Biologia: Concetti Chiave

Introduzione alla biologia

• La biologia studia gli esseri viventi, analizzandone struttura, funzione, evoluzione e interazioni.
• Gli obiettivi principali includono la comprensione del funzionamento degli esseri viventi, l'analisi dell'evoluzione e lo studio delle interazioni tra organismi e ambiente.

Caratteristiche degli esseri viventi

• Gli esseri viventi presentano un'organizzazione gerarchica: atomi → molecole → cellule → tessuti → organi → apparati/sistemi → organismo.
• Mantengono un equilibrio interno stabile (omeostasi) nonostante le variazioni ambientali.
• Trasformano l'energia attraverso processi metabolici, inclusi catabolismo (degradazione) e anabolismo (costruzione di molecole).
• Crescono e si sviluppano seguendo un programma genetico predefinito.
• Reagiscono agli stimoli ambientali per adattarsi.
• Si riproducono, sia sessualmente (con gameti) che asessualmente (senza gameti), per perpetuare la specie.
• Evoluzione nel tempo attraverso la selezione naturale, dove gli individui più adatti sopravvivono e si riproducono.

Metodo scientifico in biologia

• Il metodo scientifico include l'osservazione, la formulazione di ipotesi, la sperimentazione, la raccolta e l'analisi dei dati, la formulazione di conclusioni e la pubblicazione con revisione tra pari.
• L'esempio di Pasteur dimostra come i microrganismi provengano da altri microrganismi.

Elementi chimici fondamentali per la vita

• Gli elementi principali sono CHONPS: carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo, zolfo.
• Gli elementi essenziali sono necessari in grandi quantità, mentre gli oligoelementi sono fondamentali anche in piccole quantità.

Proprietà biologiche dell'acqua

• L'acqua costituisce circa il 70% del peso corporeo.
• Ha un'alta coesione grazie ai legami idrogeno.
• Possiede un'alta capacità termica, regolando la temperatura.
• Ha un'elevata tensione superficiale.
• È un buon solvente, facilitando le reazioni cellulari.
• Il ghiaccio è meno denso dell'acqua liquida, permettendo la vita acquatica sotto la superficie ghiacciata.
• Essenziale per le reazioni metaboliche, il trasporto di sostanze e la termoregolazione.

pH e ruolo biologico

• Il pH misura la concentrazione di ioni H⁺ in una soluzione, con una scala da 0 a 14 (acido < 7, neutro = 7, basico > 7).
• Gli organismi mantengono il pH stabile grazie ai sistemi tampone, influenzando le reazioni enzimatiche.

Biomolecole: struttura e funzione

• Carboidrati: fonte di energia e materiale strutturale (monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi).
• Lipidi: riserva energetica e componenti delle membrane cellulari (grassi saturi/insaturi, fosfolipidi).
• Proteine: funzioni strutturali, enzimatiche, di trasporto e di difesa (composte da amminoacidi).
• Acidi nucleici: conservano/trasmettono informazioni genetiche (DNA e RNA).

Legame tra chimica e biologia

• I legami covalenti mantengono unite le biomolecole.
• I legami idrogeno stabilizzano la struttura del DNA e delle proteine.
• I legami ionici sono importanti nelle reazioni biochimiche e nella trasmissione nervosa.

Teoria cellulare

• Tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule.
• La cellula è l'unità strutturale e funzionale della vita.
• Tutte le cellule derivano da cellule preesistenti.
• Robert Hooke osservò per primo le cellule nel sughero (1665).
• Schleiden e Schwann formularono la teoria cellulare (1838-39).

Tipi di cellule: procarioti ed eucarioti

• Le cellule procariote (batteri e archea) sono più semplici, prive di nucleo e con DNA disperso nel citoplasma.
• Struttura delle cellule procariote: membrana plasmatica, parete cellulare, ribosomi, flagelli in alcune specie.
• Le cellule eucariote (piante, animali, funghi, protisti) sono più complesse, con organelli specializzati e nucleo ben definito.
• Le cellule animali sono prive di parete cellulare, non hanno cloroplasti, hanno vacuoli piccoli/assenti e centrioli presenti.
• Le cellule vegetali hanno una parete cellulare di cellulosa, cloroplasti per la fotosintesi, un grande vacuolo centrale e sono prive di centrioli.

Struttura e funzioni degli organelli cellulari

• Membrana plasmatica: regola il passaggio di sostanze.
• Nucleo: contiene il DNA e controlla le attività cellulari.
• Ribosomi: sintesi proteica.
• Reticolo endoplasmatico (RE): RE ruvido (sintesi proteica), RE liscio (produzione lipidi e detossificazione).
• Apparato di Golgi: modifica, impacchetta e trasporta proteine/lipidi.
• Lisosomi: contengono enzimi digestivi (solo in cellule animali).
• Mitocondri: producono ATP tramite respirazione cellulare.
• Cloroplasti: sede della fotosintesi (solo cellule vegetali).
• Vacuolo: riserva di acqua, nutrienti e scarti (grande nelle cellule vegetali).
• Citoscheletro: conferisce forma e stabilità alla cellula.

Trasporto di membrana

• Diffusione semplice: passaggio di piccole molecole senza consumo di energia.
• Diffusione facilitata: passaggio con l'aiuto di proteine di trasporto.
• Osmosi: movimento dell'acqua per equilibrare le concentrazioni di soluti.
• Trasporto attivo: movimento contro gradiente con consumo di ATP.
• Endocitosi: ingloba particelle/liquidi.
• Esocitosi: rilascia sostanze all'esterno.

Ciclo cellulare e divisione cellulare

• Fasi del ciclo cellulare: interfase → mitosi → citodieresi.
• Mitosi: divisione del nucleo in due cellule figlie identiche (profase, metafase, anafase, telofase).
• Meiosi: produce cellule aploidi (gameti) con metà dei cromosomi per la variabilità genetica.

Struttura e funzione del DNA

• Il DNA (acido desossiribonucleico) è il materiale genetico a doppia elica.
• È formato da nucleotidi (desossiribosio, gruppo fosfato, base azotata: adenina, timina, citosina, guanina).
• A si lega sempre con T, C con G (Regola di Chargaff).

Struttura e funzione dell'RNA

• L'RNA (acido ribonucleico) è monocatenario, con ribosio e uracile (U) al posto della timina (T).
• Tipi di RNA: mRNA (messaggero), tRNA (trasporto), rRNA (ribosomiale).

Replicazione del DNA

• Il DNA si duplica per la divisione cellulare.
• Fasi: apertura della doppia elica, sintesi del nuovo filamento, terminazione (replicazione semiconservativa).

Sintesi proteica: trascrizione e traduzione

• Trascrizione (DNA → mRNA): avviene nel nucleo, l'RNA polimerasi copia il DNA in mRNA.
• Traduzione (mRNA → proteina): avviene nei ribosomi, il tRNA trasporta gli amminoacidi per formare la proteina.
• Ogni codone (tripletta di basi) corrisponde a un amminoacido.
• I codoni di stop (UAA, UAG, UGA) terminano la traduzione.

Mutazioni genetiche

• Sono errori nella sequenza del DNA causate da fattori interni o esterni.
• Tipologie: sostituzione, inserzione, delezione.
• Effetti: neutre, dannose o benefiche.

Dogma centrale della biologia

• DNA → RNA → Proteina.
• Eccezioni: retrovirus (es. HIV) usano la trascrittasi inversa per copiare l'RNA in DNA.

Introduzione alla genetica

• La genetica studia l'ereditarietà e la trasmissione dei caratteri.
• Gregor Mendel, padre della genetica, studiò i piselli e formulò le leggi dell'ereditarietà.

Concetti fondamentali della genetica

• Gene: segmento di DNA che codifica per una proteina trovandosi su un cromosoma.
• Alleli: varianti di uno stesso gene (dominante e recessivo).
• Genotipo: composizione genetica (AA, Aa, aa).
• Fenotipo: caratteristiche osservabili.
• Omozigote: due alleli uguali (AA o aa).
• Eterozigote: due alleli diversi (Aa).

Leggi di Mendel

• Prima legge: dominanza (il carattere dominante maschera il recessivo).
• Seconda legge: segregazione degli alleli (ogni gamete riceve un solo allele).
• Terza legge: assortimento indipendente (geni su cromosomi diversi si ereditano indipendentemente).

Eccezioni alle leggi di Mendel

• Ereditarietà legata al sesso.
• Dominanza incompleta (fenotipo intermedio).
• Codominanza (entrambi gli alleli si esprimono).

Trasmissione dei caratteri ereditari

• Ereditarietà autosomica dominante: basta una sola copia dell'allele mutato.
• Ereditarietà autosomica recessiva: servono entrambi gli alleli mutati.
• Ereditarietà legata al sesso (cromosoma X): colpisce più frequentemente i maschi.

Applicazioni della genetica

• Test genetici e diagnosi per individuare malattie ereditarie.
• Terapia genica per correggere malattie genetiche.
• Biotecnologie e OGM (organismi geneticamente modificati) per agricoltura e medicina.

Cos'è l'evoluzione?

• L'evoluzione è il cambiamento delle specie nel tempo attraverso modifiche genetiche e adattamento all'ambiente.
• Evidenze: fossili, anatomia comparata, embriologia, genetica e biologia molecolare.

Teoria dell'evoluzione di Darwin

• Charles Darwin pubblicò "L'origine delle specie" (1859).
• Principi della selezione naturale: variazione, sopravvivenza del più adatto, ereditarietà.
• Esempio: le falene di Londra durante la Rivoluzione Industriale.

Meccanismi dell'evoluzione

• Selezione naturale: favorisce individui con tratti vantaggiosi.
• Mutazioni genetiche: variazioni casuali nel DNA.
• Deriva genetica: cambiamenti casuali nella frequenza degli alleli.
• Flusso genico: scambio di geni tra popolazioni.
• Selezione sessuale: tratti che attraggono i partner.

Speciazione: come nascono nuove specie

• Speciazione: processo di formazione di nuove specie.
• Tipi: allopatrica (barriera geografica) e simpatrica (nella stessa area).
• Fattori: mutazioni, selezione naturale, isolamento riproduttivo.

Evoluzione umana

• L'uomo si è evoluto da un antenato comune con le scimmie circa 6 milioni di anni fa.
• L'Homo sapiens emerse in Africa e si diffuse nel resto del mondo (ipotesi Out of Africa).

Evoluzione e ambiente

• L'evoluzione dipende dai cambiamenti ambientali.
• L'attività umana influenza l'evoluzione (es. antibiotico-resistenza nei batteri).
• Esempi recenti: batteri resistenti agli antibiotici, insetti resistenti ai pesticidi, cambiamenti negli uccelli urbani.

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