1.1 - I viventi e le biomolecole

I fondamentali in sintesiI viventi e le biomolecole

Biologia

INIZIA

Le caratteristiche dei viventiLe biomolecoleGli acidi nucleici e l'ATP

Che cosa devo sapere prima

La biologia studia i viventiLa chimica della vitaI livelli gerarchici della vita

Che cosa imparerò

INDICE

Gli organismi non vivono isolati: alla gerarchia interna del singolo organismo si affianca una gerarchia esterna dell'intero mondo biologico. Lo studio della biologia coinvolge più livelli di organizzazione. Le proprietà della vita emergono quando il DNA, le proteine e le altre molecole sono organizzate in cellule, che sono le unità minime costitutive degli organismi. Gli organismi formano le popolazioni e interagiscono con individui di altre popolazioni formando comunità che a loro volta interagiscono con l'ambiente formando gli ecosistemi che compongono la biosfera.

La biologia è la scienza che studia gli esseri viventi, cioè tutti gli organismo che discendono da un antenato comune unicellulare comparso sulla Terra quasi quattro miliardi di anni fa. "Biologia" è un termine coniato all'inizio dell'Ottocento fondendo i termini greci "bios" che significa "vita" e "lògos" ovvero discorso.

Il 96% circa della massa di ogni organismo vivente è costituito da sei elementi chimici: ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto, fosforo e zolfo. Questi atomi sono utilizzati all'interno degli organismi per costruire diversi tipi di molecole. Le molecole sono particelle formate da atomi uniti da legami covalenti che si formano quando gli atomi condividono una o più coppie di elettroni. La vita dipende da migliaia di reazioni chimiche che si svolgono nelle cellule. Gli elementi della vita in genere tendono a formare legami covalenti più o meno polari: i più polari sono i legami O–H e i legami N–H. Invece il legame C–H può essere considerato apolare. Tra tutti questi elementi, il più importante per la vita è sicuramente il carbonio che ha la capacità di formare grandi molecole, dalle proprietà e dalle funzioni molto diverse.

Indice

I VIVENTI

LE BIOMOLECOLE

GLI ACIDI NUCLEICI

Il DNA

I domìni

L'evoluzione

I carboidrati

I lipidi

Gli acidi nucleici

L'RNA

Le proteine

I regni

Le biomolecole

Le interazioni

L'ATP

L'acqua

La cellula

Monomeri e polimeri

L'unità di base: la cellula

La cellula è l'unità più semplice in grado di svolgere tutte le funzioni vitali. Ogni organismo è costituito da cellule che contengono informazioni ereditarie scritte in un linguaggio genetico universale chiamato genoma.

Wikipedia

La scoperta della cellula risale al Seicento. Fu Robert Hooke, fisico e studioso di scienze naturali inglese, a osservare per la prima volta piccole cellette separate tra loro in alcune sottili fettine di sughero. La scoperta fu resa possibile grazie ai perfezionamenti apportati in quegli anni al microscopio ottico. Nell'illustrazione: un disegno del microscopio ideato da Hooke.

La varietà dei viventi: i regni

• Protisti: forme di vita unicellulari o pluricellulari con metabolismi diversificati.

• Piante: organismi pluricellulari autotrofi. Grazie alla fotosintesi producono autonomamente i propri nutrienti.
• Funghi: organismi eterotrofi e decompositori di sostanze prodotte da altri organismi di cui si nutrono per assorbimento.
• Animali: organismi pluricellulari eterotrofi che si nutrono ingerendo e digerendo il cibo.

Autotrofi vs eterotrofi

I viventi necessitano di energia e materie prime per costruire le loro cellule e mantenere l'organizzazione interna.

• Gli autotrofi (alcuni batteri, piante e alghe) non hanno bisogno di altri esseri viventi per il loro sostentamento;

• Gli eterotrofi (animali e funghi) si nutrono delle sostanze prodotte da altri organismi.

Vladyslav Starozhylov/Shutterstocknelik/Shutterstock

Tutte le piante sono autotrofe: attraverso il processo della fotosintesi clorofilliana riescono a sintetizzare composti organici a partire da sostanze inorganiche.

Le cellule di questo scoiattolo hanno convertito le sostanze nutrienti in grassi che sono stati immagazzinati nel corpo come una riserva energetica da usare durante i mesi freddi.

Il metabolismo

Il metabolismo è l'insieme delle reazioni chimiche che avvengono all'interno di un essere vivente.Queste reazioni richiedono lo scambio di materiali tra l'interno e l'esterno della cellula. L'omeostasi è la tendenza a mantenere costante l'ambiente intracellulare.

Lebendkulturen.de/Shutterstock

L'ameba è un organismo acquatico unicellulare; in ogni istante deve adattare il proprio metabolismo alle condizioni esterne, come la temperatura dell'acqua o la disponibilità di ossigeno.

La varietà dei viventi: i domìni

Il dominio Archeae è costituito da cellule procariote che si riproducono per scissione binaria. Gli archei sono capaci di vivere in ambienti estremi come sorgenti solfuree, saline e il tubo digerente dei ruminanti.

Archei

Batteri

Il dominio Eukaryota comprende quattro regni: animali, piante, funghi e protisti. Sono formati da cellule eucariote che presentano un nucleo e organuli che svolgono diverse funzioni.

Eucarioti

Il dominio Bacteria comprende cellule procariote che si dividono per scissione binaria. Sono per lo più unicellulari e si presentano in tre forme principali: cocchi, bacilli, spirilli.

Le interazioni tra i viventi

Gli organismi che appartengono a una certa specie e che vivono nella stessa regione geografica costituiscono una popolazione.

Popolazione

Le interazioni tra popolazioni diverse danno origine a una comunità. Ad esempio, una comunità è costituita da tutti gli organismi che vivono su un prato.

Comunità

Le interazioni tra comunità e ambiente formano un ecosistema. Gli organismi modificano l'ambiente e la vita di altri organismi. I funghi, ad esempio, interagiscono con il terreno attraverso il micelio.

Ecosistema

La teoria dell'evoluzione

La teoria dell'evoluzione per selezione naturale si basa su due capisaldi:

Christian Musat/Shutterstock

• le specie non sono immutabili ma cambiano nel tempo;
• la selezione naturale agisce sulla variabilità individuale per far evolvere le popolazioni.

Sono gli individui che meglio si adattano all'ambiente a sopravvivere e quindi a trasmettere il loro materiale genetico.

Il lungo collo delle giraffe è uno dei simboli della teoria evoluzionistica. Una caratteristica che conferisca a chi la possiede una aumento, anche modesto, della probabilità di sopravvivere e riprodursi, sarà favorito e si diffonderà nella popolazione. Darwin chiamò questo fenomeno selezione naturale. È stata l’apparizione casuale di giraffe con il collo più lungo che, unita a cambiamenti climatici, ha favorito nel tempo gli animali che più facilmente potevano cibarsi degli unici germogli rimasti, quelli sui rami più alti.

Gli animali sono organismi pluricellulari...

procarioti

fotosintetici

eucarioti

STOP! Scegli la risposta corretta:

SBAGLIATO I procarioti sono organismi unicellulari microscopici: archèi e batteri.

SBAGLIATO Sono le piante ad essere organismi fotosintetici: tramite la fotosintesi clorofilliana trasformano sostanze inorganiche in composti organici.

ESATTO!

L' acqua

Tra le sostanze presenti negli esseri viventi, l'acqua è la più abbondante. Le proprietà dell’acqua dipendono dalla polarità della sua molecola e dai legami a idrogeno che si formano tra una molecola e l’altra.

Zastolskiy Victor/Shutterstock

Le meduse sono costituite d'acqua per circa il 90% del loro peso.

Le proprietà dell'acqua

• Tensione superficiale: le molecole dell'acqua esercitano tra loro un'intensa attrazione;
• Capillarità: l'acqua è in grado di attraversare spazi piccolissimi;
• Alto calore specifico: per rompere i legami che tengono insieme le molecole;
• Elevato calore di evaporazione: prima di evaporare le molecole devono rompere i legami a idrogeno;
• Densità: l'acqua allo stato solido occupa un volume maggiore che allo stato liquido.

Modelli molecolari dell’acqua: in alto un modello a sfere compatte (in rosso l’ossigeno e in viola gli atomi di idrogeno) che illustra come i tre atomi siano, di fatto, incastrati l’uno nell’altro e in basso un modello a sfere e bastoncini, meno realistico a livello strutturale, ma che rappresenta i due legami covalenti con brevi aste.

Le biomolecole

Le biomolecole sono composti organici formati da catene di atomi di carbonio di lunghezza e forma variabili unite a uno più gruppi funzionali, ovvero raggruppamenti di atomi che conferiscono proprietà chimiche specifiche alle molecole. Le biomolecole presenti negli esseri viventi sono: proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici.

Monomeri e polimeri

La maggior parte delle macromolecole sono polimeri risultanti dall'assemblaggio tramite legami covalenti di molecole più piccole dette monomeri. Tra le biomolecole sono polimeri i polisaccaridi, formati da catene di monosaccaridi, le proteine formate da catene di amminoacidi e gli acidi nucleici formati da nucleotidi. I polimeri di formano tramite reazioni di condensazione tra più monomeri. L'inverso è la reazione di idrolisi.

Come si formano i polimeri?

Per scissione binaria

Per condensazione

STOP! Scegli la risposta corretta:

Per idrolisi

SBAGLIATO La scissione binaria è il processo tramite cui avviene la riproduzione di archei e batteri.

SBAGLIATO Le reazioni di idrolisi scindono i polimeri e producono monomeri.

ESATTO! Le reazioni di condensazione danno come risultato la formazione di un legame covalente fra due monomeri e, quindi, la creazione di polimeri.

I carboidrati

I carboidrati sono un gruppo eterogeneo di composti che comprende molecole contenenti soprattutto atomi di carbonio legati ad atomi di ossigeno, idrogeno e gruppi ossidrile. Sono una fonte di energia, forniscono la base per costruire nuove molecole e sono utilizzati come materiali di sostegno e di rivestimento cellulare.

Antonio Gravante/Shutterstock

I cereali hanno un elevato contenuto di amido, il più importante fra i carboidrati di riserva.

Questo breve video ti illustra le strutture e le funzione dei diversi tipi di carboidrati.

I carboidrati

I lipidi

I lipidi sono molecole apolari e insolubili in acqua composte prevalentemente da carbonio e idrogeno. Sono i costituenti delle membrane cellulari e hanno funzioni isolanti, di regolazione o di riserva.

Christian Musat/Shutterstock

Le penne degli uccelli acquatici possiedono un rivestimento ceroso formato da lipidi che li rende impermeabili all'acqua e permette loro di nuotare in profondità.

I lipidi

I lipidi più semplici: composti da acidi grassi e glicerolo. Sono detti grassi se a temperatura ambiente sono solidi, se sono liquidi si chiamano oli. Sono una fonte di energia per la cellula.

Trigliceridi

Fosfolipidi

I carotenoidi, gli steroidi, le vitamine e le cere sono lipidi che svolgono compiti di conversione di energia, regolazione e protezione.

Altri tipi di lipidi

Possiedono un'estremità idrofila e due lunghe code idrofobiche. Disponendosi coda contro coda formano un doppio strato che costituisce le membrane cellulari.

Inserire il video "I lipidi" Id Kaltura: 1_rmlybnlh Link: http://www.kaltura.com/index.php/extwidget/preview/partner_id/362071/uiconf_id/8603321/entry_id/1_rmlybnlh/embed/auto?&flashvars[streamerType]=auto

Le proteine

Le proteine sono polimeri composti da amminoacidi presenti in diverse quantità e disposti in vario ordine.Svolgono funzioni di sostegno meccanico, di protezione, di trasporto, catalitiche, difensive, di regolazione e di movimento.

RomanenkoAlexey/Shutterstock

L'emoglobina è una proteina che ha un ruolo fondamentale per il trasporto dell'ossigeno nei globuli rossi, le cellule a forma di disco biconcavo che si trovano nel sangue.

In questo video scoprirai le varie strutture che possono assumere le proteine e le loro funzioni.

Le proteine

Gli acidi nucleici

Gli acidi nucleici (DNA e RNA) sono polimeri specializzati per custodire, trasmettere e utilizzare l'informazione genetica. Sono composti da nucleotidi ovvero da uno zucchero pentoso, una base azotata e un gruppo fosfato.

vitstudio/Shutterstock

Nel DNA è costituito da un doppio filamento, le sue catene polinucleotidiche sono tenute insieme da legami a idrogeno fra le rispettive basi azotate. L'appaiamento non è mai causale: l'adenina (A) si appaia sempre alla timina (T), mentre la guanina (G) si appaia sempre alla citosina (C). Si dice quindi che esistono coppie di basi complementari tra loro (A-T e C-G).

Il DNA

Il DNA è una molecola informazionale ovvero contiene le informazioni per costruire correttamente le catene polipeptidiche da cui derivano le proteine dell'organismo. È costituito da un doppio filamento, due catene polinucleotidiche tenute insieme da legami a idrogeno tra le rispettive basi azotate: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T).

L'RNA

Le molecole di RNA sono formate da un'unica catena polinucleotidica dove al posto della timina c'è l'uracile (U).L'RNA interviene nella traduzione delle informazioni contenute nelle molecole di DNA permettendo l'effettiva costruzione delle proteine.

nobeastsofierce/Shutterstock

Nell'RNA le basi sono legate al ribosio. Le basi dell'RNA sono le purine (una struttura a doppio anello) adenina, guanina e le pririmidine (una struttura ad anello semplice) citosina e uracile.

Questo breve video ti illustra le strutture e le funzioni degli acidi nucleici.

Gli acidi nucleici

L'ATP

Per catturare e trasferire energia, le cellule utilizzano l'adenosina trifosfato o ATP. Una molecola di ATP è formata dalla base azotata adenina legata a una molecola di ribosio a cui è attaccata una sequenza di tre gruppi fosfato. Le cellule sintetizzano molecole di ATP utilizzando l'energia prodotta dalle reazioni cataboliche e poi le idrolizzano per attivare reazioni anaboliche.

Ciò che permette alle cellule di catturare e trasferire energia è...

Ciò che contiene le informazioni per costruire correttamente le proteine è...

Ciò che permette l'effettiva costruzione delle proteine è...

STOP! Completa le frasi...

L'ATP

IL DNA

L'RNA

Quali sono le caratteristiche degli esseri viventiQuali sono e che funzioni hanno le molecole biologicheIl ruolo del DNA, dell'RNA e dell'ATP

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