Cristina Cavazzuti Daniela Damiano Biologia Cavazzuti Damiano Biologia

Cristina Cavazzuti Daniela Damiano Biologia Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

Capitolo 1 La vita e le sue molecole 1. La biologia studia le caratteristiche della vita 2. L’acqua e le sue proprietà 3. I composti del carbonio 4. I carboidrati e i lipidi 5. Le proteine e gli acidi nucleici Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

Lezione 1 La biologia studia le caratteristiche della vita Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

1. Per studiare la natura occorre applicare il metodo scientifico La parola biologia deriva dal greco bios, vita, e logos, discorso. La biologia studia quindi la vita. Fin dall’antichità gli uomini hanno appreso alcune nozioni di biologia per sopravvivere (distinzione tra piante velenose e piante commestibili, per esempio). Aristotele (343 a. C. ) fu il primo a compiere studi di biologia accurati. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

1. Per studiare la natura occorre applicare il metodo scientifico Un fondamentale contributo alla scienza della vita venne dall’invenzione del microscopio a opera di Antony Van Leeuwenhoek. Grazie a Galileo Galilei la biologia divenne una scienza sperimentale: egli introdusse il metodo scientifico che consente la verifica delle ipotesi attraverso l’esperimento. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

2. Le proprietà uniche degli esseri viventi Per distinguere la vita dalla non vita i biologi hanno identificato delle proprietà comuni a tutti gli esseri viventi: 1. organizzazione; 2. autoregolazione; 3. crescita e sviluppo; Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

2. Le proprietà uniche degli esseri viventi 4. dipendenza da fonti esterne; 5. risposta agli stimoli; 6. riproduzione; 7. evoluzione. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

3. L’organizzazione gerarchica della materia e della vita La cellula è formata da atomi che costituiscono la materia. Gli atomi possono associarsi e formare molecole. In natura esistono due tipi di cellule: • le cellule procariotiche, come quelle dei batteri; • le cellule eucariotiche, che costituiscono le piante, gli animali e i funghi. Le cellule procariotiche hanno dimensioni più piccole e struttura più semplice. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

3. L’organizzazione gerarchica della materia e della vita Cellule simili formano i tessuti, che possono unirsi in organi, sistemi che insieme formano un organismo. Gli organismi della stessa specie formano una popolazione. Le popolazioni che vivono in uno stesso luogo compongono la comunità. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

4. In passato si pensava che gli organismi nascessero anche dalla materia inanimata Fino al diciassettesimo secolo la teoria della generazione spontanea fu sostenuta da molti studiosi e pensatori. Nel 1668 Francesco Redi sottopose tale teoria a verifica sperimentale. La carne chiusa nel contenitore, pur diventando putrida, non generò alcuna forma di vita. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

4. In passato si pensava che gli organismi nascessero anche dalla materia inanimata Fu Louis Pasteur, nel 1861, a confutare definitivamente la teoria della generazione spontanea. Secondo la teoria della biogenesi tutti gli esseri viventi sono generati da altri esseri viventi. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

Lezione 2 L’acqua e le sue proprietà Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

5. Gli elementi chimici indispensabili alla vita sono sei Tutta la materia presente nell’Universo è fatta da atomi, che combinandosi tra loro possono formare elementi (sostanze pure formate da atomi uguali) o composti (sostanze formate da atomi diversi). Il 96% della materia vivente è costituita da sei elementi: ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto, fosforo e zolfo. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

6. La vita sulla Terra dipende dalle speciali proprietà dell’acqua Gli elettroni del legame covalente non sono condivisi alla pari tra i due elementi. Il nucleo dell’ossigeno attira maggiormente a sé gli elettroni rispetto al nucleo dell’idrogeno. L’estremità della molecola corrispondente all’ossigeno presenta una parziale carica negativa, mentre l’estremità corrispondente agli atomi di idrogeno risulta positiva. La molecola è polare. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

6. La vita sulla Terra dipende dalle speciali proprietà dell’acqua Il legame chimico tra un atomo di idrogeno leggermente positivo di una molecola e un atomo di ossigeno leggermente negativo di un’altra molecola è chiamato legame a idrogeno. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

7. Coesione e adesione determinano i fenomeni di capillarità e di tensione superficiale La coesione è la tendenza delle molecole a rimanere unite tra loro. La forza di adesione è la forza di attrazione tra molecole di materiali diversi. Coesione e adesione sono alla base del fenomeno della capillarità, che permette il trasporto dell’acqua dalle radici alle foglie della pianta. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

7. Coesione e adesione determinano i fenomeni di capillarità e di tensione superficiale Per la loro polarità, le molecole situate sulla superficie dell’acqua formano una specie di pellicola capace di sostenere il peso dell’insetto. La forza che genera tale fenomeno si chiama tensione superficiale. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

8. Il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida La densità è definita come la massa di un corpo divisa per il volume che occupa. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

8. Il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida Le sostanze a densità minore galleggiano su quelle a densità maggiore; pertanto il ghiaccio galleggia sull’acqua. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

9. L’acqua ha un elevato calore specifico Il calore specifico è la capacità di resistere alle variazioni di temperatura. Grazie ai legami a idrogeno, l’acqua non disperde il calore. Inoltre, mantiene costante la temperatura corporea grazie all’evaporazione. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

10. L’acqua è un ottimo solvente per le sostanze polari Una soluzione è un miscuglio omogeneo di due o più sostanze, cioè una miscela in cui non è possibile distinguere i singoli componenti. La sostanza che scioglie le altre ed è presente in maggiore quantità è detta solvente. Quella in minore quantità è detta soluto. L’acqua è il principale solvente contenuto nelle cellule, nel sangue degli animali e nella linfa delle piante. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

10. L’acqua è un ottimo solvente per le sostanze polari Le molecole che formano facilmente soluzioni acquose, come il sale e lo zucchero, sono dette idrofile. Le molecole apolari, come quelle dei grassi, tendono ad essere insolubili in acqua e sono dette idrofobiche. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

11. Una soluzione può essere acida, basica o neutra Un composto che libera H+ è definito acido. Una sostanza che in acqua causa una diminuzione della concentrazione di ioni H+ è detta base. I chimici esprimono il grado di acidità di una soluzione mediante la scala del p. H. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

Lezione 3 I composti del carbonio Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

12. Le biomolecole sono composti che si trovano solo negli organismi viventi Le molecole che si trovano esclusivamente negli organismi viventi sono chiamate biomolecole. Le biomolecole contengono atomi di carbonio. Le biomolecole fanno parte di un gruppo molto ampio di composti del carbonio chiamati composti organici. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

13. I composti organici costituiti solo da carbonio e idrogeno sono gli idrocarburi Le molecole degli idrocarburi possono assumere diverse forme: lineare, ramificata o ad anello. Ogni atomo di carbonio forma complessivamente quattro legami. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

14. I gruppi funzionali e le proprietà dei composti organici Quando sulle catene carboniose si inseriscono atomi o gruppi di atomi diversi dal carbonio, questi vengono chiamati gruppi funzionali. I gruppi funzionali conferiscono alla molecola a cui si legano particolari proprietà fisiche e chimiche. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

15. Molte biomolecole sono «catene» di piccole unità Le macromolecole sono polimeri formati dall’unione di molte molecole più piccole (monomeri) unite mediante legami covalenti. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

15. Molte biomolecole sono «catene» di piccole unità Quando un qualsiasi tipo di monomero si lega a un altro, avviene una reazione di condensazione. Quando un polimero viene scomposto nei suoi monomeri, avviene una reazione di idrolisi. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

Lezione 4 I carboidrati e i lipidi Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

16. I carboidrati più semplici sono i monosaccaridi I monosaccaridi sono formati da una sola molecola di zucchero. Gli zuccheri sono molecole costituite da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno. I composti che hanno una diversa disposizione degli atomi (formula di struttura) e stessa formula grezza sono degli isomeri. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

17. L’unione di monosaccaridi forma disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi Il saccarosio è un disaccaride formato da una molecola di glucosio e una di fruttosio, tramite un legame glucosidico. Gli oligosaccaridi sono costituiti dall’unione di alcune molecole di monomeri e di solito si legano a proteine o a lipidi. I polisaccaridi sono formati da numerose molecole di monosaccaridi, sono poco solubili in acqua e non sono dolci. Inoltre hanno funzione di riserva e di sostegno per le cellule vegetali e animali. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

18. La classe dei lipidi comprende composti diversi, ma tutti insolubili in acqua I lipidi sono tutti idrofobici, cioè non si sciolgono in acqua. I trigliceridi (o grassi) sono formati da una molecola di glicerolo (a tre atomi di carbonio) alla quale si legano tre catene di idrocarburi (acidi grassi). I grassi possono essere saturi o insaturi, a seconda del numero di atomi di idrogeno presenti nei legami (massimo per i grassi saturi). I trigliceridi rappresentano una riserva di energia. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

18. La classe dei lipidi comprende composti diversi, ma tutti insolubili in acqua Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

18. La classe dei lipidi comprende composti diversi, ma tutti insolubili in acqua Nei fosfolipidi una catena di acidi grassi è sostituita da un gruppo fosfato. Il gruppo fosfato ha carica negativa ed è pertanto idrofilo. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

18. La classe dei lipidi comprende composti diversi, ma tutti insolubili in acqua Gli steroidi sono formati da quattro strutture ad anello. Alcuni di questi composti hanno la funzione di messaggeri chimici all’interno dell’organismo (ormoni steroidei) o tra diversi organismi (feromoni). Le cere sono costituite da un acido grasso legato a un alcool. Hanno la proprietà di limitare la perdita d’acqua con una funzione di rivestimento. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

Lezione 4 Le proteine e gli acidi nucleici Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

19. Gli amminoacidi sono i monomeri che formano le proteine Le proteine sono composte da una o più catene peptidiche, ciascuna delle quali è formata da amminoacidi legati tra loro. Ogni amminoacido è costituito da un atomo di carbonio centrale al quale sono legati quattro gruppi. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

19. Gli amminoacidi sono i monomeri che formano le proteine Gli amminoacidi sono legati tra loro a formare un legame peptidico, che si forma tramite una reazione di condensazione. L’ordine secondo cui si susseguono gli amminoacidi viene definita struttura primaria. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

20. Le catene peptidiche si ripiegano assumendo una precisa configurazione spaziale Tra gli amminoacidi si instaurano interazioni di tipo attrattivo o repulsivo. La forma che assume la catena è denominata struttura secondaria. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

20. Le catene peptidiche si ripiegano assumendo una precisa configurazione spaziale In seguito ai legami che si formano, le catene polipeptidiche si ripiegano a formare la struttura terziaria. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

20. Le catene peptidiche si ripiegano assumendo una precisa configurazione spaziale Le varie catene polipeptidiche costituiscono una proteina interagiscono tra loro dando luogo alla struttura quaternaria. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

20. Le catene peptidiche si ripiegano assumendo una precisa configurazione spaziale Se la variazione che la forma della proteina subisce è irreversibile, la molecola perde le sue proprietà. Tale processo è detto denaturazione. Quando si cuoce un uovo, per esempio, l’albume subisce un’alterazione del suo aspetto che è irreversibile. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

21. Le proteine svolgono moltissime funzioni biologiche Le proteine svolgono diverse funzioni: • hanno funzioni strutturali (capelli e le unghie); • i muscoli sono costituiti da proteine contrattili; • le reazioni chimiche sono regolate da proteine chiamate enzimi; • alcune hanno funzione di trasporto (emoglobina) o protettiva; • sono messaggeri chimici, come l’insulina; • rappresentano un deposito di nutrienti (ovoalbumina). Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

22. Le istruzioni per costruire le proteine sono contenute negli acidi nucleici Un nucleotide è un monomero costituito da uno zucchero, un gruppo contenente fosforo e una base azotata. Dalla polimerizzazione dei nucleotidi si ottengono gli acidi nucleici (DNA e RNA). Nei polinucleotidi, un gruppo fosfato si alterna a uno zucchero, costituendo uno scheletro zucchero-fosfato. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

22. Le istruzioni per costruire le proteine sono contenute negli acidi nucleici Lo zucchero può essere di due tipi: • il ribosio, forma l’RNA o acido ribonucleico; • il desossiribosio, forma il DNA o acido deossiribonucleico. In base alla struttura assunta dalle basi azotate, si distinguono pirimidine e purine. Il DNA è costituito da due catene polinucleotidiche avvolte a formare una doppia elica. L’RNA è formato da un’unica catena. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015