neodarwinismo

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2. LA
file 2
CELLULA
E LE SUE FUNZIONI
d Navigatore slide
1_Cenni storici 1 2 3
2_La teoria cellulare 4
3_Gli organismi cellulari 5
4_La cellula: struttura e funzioni 6 7
8 9 10 11 12
13 14 15 16 17 18 19
5_I trasporti cellulari 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
1_CENNI STORICI
1 La scoperta della
cellula
d La cellula è la più piccola unità strutturale e funzionale
degli organismi viventi.
d La maggior parte delle cellule ha dimensioni microscopiche, comprese tra i 5 e i 50 µm di diametro e sono perciò
invisibili ad occhio nudo.
d Il primo ad osservarle fu il ﬁsico e matematico Robert
Hooke che, nel 1665, costruì il primo microscopio moderno e descrisse la presenza di “piccole celle” in sottilissime
fette di sughero.
27
4_LA CELLULA: STRUTTURA E FUNZIONI
6 Cellule procariote ed eucariote
d Tutte le cellule possono essere classiﬁcate in due grandi categorie
in base alla propria organizzazione interna: procariote (dal greco
pro = prima, e karyon = nucleo) ed eucariote (dal greco eu = perfetto e karyon = nucleo).
CELLULE PROCARIOTE
N Sono le prime comparse sulla
Terra, hanno lunghezza tra i
2 e gli 8µm e da esse si sono
evolute le eucariote.
N Sono piccole, semplici e senza un nucleo delimitato da
membrane.
N Compongono solo gli organismi unicellulari, come i batteri.
N Si nutrono per via eterotrofa.
CELLULE EUCARIOTE
N Sono cellule più complesse e da
un punto di vista evolutivo rappresentano il più alto livello di
classiﬁcazione cellulare.
N Presentano sempre una membrana nucleare e numerosi organuli
per svolgere differenti funzioni.
N Compongono sia gli organismi
unicellulari che i pluricellulari.
N Possono nutrirsi per via autotrofa.
4_LA CELLULA: STRUTTURA E FUNZIONI
7 La membrana plasmatica
Segmento
d Tutte le cellule, proca- Oligosaccaride
transmembrana
ad elica idrofobo
Glicolipidi
riote ed eucariote, animali e vegetali, sono
delimitate da una
struttura membranosa in grado di assicurare loro un conﬁne
Proteina
Fosfolipidi
di separazione interintegrale
Colesterolo
no/esterno e al contempo di regolare il ﬂusso di molecole in entrata e in uscita dalla
cellula stessa: la membrana cellulare.
30
4_LA CELLULA: STRUTTURA E FUNZIONI
10 I ribosomi
d Anche i ribosomi rappresentano un elemento conservativo
nell’evoluzione delle cellule. Seppure con alcune differenze, infatti, li ritroviamo in tutte le tipologie cellulari.
d Essi sono piccoli organelli immersi nel citoplasma o ancorati a
strutture membranose coinvolti direttamente nella sintesi delle
proteine cellulari sotto lo stretto controllo del DNA.
d Sono formati da tre molecole di rRNA e da due
subunità proteiche (una di
dimensioni maggiori e una
di dimensioni minori).
4_LA CELLULA: STRUTTURA E FUNZIONI
11 I ribosomi delle procariote e delle
eucariote
d I ribosomi presenti nelle cellule procariote ed eucariote differiscono sia per la loro struttura che per le sequenze di RNA.
32
PROCARIOTE
EUCARIOTE
2700 kD di massa
4000 kD di massa
20 nm di diametro
23 nm di diametro
Subunità grande (50S):
2 proteine + 2 RNA
Subunità maggiore (60S):
Tante proteine + 3 RNA
Subunità piccola (30S):
2 proteine + 1 RNA
Subunità minore (40S):
Tante proteine + 1 RNA
4_LA CELLULA: STRUTTURA E FUNZIONI
12 La cellula animale
d Oltre agli elementi cellulari
di base, ogni
tipologia di cellula presenta
organuli e strutture interne
speciﬁche.
d La cellula animale, per esempio, utilizza
numerosi organelli rivestiti da membrane per svolgere le sue
funzioni vitali.
4_LA CELLULA: STRUTTURA E FUNZIONI
13 Nucleo e nucleolo
ELEMENTO
NUCLEO
STRUTTURA
FUNZIONE
noso circondato da
un doppio strato di
membrane.
N È attraversato da
pori che regolano i
trasporti di sostanze.
il DNA associato a
proteine ed in cui si
replica.
N È il centro direzionale di tutte le attività cellulari.
N Organulo volumi- N Luogo in cui risiede
N Organulo costituito N È la sede di assemNUCLEOLO
di DNA, RNA e proteine, disposto centralmente al nucleo.
blaggio dei ribosomi.
33
4_LA CELLULA: STRUTTURA E FUNZIONI
16 Mitocondrio, ciglia e ﬂagelli, lisosoma
ELEMENTO
MITOCONDRIO
CIGLIA E
FLAGELLI
LISOSOMA
STRUTTURA
FUNZIONE
N Organulo
N Produzione, attraver-
N Appendici
N Movimento cellulare.
circondato da una membrana
esterna e da una interna ripiegata, contenente liquido mitocondriale.
esterne
fatte di microtubuli.
so il processo di respirazione cellulare,
dell’energia necessaria
alla cellula per svolgere
le sue attività.
N Organulo chiuso pro- N Digestione cellulare.
dotto dal RER e dal N Distruzione dei batteri.
Golgi, ricco di enzimi. N Riciclaggio organuli.
4_LA CELLULA: STRUTTURA E FUNZIONI
17 La parete cellulare della cellula vegetale
d Le cellule vegetali e dei batteri possiedono anche una struttura esterna alla membrana, detta parete cellulare, composta
da materiali resistenti come la cellulosa, necessaria a conferire
rigidità alla
cellula.
35
5_I TRASPORTI CELLULARI
20 Regolazione dei rapporti con l’ambiente esterno
d Una delle funzioni principali
della membrana
cellulare è quella
di regolare i ﬂussi di materiale
tra l’interno e
l’esterno della
cellula.
d La membrana
cellulare, pertanto, è una barriera semipermeabile selettiva: ovvero è in grado di far passare acqua e soluti al suo
interno e viceversa, escludendone altri.
5_I TRASPORTI CELLULARI
21 Il gradiente di concentrazione
d Il movimento netto delle molecole attraverso la membrana è regolato dalla differenza di concentrazione di tale molecola tra l’interno e
l’esterno della
cellula: questa differenza
genera un gradiente.
d Il movimento
è spontaneo se
avviene secondo gradiente ovvero da zone ad elevata concentrazione a zone a
minore concentrazione, ﬁno al raggiungimento di un equilibrio.
37
INDICE GENERALE
1. Le basi della vita: la materia
1_Introduzione alla biologia........................................................... 5
1. Il campo di studio................................................................................5
2. Organizzazione, struttura e reazioni chimiche........................................6
3. Riproduzione, codice genetico e adattamento.........................................6
4. La biologia e il metodo scientifico.........................................................7
5. Le basi del metodo scientifico...............................................................7
2_La molecola dell’acqua............................................................... 8
6. Struttura molecolare.............................................................................8
7. Il legame a idrogeno...........................................................................8
8. Le proprietà dell’acqua........................................................................9
9. Tensione superficiale e capillarità..........................................................9
10. Calore specifico e densità................................................................10
11. L’acqua come solvente.....................................................................10
12. Sostanze idrofile e idrofobe..............................................................11
13. Acidi e basi....................................................................................11
14. Il pH..............................................................................................12
3_Le molecole della vita............................................................... 12
15. Di cosa è fatta la materia?...............................................................12
16. Monomeri e polimeri organici...........................................................13
17. La chimica del carbonio...................................................................13
18. I gruppi funzionali...........................................................................14
4_Gli zuccheri o glucidi................................................................. 14
19. La struttura degli zuccheri.................................................................14
20. Gli zuccheri complessi.....................................................................15
21. I monosaccaridi di interesse biologico...............................................15
22. Disaccaridi e polisaccaridi d’interesse biologico.................................16
5_I grassi o lipidi......................................................................... 16
23. La struttura dei lipidi........................................................................16
24. I lipidi nell’alimentazione.................................................................17
25. I trigliceridi.....................................................................................17
26. Le funzioni dei grassi negli organismi viventi......................................18
27. I fosfolipidi.....................................................................................18
28. Struttura del fosfolipide....................................................................19
6_Le proteine............................................................................... 19
29. La struttura degli amminoacidi..........................................................19
30. La formazione del legame peptidico..................................................20
31. La struttura delle proteine.................................................................20
32. Struttura primaria e secondaria.........................................................21
33. Struttura terziaria e quaternaria........................................................21
34. Le funzioni delle proteine.................................................................22
35. Reazioni chimiche ed enzimi............................................................22
36. Il meccanismo di azione degli enzimi................................................23
7_Gli acidi nucleici........................................................................ 23
37. La struttura del nucleotide.................................................................23
123
38.
39.
40.
41.
42.
43.
Le basi azotate...............................................................................24
Il DNA e l’RNA...............................................................................24
Le differenze strutturali tra DNA e RNA..............................................25
Rappresentazione grafica del DNA e dell’RNA...................................25
Le funzioni svolte dal DNA...............................................................26
Le funzioni svolte dall’RNA...............................................................26
2. La cellula e le sue funzioni
1_Cenni storici.............................................................................. 27
1. La scoperta della cellula.....................................................................27
2. La storia della cellula (1)....................................................................28
3. La storia della cellula (2)....................................................................28
2_La teoria cellulare..................................................................... 29
4. I tre fondamenti della biologia cellulare...............................................29
3_Gli organismi cellulari............................................................... 29
5. Organismi unicellulari e pluricellulari...................................................29
4_La cellula: struttura e funzioni................................................... 30
6. Cellule procariote ed eucariote...........................................................30
7. La membrana plasmatica...................................................................30
8. Struttura e funzioni della membrana cellulare........................................31
9. Il citoplasma.....................................................................................31
10. I ribosomi.......................................................................................32
11. I ribosomi delle procariote e delle eucariote.......................................32
12. La cellula animale...........................................................................33
13. Nucleo e nucleolo...........................................................................33
14. Citoscheletro e RER..........................................................................34
15. REL e apparato del Golgi.................................................................34
16. Mitocondrio, ciglia e flagelli, lisosoma...............................................35
17. La parete cellulare della cellula vegetale............................................35
18. La cellula vegetale: vacuoli e cloroplasti.............................................36
19. Le giunzioni cellulari........................................................................36
5_I trasporti cellulari.................................................................... 37
20. Regolazione dei rapporti con l’ambiente esterno.................................37
21. Il gradiente di concentrazione..........................................................37
22. Il trasporto attivo e il trasporto passivo...............................................38
23. Modalità di trasporto passivo: la diffusione........................................38
24. Il trasporto dell’acqua: l’osmosi.........................................................39
25. Modelli di trasporto attraverso la membrana......................................39
26. Le pompe molecolari.......................................................................40
27. Il modello Na+/K–..........................................................................40
28. Il trasporto per endocitosi.................................................................41
29. Il trasporto per esocitosi...................................................................41
3. Metabolismo e riproduzione cellulare
1_Il metabolismo cellulare............................................................ 42
1. Definizioni: catabolismo e anabolismo.................................................42
2. Reazioni esoergoniche ed endoergoniche............................................43
124
3. L’energia di attivazione delle reazioni chimiche....................................43
4. Il superamento delle barriere energetiche.............................................44
5. Il fattore tempo: catalisi e catalizzatori.................................................44
6. Gli enzimi come catalizzatori.............................................................45
7. Caratteristiche dei catalizzatori biologici.............................................45
8. L’attività enzimatica...........................................................................46
9. Attivatori e inibitori dell’attività enzimatica...........................................46
10. La molecola dell’ATP.......................................................................47
11. L’idrolisi dell’ATP.............................................................................47
12. Il rifornimento energetico delle cellule................................................48
2_La respirazione cellulare........................................................... 48
13. Definizione e formula generale.........................................................48
14. Le fasi della respirazione cellulare.....................................................49
15. Da glucosio a piruvato: la glicolisi....................................................49
16. Il ciclo di Krebs...............................................................................50
17. Le reazioni del Ciclo di Krebs...........................................................50
18. La catena di trasporto degli elettroni..................................................51
19. Il bilancio finale della respirazione cellulare.......................................51
3_La fermentazione...................................................................... 52
20. Organismi aerobi e anaerobi...........................................................52
21. La fermentazione alcolica.................................................................52
22. La fermentazione lattica...................................................................53
23. Respirazione e fermentazione a confronto..........................................53
4_La riproduzione cellulare.......................................................... 54
24. La divisione cellulare.......................................................................54
25. Divisione nei procarioti e negli eucarioti............................................54
26. Le fasi del ciclo cellulare..................................................................55
27. L’interfase.......................................................................................55
28. Le fasi di sintesi, gap1 e gap2..........................................................56
5_La mitosi.................................................................................. 56
29. I cromosomi....................................................................................56
30. Formazione del fuso mitotico............................................................57
31. Le fasi della divisione nucleare.........................................................57
32. Profase e metafase..........................................................................58
33. Anafase e telofase...........................................................................58
34. La fase finale del ciclo cellulare: la citodieresi.....................................59
6_La meiosi.................................................................................. 59
35. Cellule aploidi e cellule diploidi........................................................59
36. L’importanza della meiosi.................................................................60
37. Le tappe della meiosi (1)..................................................................60
38. Le tappe della meiosi (2)..................................................................61
39. Le tappe della meiosi (3)..................................................................61
40. Le tappe della meiosi (4)..................................................................62
41. L’importanza del crossing-over..........................................................62
4. Gli esseri viventi
1_Cenni storici di classificazione................................................... 63
125
1. La classificazione di Linneo................................................................63
2. Un esempio di nomenclatura e evoluzione............................................64
3. Successive evoluzioni nella classificazione...........................................64
2_La tassonomia odierna............................................................. 65
4. I criteri della classificazione moderna..................................................65
5. Le due classificazioni moderne............................................................65
6. La Classificazione di Witthaker...........................................................66
7. La Classificazione di Woese...............................................................66
3_I batteri.................................................................................... 67
8. Il Regno dei Batteri............................................................................67
9. Caratteristiche strutturali dei batteri......................................................67
10. Le possibili forme batteriche.............................................................68
11. Archibatteri ed eubatteri..................................................................68
12. Metabolismo e riproduzione.............................................................69
13. L’importanza dei batteri...................................................................69
14. Combattere i batteri patogeni: gli antibiotici.......................................70
4_I protisti................................................................................... 70
15. Classificazione dei protisti................................................................70
16. Caratteristiche strutturali dei protisti...................................................71
17. Riproduzione e funzioni dei protisti...................................................71
5_I funghi.................................................................................... 72
18. Caratteristiche strutturali dei funghi....................................................72
19. Caratteristiche metaboliche e habitat naturale.....................................72
20. Riproduzione sessuata e asessuata....................................................73
21. L’importanza dei funghi...................................................................73
6_Le piante.................................................................................. 74
22. Caratteristiche cellulari delle piante...................................................74
23. L’alternanza dei cicli vitali................................................................74
24. Prima classificazione evolutiva delle piante........................................75
25. Briofite e piante vascolari.................................................................75
26. Le piante vascolari: con o senza seme?.............................................76
27. Gimnosperme e angiosperme: compare il seme..................................76
28. I tessuti delle piante con il seme........................................................77
29. Gli organi vegetali: le foglie.............................................................77
30. Gli organi vegetali: il fusto...............................................................78
31. L’età del fusto rivela l’età della pianta................................................78
32. Gli organi vegetali: le radici.............................................................79
33. L’adattamento delle radici................................................................79
34. Le Angiosperme: il fiore...................................................................80
35. Le Angiosperme: il frutto..................................................................80
36. Le Angiosperme: il seme (1).............................................................81
37. Le Angiosperme: il seme (2).............................................................81
38. Monocotiledoni e Dicotiledoni a confronto.........................................82
7_La fotosintesi clorofilliana......................................................... 82
39. Il laboratorio della fotosintesi: il cloroplasto .......................................82
40. Tipi di clorofilla...............................................................................83
126
41. Le fasi della fotosintesi clorofilliana....................................................83
8_Gli animali............................................................................... 84
42. Caratteristiche comuni nel Regno degli Animali...................................84
43. I criteri della classificazione animale (1).............................................84
44. I criteri della classificazione animale (2).............................................85
45. I Poriferi: principali caratteristiche.....................................................85
46. I Celenterati: principali caratteristiche................................................86
47. Platelminti: caratteristiche dei “vermi piatti”........................................86
48. Nematodi: caratteristiche dei “vermi filamentosi”................................87
49. Gli Anellidi: i “vermi metamerici”......................................................87
50. Gli Artropodi..................................................................................88
51. I Molluschi......................................................................................88
52. Gli Echinodermi..............................................................................89
53. I Vertebrati.....................................................................................89
54. Caratteristiche principali dei Vertebrati..............................................90
55. I Pesci............................................................................................90
56. Gli Anfibi.......................................................................................91
57. I Rettili...........................................................................................91
58. Gli Uccelli......................................................................................92
59. I Mammiferi....................................................................................92
5. Ecologia e biodiversità
1_L’ambiente e la vita.................................................................. 93
1. Che cosa studia l’ecologia?................................................................93
2. I livelli organizzativi (1)......................................................................94
3. I livelli organizzativi (2)......................................................................94
4. I livelli organizzativi (3)......................................................................95
5. I rapporti con l’ambiente....................................................................95
6. Fattori biotici e abiotici......................................................................96
7. I fattori abiotici.................................................................................96
2_I biomi...................................................................................... 97
8. Definizione e classificazione...............................................................97
9. Le caratteristiche dei biomi terrestri (1).................................................97
10. Le caratteristiche dei biomi terrestri (2)...............................................98
11. Le caratteristiche dei biomi terrestri (3)...............................................98
12. Le caratteristiche dei biomi acquatici.................................................99
13. Le caratteristiche dei biomi marini (1)................................................99
14. Le caratteristiche dei biomi marini (2)..............................................100
3_L’ecosistema........................................................................... 100
15. I livelli trofici degli ecosistemi..........................................................100
16. Produttori, consumatori e decompositori (1)......................................101
17. Produttori, consumatori e decompositori (2)......................................101
18. Le catene alimentari e il flusso di energia.........................................102
4_I cicli della materia................................................................. 102
19. Il flusso di materia.........................................................................102
20. Il ciclo del carbonio.......................................................................103
21. Il ciclo dell’azoto (1)......................................................................103
127
22. Il ciclo dell’azoto (2)......................................................................104
23. Il ciclo dell’acqua (1).....................................................................104
24. Il ciclo dell’acqua (2).....................................................................105
5_La lotta per la sopravvivenza................................................. 105
25. Il concetto di habitat e di competizione............................................105
26. Competizione e nicchia biologica...................................................106
27. La predazione..............................................................................106
28. La simbiosi...................................................................................107
29. La successione ecologica...............................................................107
6_Il concetto di biodiversità........................................................ 108
30. Definizione...................................................................................108
31. Biodiversità in pericolo: il rischio estinzione.....................................108
6. IL PROCESSO EVOLUTIVO
1_Le prime teorie sull’evoluzione............................................... 109
1. Carlo Linneo: “il fissismo”.................................................................109
2. Georges Cuvier: la “teoria delle catastrofi”........................................110
3. J.B. Lamarck: “teoria del trasformismo” (1).........................................110
4. J.B. Lamarck: “teoria del trasformismo” (2).........................................111
5. Charles Lyell: “teoria dell’attualismo”.................................................111
2_Le prove a sostegno dell’evoluzione....................................... 112
6. Le quattro evidenze.........................................................................112
7. La documentazione fossile................................................................112
8. L’anatomia comparata.....................................................................113
9. L’embriologia comparata.................................................................113
10. La Biologia Molecolare..................................................................114
3_La teoria di Darwin................................................................. 114
11. Il viaggio di Darwin.......................................................................114
12. Le osservazioni sulle Galàpagos.....................................................115
13. Dall’osservazione all’ipotesi scientifica.............................................115
14. La teoria della “selezione naturale” (1)............................................116
15. La teoria della “selezione naturale” (2)............................................116
16. Come agisce la selezione naturale?................................................117
17. A favore e contro la selezione naturale............................................117
4_Il neodarwinismo................................................................... 118
18. Le basi del neodarwinismo.............................................................118
19. I punti fondamentali del neodarwinismo...........................................118
20. Il “gene egoista” di Richard Dawkins...............................................119
5_L’evoluzione umana............................................................... 119
21. I primi passi verso la specie umana.................................................119
22. Dagli Australopitechi all’homo habilis..............................................120
23. L’evoluzione cranica......................................................................120
24. L’homo erectus e l’homo sapiens.....................................................121
25. L’evoluzione culturale della specie umana........................................121
128