Biologia

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• Molecole biologiche

• Cellule

• Scambio di sostanze

• Informazioni genetiche

Troverai tutti questi argomenti su StudySmarter, ma verranno proposti anche ulteriori argomenti, tra cui:

• Trasferimenti di energia

• Rispondere al cambiamento

• Genetica, popolazioni, evoluzione ed ecosistemi

• Controllo dell'espressione genica

Iniziamo introducendo tutti gli argomenti di biologia.

Biologia molecolare

Le molecole biologiche sono composti a base di carbonio e indispensabili per la maggior parte dei processi biologici.

Le molecole biologiche fungono da componenti strutturali per molecole più complesse e cellule, come ad esempio i carboidrati semplici, che costituiscono le basi del DNA e dell'RNA, e i carboidrati complessi, che compongono la cellulosa nelle piante. Le molecole biologiche definite lipidi costituiscono la base delle membrane cellulari, creando un doppio strato fosfolipidico. Altre molecole biologiche, come le proteine, agiscono come enzimi, messaggeri e ormoni, svolgendo funzioni metaboliche. Gli acidi nucleici, DNA e RNA, trasportano le informazioni genetiche in tutti gli esseri viventi e nei virus. Le altre due biomolecole essenziali sono l'ATP (adenosina trifosfato) e l'acqua, indispensabile per garantire i processi cellulari.

Figura 1. Rappresentazione schematica di una molecola.

Biologia cellulare

Le cellule possono essere considerate le unità base della vita. Lo studio delle cellule è uno dei più importanti della biologia. Le cellule possono essere procariotiche o eucariotiche. Esse contengono materiale genetico e si dividono per creare nuove cellule. Le cellule eucariotiche si riproducono tramite processi chiamati mitosi e meiosi. Le cellule procariotiche si dividono per fissione binaria.

Le cellule variano per numero e tipo di organelli, ovvero subunità all'interno di tutte le cellule. Uno dei componenti strutturali essenziali della cellula è la superficie cellulare o membrana plasmatica. Essa funge da strato protettivo ed è il principale attore nel trasporto di sostanze vitali all'interno e all'esterno delle cellule. Le cellule specializzate chiamate linfociti T e linfociti B sono fondamentali per il nostro sistema immunitario, perché aiutano a combattere le malattie.

Figura 2. Cellule eucariotiche: una cellula animale e una vegetale.

Scambio di sostanze

Lo scambio di sostanze permette agli organismi di ottenere ossigeno e nutrienti dall'ambiente esterno e di liberarsi dei rifiuti metabolici. Gli organismi multicellulari necessitano di strutture specializzate per lo scambio di sostanze, poiché il loro rapporto superficie/volume è troppo piccolo per affidarsi alle membrane cellulari come superficie di scambio.

Lo scambio di sostanze nelle piante è chiamato sistema di flusso di massa. I sistemi di flusso di massa delle piante comprendono lo xilema e il floema. Negli animali, lo scambio di sostanze avviene attraverso l'interazione di diverse strutture biologiche, tra cui i sistemi digestivo, respiratorio e circolatorio. La digestione e l'assorbimento dei nutrienti avvengono nel sistema digestivo, mentre lo scambio di gas avviene nel sistema respiratorio. Il sistema circolatorio fa circolare il sangue che a sua volta trasporta nutrienti e ossigeno. Questo ruolo del sistema circolatorio è fondamentale per garantire un'elevata attività metabolica delle cellule ai fini di un corretto funzionamento di tutte le strutture del corpo.

Figura 3. Rappresentazione schematica del cuore umano.

Informazioni genetiche

Il DNA è una molecola straordinaria che costituisce il nostro materiale genetico. Il materiale genetico è coinvolto in ogni aspetto della biologia, rendendo il DNA una molecola essenziale per la continuazione della vita.

Il DNA si trova nel nucleo della cellula ed è organizzato in geni fatti di nucleotidi e collocati sui cromosomi. A volte, l'ordine di questi nucleotidi è sbagliato e si verificano delle mutazioni. Le differenti mutazioni possono avere effetti diversi sull'organismo. Da un lato, le mutazioni possono dare origine a malattie genetiche; dall'altro, le mutazioni permettono di introdurre diversità genetica in una specie. La diversità genetica si ottiene anche durante la meiosi (un tipo di divisione cellulare) che permette di scambiare il DNA in modo che le cellule sessuali (chiamate anche gameti) abbiano una diversa combinazione di DNA.

Come risultato di questa vasta diversità genetica negli organismi, esistono milioni di specie che devono essere organizzate e classificate. Questo è compito della tassonomia. Complementare alla diversità genetica è la biodiversità che osserviamo nelle comunità. Possiamo quantificare questo livello di diversità utilizzando misure come l'indice di biodiversità e la ricchezza di specie.

Figura 4. DNA e RNA.

Trasferimenti di energia

Tutta la vita dipende dall'energia, che nella maggior parte dei casi proviene dal sole. Il trasferimento di questa energia tra i diversi organismi permette di mantenere in equilibrio i loro ambienti e le loro comunità.

Per quanto riguarda il modo in cui l'energia viene trasferita, esistono due tipi di organismi: gli autotrofi, tra cui piante, licheni o alghe, e gli eterotrofi, tra cui animali e uomini. La maggior parte degli autotrofi ricava energia dal sole attraverso la fotosintesi clorofilliana. Questo processo prevede che gli autotrofi utilizzino l'energia della luce per trasformare l'anidride carbonica e l'acqua in glucosio e ossigeno. Gli eterotrofi non sono in grado di sintetizzare la propria energia e devono acquisirla consumando altri organismi. Essi eseguono un processo inverso alla fotosintesi: prendono glucosio e ossigeno e li trasformano in anidride carbonica e acqua. Questo trasferimento di energia si chiama respirazione.

Figura 5. Le piante utilizzano energia proveniente dal sole per la fotosintesi.

Risposta ai cambiamenti

Gli organismi rispondono ai cambiamenti dell'ambiente interno ed esterno. Il cambiamento si presenta sotto forma di stimolo. Lo stimolo può essere un cambiamento fisico o chimico e viene riconosciuto da cellule specializzate chiamate recettori. La risposta agli stimoli è fondamentale per la sopravvivenza delle specie. I neuroni o cellule nervose sono cellule specializzate nel trasporto degli impulsi nervosi. Nei mammiferi ci sono milioni di neuroni che costituiscono il complesso e affascinante sistema nervoso. Alcuni degli organi coordinati dal sistema nervoso sono i muscoli. La contrazione dei muscoli scheletrici inizia con un potenziale d'azione che raggiunge e viaggia in profondità nelle fibre muscolari, innescando infine il meccanismo dello scorrimento dei filamenti. Tutte queste risposte ai cambiamenti sono necessarie affinché il corpo mantenga un ambiente interno costante. Questa situazione di equilibrio è definita omeostasi. Gli organismi viventi hanno bisogno di una temperatura, di un pH e di un equilibrio chimico generale costanti (omeostasi) per funzionare.

Figura 6. Rappresentazione schematica di una sinapsi e della trasmissione degli impulsi nervosi.

Genetica, popolazioni, evoluzione ed ecosistemi

I singoli membri di una specie hanno lo stesso corredo di geni, ma possono variare nelle combinazioni di alleli. Gli alleli sono forme diverse di un gene e sono responsabili della diversità genetica delle specie. Più alleli ci sono nel genoma di una specie, maggiore è la diversità genetica.

I membri di una specie che vivono insieme in un habitat formano delle popolazioni. Queste ultime, a loro volta, formano comunità in cui diverse specie convivono e interagiscono tra loro. La dimensione della popolazione può variare ed è influenzata da fattori biotici (viventi) e abiotici (non viventi). Per esempio, la competizione e la predazione all'interno o tra specie diverse sono fattori biotici, mentre il pH e la temperatura dell'habitat della specie sono fattori abiotici.

Le comunità e l'ambiente in cui esse vivono costituiscono gli ecosistemi. Un ecosistema è un sistema dinamico e autosufficiente che comprende tutti gli organismi viventi (componenti biotiche dell'ecosistema) e l'ambiente fisico (componenti abiotiche).

Figura 7. Esempio di un ecosistema eterogeneo costituito da piante, animali e il loro habitat.

Controllo dell'espressione genica

Una parte del DNA delle nostre cellule può contenere mutazioni. Considerando che tutte le cellule si sono formate dallo stesso genoma, come è possibile che esse presentino funzioni e caratteristiche diverse, cioè mutazioni? È a causa dei diversi livelli di espressione genica. Alcuni geni del genoma sono "accesi", cioè sono espressi, e perciò permettono la produzione delle proteine per cui codificano, mentre altri geni sono "spenti", ovvero non espressi, per cui la proteina corrispondente non viene sintetizzata.

A influenzare il livello di espressione dei geni sono le mutazioni, ma anche l'epigenetica. L'epigenetica studia le modifiche apportate al DNA e alle proteine ad esso associate e il modo in cui queste influiscono sul livello di espressione genica. Altri fattori di influenza sono i processi che avvengono prima della trascrizione e prima e dopo la traduzione.

Queste indagini sul DNA e sui geni richiedono notevoli tecnologie genetiche che sono state utilizzate per sviluppare tecniche mediche avanzate come la terapia genica e tecnologie forensi come il fingerprinting genetico.

Figura 8. Rappresentazione grafica di uno scienziato specializzato nello studio del DNA e dei geni.

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Figura 10. Trofeo "Top del top".