esse si legano con molecole di carboidrati formando le glicoproteine che sporgono dalla superficie della

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membrana e fungono da recettori per ormoni. Grazie ad esse è inoltre possibile riconoscere cellule estranee come microrganismi patogeni che devono necessariamente restare fuori dalla cellula.

Le proteine intrinseche sono completamente immerse nel doppio strato fosfolipidico e alcune di esse fungono da canali per il passaggio di sostanze all’interno o all’esterno della cellula.

Un altro componente presente solo nella membrana plasmatica delle cellule animali è il colesterolo, che serve a dare sostegno e flessibilità alla cellula, infatti a basse temperature il colesterolo impedisce l’irrigidimento della membrana mentre ad elevate temperature impedisce che diventi troppo fluida. Il sostegno viene assicurato, oltre che dal colesterolo, da proteine presenti sulla superficie interna della membrana cellulare che si uniscono al citoscheletro conferendo stabilità alla cellula mentre nelle cellule vegetali il sostegno viene assicurato dalla parete cellulare.

La membrana plasmatica è quindi una struttura resistente ma nello stesso tempo flessibile, ha una consistenza oleosa ed è definita dai biologi una struttura a mosaico fluido. Infatti è costituita da proteine distribuite come pezzi di un mosaico nel doppio strato fosfolipidico e fluida perché le proteine possono muoversi al suo interno.

La membrana plasmatica, come abbiamo visto precedentemente, regola il passaggio delle sostanze che entrano e che escono dalla cellula, essa è selettivamente permeabile nel senso che non lascia entrare facilmente tutte le sostanze. Alcune, soprattutto quelle di dimensioni maggiori e non solubili ai lipidi, devono entrare con meccanismi che richiedono un consumo di energia come il trasporto attivo, mentre le sostanze di dimensioni più piccole possono essere trasportate fuori e dentro la cellula tramite meccanismi che non richiedono consumo di energia come la diffusione e l’osmosi.

Il trasporto passivo

All’interno della cellula devono poter entrare sostanze (ossigeno, acqua, amminoacidi, zuccheri, grassi) necessarie a ricevere energia e svolgere tutte le funzioni vitali e devono fuoriuscire le proteine prodotte all’interno della cellula e le sostanze di rifiuto, come anidride carbonica e urea.

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Le molecole inorganiche di piccole dimensioni come l’ossigeno, l’anidride carbonica e l’acqua attraversano la membrana plasmatica tramite meccanismi che non richiedono il consumo di energia ovvero la diffusione semplice e l’osmosi.

Diffusione semplice

La membrana plasmatica è permeabile all’acqua e all’anidride carbonica pertanto si lascia facilmente attraversare da queste molecole inorganiche.

L’ossigeno entra all’interno della cellula attraversando delle piccole aperture temporanee, generate dalla fluidità dei fosfolipidi e delle proteine, in maniera spontanea e secondo il gradiente di concentrazione, cioè passando da una regione in cui è maggiormente concentrato (ambiente esterno) verso una regione in cui è presente in concentrazione minore (ambiente endocellulare). Questo passaggio va avanti fino al raggiungimento dell’equilibrio, cioè fino a quando la sua concentrazione all’esterno è uguale alla concentrazione all’interno della cellula. Si tratta però di un equilibrio dinamico ovvero le molecole di ossigeno continuano a muoversi ma la quantità di quelle che entrano è uguale alla quantità di quelle che escono.

Anche l’anidride carbonica, prodotta dalle reazioni cellulari, segue il meccanismo di diffusione semplice ma fuoriesce dalla cellula, in quanto la sua concentrazione è più elevata all’interno rispetto all’esterno.