Riassunto esame biologia generale, prof. Vaccari, libro consigliato Elementi di biologia, Solomon

Biologia

1. Uno sguardo sulla vita

Le cellule staminali sono cellule non specializzate che possono dividersi, ad esempio le

cellule pluripotenti, che danno origine a tutti i tipi di tessuto. gli scienziati hanno scoperto

come indurre il loro differenziamento per riprogrammare il genoma.

I temi della biologia sono:

Interazioni tra sistemi biologici e la loro struttura e funzionamento

 informazioni trasmesse all’interno degli organismi

 Vita che dipende da energia

 Evoluzione e processo tramite cui le popolazione combacino nel tempo



1.2 le caratteristiche della vita

Le caratteristiche della vita sono:

Organizzazione

 Crescita e sviluppo

 Metabolismo che si autoregola

 Riproduzione

 Adattamento ai cambiamenti ambientali

 Rispondere agli stimoli



Gli organismi sono composti da cellule generate dalla divisione di cellule preesistenti

(teoria cellulare). Gli organismi possono essere monocellulari o pluricellulari; le cellule

possono essere procariotiche (batteri e archeobatteri) o eucariotiche. Ogni cellula è

circondata da una membrana plasmatica, ha un’informazione genetica (DNA o RNA) e ha

delle strutture per svolgere delle funzioni (organuli).

Gli organismi crescono e si sviluppano. Con crescita biologica si intente l’aumento del

numero o delle dimensioni delle cellule e la crescita di un organismo può essere uniforme

o secondo delle proporzioni che cambiano. Lo sviluppo comprende tutti i cambiamenti che

avvengono durante la vita di un organismo.

Negli organismi viventi avvengono reazioni chimiche e trasformazioni energetiche, che

devono essere regolate per mantenere l’omeostasi. L’insieme delle attività chimiche è

chiamato metabolismo.

Gli organismi derivano da altri preesistenti tramite la riproduzione, che può essere

asessuata o sessuata (variabilità genetica).

Le popolazioni si evolvono e si adattano. Gli adattamenti sono caratteri ereditari che

migliorano le capacità di sopravvivere e possono essere strutturali, fisiologici o

comportamentali.

Gli organismi rispondono a stimoli che possono essere fisici o chimici e esterni o interni. La

risposta è il movimento, diverso dalla locomozione, ad esempio con flagelli, ciglia o

muscoli.

1.3 livelli di organizzazione biologica

La gerarchia è composta da livelli e ogni livello ha le sue proprietà emergenti, cioè

caratteristiche non presenti ai livelli inferiori.

1.4 la trasmissione delle informazioni

Nel 1953 Watson e Crick scoprono la struttura del DNA. È una molecola formata da due

catene di atomi avvolta a doppia elica ed è composta da quattro tipi di nucleotidi. La

sequenza di tre nucleotidi formano un gene, che è un codice che indentifica per una

proteina.

1.5 l’energia della vita

Il Sole fornisce la maggior parte dell’energia, il cui scambio è richiesto per i processi vitali.

Un ecosistema autosufficiente è formato da un ambiente fisico con:

Produttori autotrofi (piante, alghe e alcuni batteri) che ricavano le risposte da

 materie prime. Ad esempio la fotosintesi usa l’energia solare, mentre la respirazione

cellulare usa l’energia ricavata dalla rottura dei legami chimici.

Consumatori eterotrofi che dipendono dai produttori e possono essere primari (si

 nutrono direttamente dei produttori) o secondari (si nutrono dei primari).

Decompositori eterotrofi (funghi e batteri) che si nutrono di materia organica non

 vivente.

1.6 l’evoluzione: il concetto di base unificante della

biologia

L’evoluzione è il processo con cui le popolazioni cambiano nel tempo e consiste nel

passaggio di geni da una generazione all’altra generando differenze.

La sistematica studia la diversità tra gli organismi e le loro correlazioni evolutive e la

tassonomia è la scienza della nomenclatura e della classificazione (dominio, regno,

phylum, subphylum, classe, ordine, famiglia, genere, specie).

La specie è un gruppo di organismi con struttura, funzione e comportamento simili; è

formata da popolazioni che contribuiscono a un pool genico (geni) che deriva da un

antenato comune. Le specie sono unite a formare un genere; il genere e le specie seguono

la nomenclatura binomiale di Linneo e hanno un epiteto specifico.

I regni sono piante, animali e funghi, mentre i domini sono bacteria, archea e eukarya.

Un clade è un gruppo di organismi con un antenato comune.

La teoria dell’evoluzione di Darwin dice che:

I membri di una specie sono diversi

 Ci sono più organismi di quelli in grado di sopravvivere, perciò lottano per le risorse

 limitate

Gli organismi che hanno caratteristiche più vantaggiose per ottenere le risorse

 sopravvivono più facilmente e generano una prole con le stesse caratteristiche,

l’ambiente seleziona gli organismi più adatti.

Le caratteristiche sono date da evoluzioni casuali (cambiamenti fisici o chimici del

 DNA) che vengono ereditate

Tutto questo processo è chiamato selezione naturale.

1.7 il procedimento scientifico

Il procedimento scientifico è investigativo e dinamico, diverso dal metodo scientifico che è

ordinato.

Il ragionamento può essere:

Deduttivo, si inizia con informazioni (premesse) per arrivare a una conclusione; si

 scoprono le relazioni

Induttivo, si parte da un’osservazione e si cerca il principio generale; si organizza in

 categorie

L’ipotesi è la spiegazione possibile di fenomeni su cui gli scienziati possono fare delle

previsioni, cioè conseguenze logiche e deduttive. Le ipotesi devono essere coerenti e

analizzabili, sia che i risultati siano negativi che positivi, e devono essere riproducibili dai

risultati tramite degli esperimenti. Le ipotesi posso no derivare dai modelli.

La teoria scientifica è la spiegazione integrata di più ipotesi. La biologia dei sistemi o

integrativa è la branca della biologia che si basa sulle informazioni dall’approccio

riduzionistico.

Il gruppo sperimentale è diverso dal gruppo di controllo solo per la variabile che si

analizza.

2. atomi e molecole: la base chimica della vita

L’idrogeno (H) e l’elio (He) son nati con il big bang, tutti gli altri elementi sono stati formati

dai processi presenti nelle stelle.

Il biochimico studia le interazioni tra atomi e molecole. Il biologo molecolare studia come

le proteine interagiscono con il DNA (espressione genica). Il biologo evoluzionista studia le

relazioni evolutive comparando il DNA. L’ecologo studia come l’energia si trasferisce negli

organismi. Il botanico studia i composti delle piante. Il fotochimico cerca fonti di agenti

terapeutici.

2.1 elementi e atomi

Gli elementi sono sostanze che non possono essere scisse e sono rappresentati da un

simbolo chimico. C, O, H e N formano il 96% della massa degli organismi; P, K Mg, Ca, I e

Cu compongono l’altro 4%.

L’atomo è la più piccola porzione di un elemento che mantiene le sue proprietà chimiche,

è formato da particelle subatomiche (elettroni, protoni e neutroni). Dal numero di protoni si

ricava il numero atomico; il numero di massa è la somma del numero di protoni e neutroni.

−24

Le masse sono espresse in unità di massa atomica (uma) o dalton. 1uma=1,7 × 10 g

Gli isotopi sono atomi con lo stesso numero atomico e diverso numero di massa, quindi

cambia il numero di neutroni. Ad esempio prozio, deuterio e trizio sono i tre isotopi

dell’idrogeno con rispettivamente, zero, uno e due neutroni (unici isotopi ad avere un

nome proprio). Alcuni isotopi sono instabili e decadono diventando radioisotopi che

14 C

emettono radiazioni. Un esempio è il decadimento del : la decomposizione di un

6

neutrone porta alla formazione di un protone e un elettrone veloce viene emesso come

14 N

particella β: il risultato è un atomo stabile di . La radioattività viene rivelata con un

7

autoradiografia. Gli isotopi sono metabolizzati nello stesso modo degli atomi normali negli

organismi.

Gli elettroni si muovono in regioni di spazio chiamate orbitali, cioè nubi elettroniche sono

aree in cui è più probabile che ci siano gli elettroni (si vede dalla densità). Ogni orbitale

contiene due elettroni due elettroni e determina l’energia dell’elettrone. Gli elettroni posti

in orbitali con energia simile formano un guscio elettronico; quelli più lontani dal nucleo

hanno un’energia maggiore, necessaria appunto per allontanarsi, perché elettroni e nucleo

hanno cariche opposte. Il guscio di valenza ospita gli elettroni dell’ultimo guscio e gli

elettroni di valenza determinano il comportamento chimico. Gli elettroni possono spostarsi

da un orbitale all’altro ricevendo o rilasciando energia.

2.3 le reazioni chimiche

Il guscio di valenza è completo con otto elettroni e se non è completo l’atomo cede,

condivide e acquista elettroni. Il guscio di valenza degli isotopi di uno stesso elemento

sono uguali.

Atomi diversi si combinano a formare composti chimici, che consistono di atomi di due o

più elementi differenti combinati in rapporti fissi. Gli atomi che si combinano chimicamente

vanno a formare le molecole.

Le formule possono essere:

Chimiche e descrivere la composizione chimica

 Semplici o empiriche e descrivono i rapporti minimi tra gli atomi

 Molecolari e descrivono i rapporti reali tra atomi

 Di struttura e descrivono il tipo e il numero di atomi e i loro legami



La mole è la quantità di un elemento o di un composto la cui massa in grammi è uguale

23

alla massa atomica. Contiene sempre lo stesso numero di unità, cioè che è il

6,02× 10

numero di Avogadro. +

A B↔ C+ D

Un equazione chimica è formata da , dove A e B sono i reagenti e C e D i

prodotti. La doppia freccia (una sopra e una sotto in direzioni opposte) indica un equilibrio

dinamico, possibile se la velocità di reazione è uguale in entrambe le direzioni.

2.3 i legami chimici

Gli atomi sono tenuti insieme dai legami chimici e l’energia di legame è l’energia

necessaria per rompere un legame.

LEGAME COVALENTE

Prevede la condivisione degli elettroni e può essere semplice, doppio o triplo se viene

condivisa rispettivamente una, due o tre coppie di elettroni. Gli atomi condividono elettroni

e formano molecole chiamate composti equivalenti, rappresentati da formule di strutture

di Lewis.

Una molecola con due atomi ha una forma lineare, se ne ha di più la sua geometria è

diversa; la forma geometrica fa sì che si abbia la distanza giusta tra gli atomi per

controblanciare la repulsione dei doppietti elettronici. Quando due atomi si legano si può

avere che si arrangino gli orbitali del guscio di valenza, portando all’ibridazione degli

orbitali.

L’elettronegatività è la misura dell’attrazione di un atomo verso gli elettroni condivisi nei

legami chimici. Se è uguale gli elettroni sono condivisi in modo equo, formando un legame

covalente apolare; se è diversa gli elettroni sono attratti dal nucleo dell’atomo più

elettronegativo, formando un legame covalente polare. Quest’ultimo ha due poli, uno con

parziale carica positiva e l’altro con carica parziale negativa.

LEGAME IONICO

Uno ione è una particella con unità di carica elettrica. Se accetta elettroni è chiamato

anione (negativo), mentre se li perde si chiama protone (positivo). Lo ione può essere

composto da più atomi e venire quindi chiamato ione poliatomico.

Un legame ionico si forma per l’attrazione elettrostatica tra ioni di segno opposto. Quello

che si forma è un composto ionico, non una molecola, ed è solitamente solido a

temperatura ambiente, questo perché i legami ionici sono forti. In acqua il composto ionico

si scioglie perché è polare come l’acqua (simile scioglie simile).

LEGAME A IDROGENO

È un interazione debole tra molecole, non tra atomi. Un H legato a O o N accumula una

carica positiva perché il suo elettrone è più vicino agli altri atomi più elettronegativi. L’H

positivo formerà legami con altri atomi di altri composti che hanno parziali cariche

negative. I legami a idrogeno hanno lunghezza e orientamento preciso.

INTERAZIONI DI VAN DER WAALS

Molecole apolari (elettricamente neutre) possono sviluppare regioni con deboli cariche, che

si sviluppano per il movimento egli elettroni; una regione con eccesso temporaneo di

elettroni ha carica negativa, mentre regioni con difetto di elettroni hanno carica negativa.

Molecole vicine possono interagire mediante regioni con carica opposta e formare forze

attrattive deboli tra distanze piccole.

2.4 le reazioni redox

È il trasferimento di elettroni tra una sostanza e un’altra in una reazione chimica.

L’ossidazione è la perdita di elettroni, mentre la riduzione è l’acquisto di elettroni;

avvengono contemporaneamente (ossidante e riducente).

2.5 l’acqua

Le molecole di H O sono polari e può fare legami a idrogeno con altre quattro molecole

2

d’acqua vicine. Questo fa sì che abbia proprietà coesive e adesive (si attacca ad altre

sostanze con cariche). Questo porta a un azione capillare e alla tensione superficiale,

infatti grazie alla coesione le molecole d’acqua hanno maggiore attrazione le une con le

altre che con le molecole d’aria.

Le sostanze idrofiliche sono composti polari che interagiscono con l’acqua, al contrario

delle sostanze idrofobiche che sono apolari.

FORME DELL’ACQUA

L’acqua può presentarsi sotto forma di gas (vapore acqueo), di liquido o di solido cristallino

(ghiaccio).

Con l’aumento della temperatura aumenta l’energia cinetica e termica delle particelle.

L’energia fornita è usata per rompere i legami a idrogeno, solo una parte è usata per

aumentare il movimento delle paricelle e quindi la temperatura.

Il calore di vaporizzazione è l’energia termica necessaria per far passare un grammo di

sostanza dallo stato liquido allo stato di vapore ed è espresso in calorie (1 cal = 4,184 j). Il

calore di vaporizzazione dell’acqua è alto a causa dei legami a idrogeno; le molecole in

rapido movimento tendono ad abbandonare la fase liquida e a trasformarsi in vapore

acqueo, portando con sé l’energia termica e abbassando quindi la temperatura

(raffreddamento per evaporazione). Anche il suo calore specifico (energia necessaria per

innalzare la temperatura) è elevato, sempre a causa dei legami a idrogeno. Questi tengono

anche le molecole alla massima distanza nel ghiaccio, facendo sì che sia meno denso

dell’acqua allo stato liquido.

2.6 acidi e basi

L’ H O tende a dissocarsi in OH e H ; quest’ultimo non sta da solo .a è attratto da una

- +

2

molecola di H O diventando H O . Le loro concentrazioni sono uguali, quindi l’acqua è una

+

2 3

soluzione neutra.

Un acido è una sostanza che in soluzione si dissocia producendo H e anioni (donatore di

+

protoni). Una base è una sostanza che in soluzione si dissocia a formare OH e cationi

-

(accettore di protoni). Il grado di acidità è espresso con il pH, che va da zero a sette negli

+¿

¿

H

¿

acidi e da sette a quattordici nelle basi; si calcola con ( logaritmo negativo in

¿

−log ¿

10

base dieci della concentrazione di H ).

+

Un tampone è una sostanza che si oppone alla variazione del pH ed è molto utile per

mantenere l’omeostasi. Un tampone può essere formato da acido debole e base forte o da

un acido forte e base debole. Ad esempio la CO è uno scarto del metabolismo dei

2

vertebrati; questa con H O forma l’acido carbonilico H CO , che è un acido debole che si

2 2 3

-

O

dissocia in H e nello ione bicarbonato HC .

+ 3

I sali sono composti da un acido e una base che reagendo vanno a formare apponto il sale

più acqua. In acqua i sali conducono carica elettrica, sono quindi elettroliti.

3 la chimica della vita: i composti organici

Gli atomi di C uniti con legami covalenti ad altri C o con H, O, N, P e S sono chiamati

composti organici, che si possono sintetizzare da composti inorganici. Il carbonio ha

quattro elettroni di valenza, quindi più fare quattro legami covalenti non complanari, cioè

con angoli di 109,5°. I legami possono essere singoli e quindi avere rotazione libera oppure

essere doppi o tripli che non hanno rotazione libera e quindi non sono flessibili. I composti

formati da C e H sono chiamati idrocarburi.

Gli isomeri sono composti con la stessa formula molecolare, ma con strutture e proprietà

diverse. Possono essere strutturali, cioè che cambia la disposizione covalente degli atomi

di catena o di gruppo funzionale; oppure possono essere geometrici dove cambia la

disposizione spaziale dei gruppi (isomeri cis o trans). Gli enantiomeri sono due isomeri che

sono l’uno l’immagine dell’altro e quindi non sono sovrapponibili; hanno proprietà uguali,

ma le cellule sono in grado di distinguere tra i due isomeri, uno solo dei quali è presente

negli organismi. Negli enantiomeri se il carbonio è legato a quattro gruppi diversi, questo

viene chiamato chirale.

GRUPPI FUNZIONALI

Gli idrocarburi non hanno regioni cariche, sono quindi idrofobici.

I gruppi funzionali determinano proprietà e tipi di reazione:

Gruppo metilico R-CH

 3

Gruppo ossidrilico R-OH è polare perché l’ossigeno è più elettronegativo e attira gli

 elettroni assumendo una carica negativa

Gruppo carbonilico R=O è idrofilico

 Gruppo aldeidico R-COH

 Gruppo chetonico R-CO-R

 Gruppo carbossilico R-COOH dove gli