L’esame di Stato
per Biologi
Manuale teorico per la preparazione
all’esame di abilitazione professionale
L’esame di Stato per Biologi – Manuale teorico per la preparazione all’esame di abilitazione
professionale
Copyright © 2013, EdiSES S.r.l. – Napoli
9 8
2018
7 6
2017
5 4
2016
3 2 1 0
2015 2014 2013
Le cifre sulla destra indicano il numero e l’anno dell’ultima ristampa effettuata
STOP
A norma di legge, le pagine di questo volume non possono essere fotocopiate o ciclostilate o comunque riprodotte con alcun mezzo
meccanico. La casa editrice sarebbe particolarmente spiacente di dover promuovere, a sua
tutela, azioni legali verso coloro che arbitrariamente non si adeguano a tale norma.
L’Editore
Autori:
Francesco ALIBERTI – Università degli Studi di Napoli “Federico II”
Marco GUIDA – Università degli Studi di Napoli “Federico II”
Fiorenzo PASTONI – Università degli Studi di Pavia
Redazione: EdiSES S.r.l.
Progetto grafico e composizione: EdiSES S.r.l.
Fotoincisione e stampa: Tipolitografia Petruzzi Corrado & Co. s.n.c. – Zona Ind. Regnano – Città di Castello (PG)
per conto della EdiSES S.r.l. – Napoli
http://www.edises.it
ISBN
e-mail: [email protected]
978 88 6584 387 1
Prefazione
Rivolto ai candidati che intendono sostenere l’esame di Stato per l’abilitazione alla professione di
Biologo, il presente volume contiene una sintetica ma esaustiva trattazione teorica delle materie d’esame.
Il testo è suddiviso in tre sezioni, ciascuna delle quali suddivisa in capitoli. La prima sezione è
dedicata agli aspetti legislativi e deontologici ed esamina la principale regolamentazione professionale, le competenze professionali nei diversi ambiti lavorativi e il codice deontologico dei Biologi.
La seconda sezione tratta le conoscenze disciplinari acquisite nel corso di studi; partendo dalle
molecole biologiche e dalla cellula, vengono toccati i diversi ambiti disciplinari, quali la genetica,
la biologia evoluzionistica, la sistematica, la fisiologia animale e vegetale, l’anatomia, la zoologia,
la botanica, l’ecologia e l’igiene. La sezione di “Conoscenze applicative” riporta una varietà di tecniche di laboratorio comunemente utilizzate nei campi della biologia cellulare, della microbiologia,
della chimica biologica, della biologia molecolare e dell’ingegneria genetica.
Per completare la preparazione è inoltre disponibile il volume
➣ L’Esame di Stato per Biologi – raccolta di elaborati su tracce ufficiali: una raccolta di oltre
100 elaborati che simulano lo svolgimento di prove d’esame.
Indice generale
Sezione I
Aspetti giuridici e deontologici della professione di Biologo
Premessa
3
1
Leggi “strutturali” che regolamentano la professione di Biologo
5
1.1
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Legge n. 396 del 24 maggio 1967: la Legge istitutiva l’ordinamento della professione
di biologo
Il Decreto Legislativo n. 980 del 28 giugno 1982: l’introduzione dell’Esame di Stato
di abilitazione all’esercizio della professione di biologo
Il Decreto del Ministero di Grazia e Giustizia n. 362 del 22 luglio 1993
Il Decreto del Presidente della Repubblica n. 328 del 5 giugno 2001
Il Codice Deontologico della professione di Biologo
La formazione e l’aggiornamento professionale continui
L’Ente Nazionale di Previdenza ed Assistenza in favore dei Biologi (ENPAB)
2
Legislazione “trasversale”
2.1
2.2
2.3
Il settore della sicurezza dei prodotti destinati all’alimentazione
L’evoluzione concettuale dei criteri di qualità
La sicurezza e la tutela della salute nei luoghi di lavoro
2.3.1 Ambienti nei quali gli agenti biologici rappresentano l’oggetto dell’attività
2.3.2 Ambienti nei quali ciò che è oggetto di attività può costituire serbatoio o veicolo di agenti biologici
2.3.3 Ambienti nei quali non vi è alcuna relazione tra quanto oggetto di attività e gli
agenti biologici
2.3.4 Microrganismi reperibili negli ambienti di lavoro
2.3.5 Campionamenti dall’aria di ambienti di lavoro
2.3.6 Campionamenti dalle superfici di ambienti di lavoro
2.3.7 Campionamenti da strumenti ed attrezzature o da superfici contraddistinte da
particolari conformazioni
Le acque destinate al consumo umano
2.4.1 Controlli microbiologici sulle acque destinate al consumo umano
1.2
2.4
5
8
9
10
14
17
21
23
23
30
32
34
34
35
35
36
37
37
37
39
vi
2.5
Indice generale
I prodotti cosmetici
Riferimenti normativi e bibliografici
Sezione II
41
45
Conoscenze teoriche
3
La chimica dei viventi
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Bioelementi
Importanza biologica delle interazioni deboli
Proprietà dell’acqua
Le biomolecole
3.4.1 I lipidi
3.4.2 Carboidrati o glicidi
3.4.3 Gli amminoacidi e le proteine
3.4.4 Acidi nucleici, nucleosidi e nucleotidi
Ruolo degli enzimi
4
La cellula come base della vita
4.1
4.2
4.3
4.4
Teoria cellulare
Dimensioni cellulari
Microscopi
Cellula procariotica ed eucariotica
4.4.1 Cellula procariotica
4.4.2 Cellula eucariotica
4.4.3 Differenze tra cellula procariotica ed eucariotica
4.4.4 Differenze tra cellula vegetale ed animale
Membrana cellulare e sue funzioni
4.5.1 Struttura della membrana
4.5.2 Funzioni della membrana
4.5.3 Trasporto attraverso la membrana
Strutture cellulari e loro specifiche funzioni
4.6.1 Nucleo, citoplasma, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, mitocondri,
lisosomi, altri organuli
4.6.2 Citoscheletro
4.6.3 Matrice extracellulare
4.6.4 Giunzioni cellulari
La comunicazione cellulare
4.7.1 Segnalazione cellulare: una visione d’insieme
4.7.2 L’invio di segnali
4.7.3 La ricezione
4.7.4 Trasduzione del segnale
4.7.5 Le risposte ai segnali
4.7.6 Amplificazione e terminazione del segnale
Riproduzione cellulare: mitosi e meiosi. Corredo cromosomico
4.8.1 Ciclo cellulare
4.5
4.6
4.7
4.8
51
51
51
51
53
53
56
59
63
66
69
69
69
70
70
70
71
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73
74
74
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76
82
82
86
88
88
89
89
90
91
93
93
94
95
96
Indice generale
4.9
4.8.2 Mitosi e meiosi
4.8.3 Corredo cromosomico
Tessuti animali
4.9.1 Tessuto epiteliale
4.9.2 Tessuto connettivo
4.9.3 Tessuto muscolare
4.9.4 Tessuto nervoso
5
Bioenergetica
5.1
5.2
5.3
La valuta energetica delle cellule: ATP
Le ossido-riduzioni biologiche e i coenzimi delle ossido-riduzioni: NAD e FAD
Fotosintesi
5.3.1 Le reazioni della fase luminosa della fotosintesi
5.3.2 Le reazioni della fase oscura della fotosintesi
L’utilizzazione della materia e dell’energia da parte degli organismi eterotrofi
5.4.1 Le fermentazioni e la glicolisi
5.4.2 La respirazione cellulare
5.4.3 La fosforilazione ossidativa
5.4.4 Ruolo dei mitocondri nelle ossidazioni cellulari
5.4
6
Riproduzione ed ereditarietà
6.1
6.2
Cicli vitali
Riproduzione asessuata e sessuata
6.2.1 Conseguenze genetiche della meiosi
6.2.2 Gametogenesi
6.2.3 Fecondazione
Genetica mendeliana
6.3.1 Terminologia genetica
6.3.2 Leggi di Mendel
6.3.3 Interazione tra alleli (dominanza completa, incompleta, codominanza)
6.3.4 Reincrocio
6.3.5 Alleli multipli
6.3.6 Geni associati e geni indipendenti
6.3.7 Crossing-over e ricombinazione
Genetica classica
6.4.1 Teoria cromosomica dell’ereditarietà
6.4.2 Cromosomi sessuali
6.4.3 Determinazione del sesso
6.4.4 Eredità legata al sesso
6.4.5 Mappe cromosomiche
Genetica molecolare
6.5.1 Dogma centrale della biologia
6.5.2 DNA
6.5.3 Duplicazione del DNA
6.5.4 Riparazione del DNA
6.3
6.4
6.5
vii
96
97
99
99
102
117
123
131
132
135
137
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140
142
145
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150
153
153
153
155
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158
158
158
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164
165
165
165
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168
168
168
169
171
173
173
174
176
179
viii
6.6
6.7
6.8
6.9
Indice generale
6.5.5 DNA e geni
6.5.6 Ipotesi un gene-un enzima
6.5.7 Il DNA dei procarioti
6.5.8 Il cromosoma degli eucarioti
6.5.9 RNA
6.5.10 Trascrizione
6.5.11 Maturazione dell’RNA
6.5.12 Ribosomi
6.5.13 tRNA
6.5.14 Sintesi proteica (traduzione)
6.5.15 Modificazioni post-traduzionali, folding e degradazione delle proteine
6.5.16 Codice genetico
6.5.17 Regolazione dell’espressione genica
Mutazioni
6.6.1 Mutazioni geniche
6.6.2 Mutazioni cromosomiche
6.6.3 Mutazioni genomiche
6.6.4 Elementi genetici mobili
Genetica umana
6.7.1 Alberi genealogici
6.7.2 Trasmissione dei caratteri monofattoriali
6.7.3 Gruppi sanguigni
6.7.4 Malattie ereditarie
6.7.5 Caratteri multifattoriali
Le nuove frontiere della genetica: DNA ricombinante e sue applicazioni
6.8.1 Alcune applicazioni della tecnologia del DNA ricombinante
6.8.2 Ingegneria genetica e biotecnologie
Genetica dello sviluppo
6.9.1 Il differenziamento cellulare e l’equivalenza nucleare
6.9.2 Il controllo genetico dello sviluppo
6.9.3 Il cancro e lo sviluppo cellulare
7
Eredità e ambiente
7.1
Le teorie evolutive
7.1.1 Teoria di Lamarck
7.1.2 Teoria di Darwin
7.1.3 Prove dell’evoluzione
Basi genetiche dell’evoluzione
7.2.1 Legge di Hardy-Weinberg
I fattori evolutivi
7.3.1 Mutazione
7.3.2 Selezione
7.3.3 Deriva genetica
7.3.4 Migrazioni
Modelli evolutivi
La speciazione
7.2
7.3
7.4
7.5
180
181
181
181
183
183
185
186
186
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194
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199
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199
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204
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205
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206
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211
211
211
211
212
213
214
215
215
215
217
217
217
217
Indice generale
8
Anatomia e fisiologia degli animali e dell’uomo
8.1
Principali apparati e rispettive funzioni
8.1.1 Apparato locomotore
8.1.2 Apparato tegumentario
8.1.3 Apparato digerente
8.1.4 Apparato respiratorio
8.1.5 Apparato circolatorio
8.1.6 Apparato uro-genitale
8.1.7 Il sistema nervoso
8.1.8 Organi di senso
Omeostasi e sistema endocrino
8.2.1 Sistema endocrino
8.2.2 Ipofisi
8.2.3 Tiroide
8.2.4 Termoregolazione
8.2.5 Paratiroidi
8.2.6 Omeostasi degli ioni calcio
8.2.7 Pancreas
8.2.8 Ghiandole surrenali
8.2.9 Omeostasi glicemica
8.2.10 Risposta allo stress
8.2.11 Regolazione del pH del sangue
8.2.12 Mantenimento dell’equilibrio idrico-salino
8.2.13 Gonadi
8.2.14 Timo
8.2.15 Ghiandola pineale
8.2.16 Organi endocrini secondari
L’impulso nervoso
8.3.1 I tessuti eccitabili
8.3.2 Potenziali d’azione
La risposta immunitaria
8.4.1 Immunità innata
8.4.2 Infiammazione
8.4.3 Immunità acquisita
8.4.4 Alterazioni del sistema immunitario
8.4.5 Anticorpi monoclonali
Embriologia
8.5.1 Foglietti embrionali
8.5.2 Organogenesi
8.5.3 Annessi embrionali
8.2
8.3
8.4
8.5
ix
219
219
219
234
237
252
256
273
294
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347
347
349
350
351
361
363
363
363
369
373
9
Struttura e processi vitali delle piante
375
9.1
Struttura, crescita e differenziamento delle piante
9.1.1 Struttura e durata di vita delle piante
9.1.2 Il corpo della pianta
9.1.3 I meristemi delle piante
375
375
375
377
x
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
Indice generale
Struttura e funzione della foglia
9.2.1 Forma e struttura delle foglie
9.2.2 L’apertura e la chiusura degli stomi
9.2.3 Traspirazione e guttazione
9.2.4 L’abscissione delle foglie
9.2.5 Le foglie modificate
Fusti e trasporto nelle piante vascolari
9.3.1 La struttura esterna del fusto nei ramoscelli legnosi
9.3.2 La crescita e la struttura del fusto
9.3.3 Il trasporto nel corpo della pianta
Radici e nutrizione minerale
9.4.1 Struttura e funzione delle radici
9.4.2 Le associazioni delle radici con funghi e batteri
9.4.3 Il suolo
La riproduzione nelle angiosperme
9.5.1 Il ciclo vitale delle angiosperme
9.5.2 L’impollinazione
9.5.3 La fecondazione e lo sviluppo del seme e del frutto
9.5.4 La germinazione e le prime fasi di crescita
9.5.5 La riproduzione asessuata nelle angiosperme
9.5.6 Un confronto tra riproduzione sesssuata e asessuata
Crescita e sviluppo delle piante
9.6.1 I tropismi
9.6.2 Ormoni vegetali e sviluppo
9.6.3 I segnali luminosi e lo sviluppo delle piante
10 La diversità della vita
10.1 Comprendere la diversità: la sistematica
10.1.1 La classificazione degli organismi
10.1.2 La determinazione delle principali ramificazioni dell’albero della vita
10.1.3 La ricostruzione della filogenesi
10.1.4 La costruzione degli alberi filogenetici
10.2 Virus e procarioti
10.2.1 I virus
10.2.2 Viroidi e prioni
10.2.3 I procarioti
10.2.4 I due domini procariotici
10.2.5 L’impatto dei procarioti sull’ambiente
10.3 I protisti
10.3.1 Introduzione ai protisti
10.3.2 L’evoluzione degli eucarioti
10.3.3 Protisti rappresentativi
10.4 Il regno Fungi
10.4.1 Le caratteristiche dei funghi
10.4.2 La diversità nei funghi
10.4.3 L’importanza ecologica dei funghi
10.4.4 L’importanza economica, biologica e medica dei funghi
377
377
379
380
380
380
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380
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400
402
403
403
403
404
405
407
407
407
409
410
Indice generale
10.5 Il regno Plantae: le piante senza semi
10.5.1 Gli adattamenti delle piante
10.5.2 Le briofite
10.5.3 Le piante vascolari senza semi
10.6 Il regno Plantae: le piante con seme
10.6.1 Un’introduzione alle piante con seme
10.6.2 Le gimnosperme
10.6.3 Le angiosperme
10.6.4 L’evoluzione delle piante con seme
10.7 Il regno Animalia: una introduzione alla diversità animale
10.7.1 Le caratteristiche degli animali
10.7.2 Gli adattamenti agli habitat
10.7.3 Le origini degli animali
10.7.4 La ricostruzione della filogenesi animale
10.7.5 I parazoi: le spugne
10.7.6 I radiati
10.8 Il regno Animalia: i protostomi
10.8.1 L’importanza del celoma
10.8.2 I lofotrocozoi
10.8.3 Gli ecdisozoi
10.9 Il regno Animalia: i deuterostomi
10.9.1 Cosa sono i deuterostomi?
10.9.2 Gli echinodermi
10.9.3 Le caratteristiche dei cordati
10.9.4 I cordati invertebrati
10.9.5 Una introduzione ai vertebrati
10.9.6 I pesci senza mascelle
10.9.7 L’evoluzione delle mascelle e degli arti: i pesci con mascelle e gli anfibi
10.9.8 Gli amnioti
11 Ecologia: le interazioni della vita
11.1 Ecologia delle popolazioni
11.1.1 Le caratteristiche delle popolazioni
11.1.2 Cambiamenti nelle dimensioni delle popolazioni
11.1.3 I fattori che influenzano le dimensioni di una popolazione
11.1.4 Le strategie di sopravvivenza
11.1.5 Le metapopolazioni
11.1.6 Le popolazioni umane
11.2 Ecologia delle comunità
11.2.1 La struttura e il funzionamento delle comunità
11.2.2 La biodiversità delle comunità
11.2.3 Lo sviluppo delle comunità
11.3 Ecosistemi e biosfera
11.3.1 Il flusso di energia attraverso gli ecosistemi
11.3.2 I cicli della materia negli ecosistemi
11.3.3 La regolazione bottom-up e top-down degli ecosistemi
11.3.4 I fattori abiotici negli ecosistemi
xi
410
410
411
411
413
413
414
415
415
416
416
417
417
417
420
420
420
420
421
423
423
423
424
424
425
425
426
426
427
429
429
429
429
430
430
431
431
432
432
434
434
435
435
435
436
436
xii
Indice generale
11.3.5 Lo studio dei processi degli ecosistemi
11.4 Ecologia e biogeografia
11.4.1 I biomi
11.4.2 Gli ecosistemi acquatici
11.4.3 Gli ecotoni
11.4.4 La biogeografia
11.5 Questioni ambientali globali
11.5.1 Il declino della biodiversità
11.5.2 La biologia della conservazione
11.5.3 La deforestazione
11.5.4 Il riscaldamento globale
11.5.5 La diminuzione dell’ozono stratosferico
11.5.6 Le connessioni tra i problemi ambientali
12 Igiene
12.1 Malattie infettive
12.1.1 Contaminazione
12.1.2 Penetrazione
12.1.3 Localizzazione
12.1.4 Infezione
12.1.5 Modalità di trasmissione
12.1.6 Prevenzione
12.2 Epidemiologia
12.3 Matrice alimentare
12.3.1 Pericoli biologici
12.3.2 Pericoli chimici
12.3.3 Pericoli fisici
12.3.4 Carne
12.3.5 Prodotti della pesca
12.3.6 Latte e derivati
12.3.7 Uova
12.3.8 Vegetali e frutta
12.3.9 Cereali e derivati
12.3.10 Normativa
12.3.11 Metodiche analitiche per lo studio delle matrici alimentari
12.4 Epidemiologia delle malattie trasmesse con gli alimenti
12.4.1 Malattie trasmesse con gli alimenti
12.4.2 Patogeni classici
12.4.3 Patogeni emergenti
12.5 Matrice acqua
12.5.1 Riferimenti legislativi
12.5.2 Potabilizzazione
12.5.3 Malattie veicolate dall’acqua
12.5.4 Reflui
12.6 Rifiuti solidi
12.6.1 Raccolta e allontanamento
12.6.2 Smaltimento
437
438
438
439
441
441
442
442
442
443
443
444
444
445
445
445
446
446
446
446
448
459
463
464
464
464
465
466
467
469
469
470
471
473
473
474
475
475
476
480
481
483
486
488
489
489
Indice generale
12.6.3 Classificazione dei rifiuti
12.6.4 Gestione dei rifiuti: Decreto Legislativo n. 152/06
12.6.5 Riutilizzo, reimpiego e riciclaggio dei rifiuti
12.7 Rischio biologico
12.7.1 Identificazione del pericolo
12.7.2 Valutazione della relazione dose-risposta
12.7.3 Valutazione dell’esposizione
12.7.4 Caratterizzazione del rischio
12.7.5 Rischio biologico in ambiente sanitario
12.7.6 Rischio biologico in ambiente non sanitario
Bibliografia
Sezione III
xiii
491
491
492
493
495
496
497
497
498
499
502
Conoscenze applicative
13 Tecniche di biologia cellulare
13.1 Microscopia
13.1.1 Microscopia ottica
13.1.2 Microscopia elettronica
13.2 Visualizzazione del rilascio di calcio nelle cellule
13.3 Frazionamento cellulare
13.4 Colture cellulari
13.4.1 Coltura di cellule vegetali
13.5 Replica plating
13.6 Misurazione del potenziale di membrana
13.7 Produzione di anticorpi monoclonali
14 Tecniche microbiologiche
14.1 Colture di microrganismi
14.2 Tecniche di analisi dei microrganismi
14.2.1 Metodi fenotipici per l’identificazione dei microrganismi
14.2.2 Metodi molecolari per l’identificazione dei microrganismi
14.3 Antibiogramma
14.4 Valutazione microbiologica delle urine
14.5 Tecniche diagnostiche
14.5.1 Diagnosi delle malattie batteriche
14.5.2 Diagnosi delle malattie virali
14.5.3 Tecniche di diagnosi sierologiche
14.5.4 Diagnostica delle infezioni da HIV
Bibliografia
15 Tecniche di purificazione e caratterizzazione delle proteine
15.1 Estrazione delle proteine dalle cellule
15.2 Cromatografia su colonna
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xiv
Indice generale
15.2.1 Cromatografia per esclusione molecolare
15.2.2 Cromatografia di affinità
15.2.3 Cromatografia a scambio ionico
15.3 Elettroforesi
15.3.1 Elettroforesi su gel di agarosio e su gel di poliacrilammide
15.4 Determinazione della struttura primaria di una proteina
15.4.1 Scissione della proteina in peptidi
15.4.2 Determinazione della sequenza dei peptidi: il metodo di Edman
16 Tecniche di biotecnologia degli acidi nucleici
16.1 Purificazione e rivelazione degli acidi nucleici
16.1.1 Tecniche di separazione
16.1.2 Metodi di rivelazione
16.2 Endonucleasi di restrizione
16.2.1 Molte endonucleasi di restrizione producono estremità coesive
16.3 Clonaggio
16.3.1 Utilizzo delle estremità coesive per costruire il DNA ricombinante
16.3.2 Clonaggio
16.3.3 Plasmidi
16.4 Ingegneria genetica
16.4.1 La ricombinazione avviene in natura
16.4.2 I batteri come fabbriche di proteine
16.4.3 Vettori di espressione
16.4.4 Ingegneria genetica negli eucarioti
16.5 Librerie di DNA
16.5.1 Trovare un singolo clone in una libreria di DNA
16.6 La reazione a catena della polimerasi
16.6.1 I vantaggi della PCR
16.7 Il DNA fingerprinting
16.7.1 I polimorfismi di lunghezza dei frammenti di restrizione nell’analisi forense
16.8 Il sequenziamento del DNA
16.9 Genomica e proteomica
16.9.1 DNA microarray
16.9.2 Array di proteine
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Guida all’esame
di abilitazione
alla professione di Biologo
L’iscrizione all’albo professionale dell’Ordine Nazionale dei Biologi (ONB) richiede il superamento dell’esame di Stato per l’abilitazione alla professione. Tale albo professionale comprende due
sezioni: agli iscritti alla sezione A, alla quale si accede con il titolo di laurea specialistica, spetta il
titolo professionale di Biologo, mentre agli iscritti alla sezione B, alla quale si accede con il titolo
di laurea, spetta il titolo professionale di Biologo junior. Le materie oggetto d’esame sono contenute negli artt. 32 e 33 del D.P.R. 328/2001.
L’esame di Stato per l’iscrizione alla sezione A è articolato in due prove scritte, una prova orale e una prova pratica.
La prima prova scritta verte su argomenti di ambito biofisico, biochimico, biomolecolare, biotecnologico, biomatematico e biostatistico, biomorfologico, clinico biologico, ambientale e microbiologico. La seconda prova scritta verte su temi di igiene, management e legislazione professionale, certificazione e gestione della qualità. La prova orale ha per oggetto le materie delle prove scritte, nonché la legislazione e la deontologia professionale. La prova pratica consta di valutazioni epidemiologiche e statistiche, utilizzo di strumenti per la gestione e la valutazione della qualità, valutazione dei risultati sperimentali ed esempi di finalizzazione di esiti.
L’esame di Stato per l’iscrizione alla sezione B è anch’esso articolato in due prove scritte, una
prova orale e una prova pratica. La prima prova scritta verte su argomenti di ambito biofisico, biochimico, biomolecolare, biomatematico e statistico. La seconda prova scritta verte su temi di ambito biomorfologico, ambientale, microbiologico e merceologico. La prova orale ha per oggetto le
materie delle prove scritte, nonché la legislazione e la deontologia professionale. La prova pratica
consiste nella soluzione di problemi o casi coerenti con i diversi ambiti disciplinari e nell’esecuzione diretta o con mezzi informatici di esperimenti relativi agli ambiti disciplinari di competenza.
LE PROVE SCRITTE
Per l’abilitazione alla professione di Biologo junior i temi dovrebbero essere di carattere prevalentemente tecnico, mentre per l’abilitazione alla professione di Biologo dovrebbero essere di carattere più scientifico. In entrambi i casi, per ogni prova vengono proposte tre tracce fra le quali il candidato può scegliere.
Trattandosi di un programma molto vasto, un primo consiglio da non sottovalutare è quello di
informarsi sulle materie insegnate dai Commissari designati dall’Università e sui settori professionali in cui operano i Commissari designati dall’Ordine: normalmente, infatti, le tracce assegnate
riguardano gli argomenti di competenza o di maggiore interesse dei Commissari.
Circa lo svolgimento, dal momento che l’Università non abitua a svolgere temi, ma relazioni,
tesi e tesine che sono ben altra cosa, è bene tenere a mente poche semplici regole.
xvi
Guida all’esame di abilitazione alla professione di Biologo
In un tema si deve dimostrare la propria capacità di sintesi, senza cadere nell’ovvio e nel banale, mentre nelle relazioni e nelle tesine si descrive dettagliatamente e, laddove si sintetizza, lo si fa
per riassumere o per spiegare con parole diverse; in un tema il candidato, più che spiegare, deve
saper cogliere e descrivere in poche pagine le linee essenziali ed i principi che regolano un certo
fenomeno, una certa metodica o una tecnica, ecc.
Per prima cosa si consiglia di leggere attentamente la traccia del tema per capire che cosa la
commissione chiede, dal momento che uno stesso argomento può essere affrontato in modi diversi:
riuscire a comprendere il “giusto taglio” da dare al tema è un primo importante passo per la corretta stesura; particolare attenzione va posta sul tipo di traccia: se ad esempio viene richiesto lo sviluppo della parte tecnica oltre a quella teorica (normalmente è sottinteso un riferimento alla parte
tecnica, a meno che il tipo di argomento assegnato lo escluda).
Una volta compreso l’argomento e definito il taglio da dare al tema, è utile preparare una “scaletta” che comprenda i punti da affrontare e che preveda quanto spazio (in termini di righe) andrà
dedicato ad ogni punto. Si tratta di un utile esercizio perché un elemento fondamentale nella valutazione di un elaborato è l’equilibrio delle sue parti ed il rischio che si corre in assenza di uno schema iniziale è una sproporzione nella trattazione o una lunghezza eccessiva dell’elaborato nel suo
complesso. La scaletta normalmente prevede una breve introduzione, l’esposizione degli argomenti punto per punto ed eventualmente qualche riga di conclusione.
Nel corso della stesura può risultare utile una rilettura della traccia e della scaletta al fine di verificare la coerenza concettuale del nostro elaborato rispetto alle consegne e l’equilibrio delle parti
rispetto a quanto ipotizzato. Si consiglia, inoltre, di prestare attenzione alla forma, rispettando ortografia e punteggiatura ma anche evitando espressioni troppo personali (secondo me, credo che, etc.)
o abbreviazioni colloquiali (per es., xché, etc.).
In fase di esercitazione, si consiglia inoltre di scrivere a mano e non su pc e di leggere qualche
abstract scientifico.
Talvolta alcune commissioni indicano una lunghezza media per gli elaborati (tra le quattro e le
cinque pagine) ma, anche in assenza di indicazioni, appare controproducente dilungarsi troppo, sia
per dimostrare le proprie capacità di sintesi sia per evitare di impegnare la commissione in correzioni troppo lunghe e laboriose.
LA PROVA ORALE
L’orale verte sulla discussione delle prove scritte e sulla Legislazione e Deontologia professionale. Per la discussione del tema è buona prassi rivedere (su libri o appunti) gli argomenti richiesti dalla traccia e trattati nell’elaborato, in modo da poter chiarire quanto si è scritto, discuterlo ed eventualmente (nel caso ci si rendesse conto di aver scritto delle inesattezze) difenderlo. Quanto alla
legislazione, sarà naturalmente opportuno approfondire le tematiche legate all’argomento (per
esempio, le tecniche o le procedure) delle prove scritte. In tal modo si potrà cercare di orientare la
discussione a proprio vantaggio mantenendosi nell’ambito di argomenti noti.
PROVA PRATICA
Le materie oggetto della prova pratica sono elencate negli artt. 32 e 33 del D.P.R. 328/2001.
In genere la commissione dà al candidato la possibilità di scegliere una prova tra quelle proposte.
È anche possibile che la prova pratica (soprattutto quando non prevede una prova di laboratorio) possa essere composta da due prove differenti (ad esempio, riconoscimento di preparato istologico e lettura e commento di emocromo o di tracciato elettroforetico).
4
La cellula come base della vita
4.1 TEORIA CELLULARE
La teoria cellulare, la cui elaborazione risale circa a metà dell’Ottocento da parte di Schleiden e
Schwann, segna la nascita della biologia moderna ed afferma che:
– la cellula è l’unità fondamentale della materia vivente;
– tutti gli organismi viventi sono formati da cellule;
– le cellule derivano esclusivamente dalla divisione di altre cellule.
4.2 DIMENSIONI CELLULARI
Pur essendo le dimensioni cellulari molto variabili, la maggior parte delle cellule ha dimensioni
microscopiche ed è visibile al microscopio ottico (Fig. 4.1).
p Figura 4.1 Dimensioni cellulari.
70
Sezione II: Conoscenze teoriche
Per misurare le cellule, conviene utilizzare il micrometro (μm), che corrisponde a un milione–6
simo di metro (10 m). Gli organuli cellulari si misurano utilizzando il nanometro (nm), che cor–9
–10
risponde a un millesimo di micrometro (10 m). L’angstrom (Å) corrisponde a 10 m.
Le cellule procariotiche sono più piccole delle cellule eucariotiche (hanno le dimensioni circa di
un mitocondrio) (Tabella 4.1).
4.3 MICROSCOPI
Lo studio delle cellule può essere effettuato con vari metodi, tra cui il più utilizzato è la microscopia. Il microscopio ottico consente di analizzare cellule fissate e colorate oppure cellule vive. Al
suo massimo ingrandimento (circa 1000 volte) si possono osservare i batteri.
Attenzione: al microscopio ottico non si vedono i virus! Con il microscopio elettronico (a
scansione o a trasmissione) si osservano le cellule (che sono state fissate, quindi sono morte!) a un ingrandimento di circa 250.000 volte.
4.4 CELLULA PROCARIOTICA ED EUCARIOTICA
Si distinguono due tipi di cellule: le cellule procariotiche e le cellule eucariotiche1.
4.4.1 CELLULA
PROCARIOTICA
2
Le cellule procariotiche sono prive di un nucleo delimitato da membrana e costituiscono organismi detti procarioti (organismi unicellulari, cioè formati da una sola cellula)3. Un esempio sono i
batteri (attenzione: i batteri sono unicellulari, anche se formano colonie!). I batteri, invisibili ad
occhio nudo, sono visibili al microscopio ottico. La struttura dei batteri (Fig. 4.2) comprende: i
flagelli batterici4, la capsula, la parete cellulare5, la membrana plasmatica, il citosol dove si trovano i ribosomi (70S)6 e il nucleoide o area nucleare (una zona dove si trova il cromosoma batterico, costituito da una singola molecola di DNA circolare). I batteri possono contenere anche altre
piccole molecole di DNA circolari, dette plasmidi, capaci di replicarsi autonomamente e utilizzati
in ingegneria genetica.
(1)
In realtà, è stato scoperto un terzo tipo di cellula, quella degli archeobatteri, che presenta alcune caratteristiche
sia delle cellule procariotiche che di quelle eucariotiche.
(2)
Il termine procariotico (dal greco pro-, precedente, e karyon, nucleo) sottolinea che queste cellule sono comparse
sulla Terra prima delle cellule eucariotiche.
(3)
Attualmente, i procarioti vengono suddivisi in eubatteri ed archeobatteri.
(4)
I flagelli batterici non devono essere confusi con i flagelli delle cellule eucariotiche. Entrambi sono appendici
mobili, ma diversa è la struttura. I flagelli batterici sono formati da polimeri di una sola proteina, la flagellina, mentre i flagelli eucariotici (analogamente alle ciglia) sono formati da microtubuli.
(5)
La parete delle cellule batteriche è diversa per composizione e struttura da quella delle cellule vegetali. Nei batteri, essa è formata da peptidoglicano, un polimero complesso di due aminozuccheri legati a corti polipeptidi.
(6)
I ribosomi sono caratterizzati dal coefficiente di sedimentazione o valore di S (unità Svedberg), una misura della loro velocità di sedimentazione, che è funzione della forma e delle dimensioni. I ribosomi delle cellule eucariotiche sono più grossi (80S).
4 La cellula come base della vita
Flagello
batterico
71
Ribosomi
Nucleoide Citoplasma
Capsula
Pili Membrana Parete
plasmatica cellulare
p Figura 4.2 Struttura di una cellula batterica.
I batteri sono privi di organuli citoplasmatici circondati da membrana. Gli enzimi necessari per
le funzioni vitali del batterio possono essere localizzati sulla membrana plasmatica, sui mesosomi
(ripiegature della membrana plasmatica) o nel citoplasma. Alcuni batteri formano endospore, cellule “a riposo” capaci di sopravvivere per molto tempo in condizioni ambientali avverse. La riproduzione dei batteri è una riproduzione asessuata che avviene mediante scissione binaria (scissione della cellula in due parti uguali) (Fig. 4.3).
Attenzione: nei batteri non avviene né la mitosi né la meiosi! In condizioni ottimali, i batteri si riproducono circa ogni 20 minuti; un fattore limitante la crescita dei batteri in coltura
è l’esaurimento delle sostanze nutritive nel terreno di coltura.
p Figura 4.3 La riproduzione dei batteri.
4.4.2 CELLULA
EUCARIOTICA
La parola eucariote significa “vero” nucleo. Infatti, le cellule eucariotiche sono caratterizzate dalla
presenza di un nucleo delimitato da un involucro membranoso. Nelle cellule eucariotiche, si osserva, inoltre, una compartimentazione (presenza di molteplici compartimenti intracellulari delimitati
da membrana con funzioni diverse, Fig. 4.4) del tutto assente nelle cellule procariotiche. Gli organismi formati da cellule eucariotiche possono essere organismi unicellulari (alcuni protisti) oppure
organismi pluricellulari (piante, funghi, animali). Le diverse dimensioni degli organismi pluricellulari, ad es. elefante e formica, sono dovute ad un numero diverso di cellule che compongono l’organismo.
72
Sezione II: Conoscenze teoriche
Membrana plasmatica
Vescicola
endocitosica
Lisosoma
Involucro
nucleare
Vescicole di trasporto
Mezzo extracellulare
Spazio perinucleare
Endosoma precoce
Endosoma tardivo
Complesso di Golgi
Vescicole
secretorie
Reticolo
endoplasmatico
liscio
Ribosomi
Perossisomi
Citosol
Reticolo
endoplasmatico
rugoso
p Figura 4.4 Alcuni compartimenti di una cellula eucariotica: nucleo, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, mitocondri, lisosomi, perossisomi. Involucro nucleare, reticolo
endoplasmatico, apparato di Golgi, mitocondri, cloroplasti (nelle cellule vegetali), lisosomi
(ma non i perossisomi) costituiscono il sistema di endomembrane.
4.4.3 DIFFERENZE
TRA CELLULA PROCARIOTICA ED EUCARIOTICA
Le principali differenze tra cellula procariotica ed eucariotica sono riassunte nella Tabella 4.1.
Tabella 4.1 Differenze tra cellula procariotica ed eucariotica
Caratteristica
Cellula procariotica
(eubatteri)
Cellula eucariotica (protisti,
funghi, piante, animali)
Dimensione (diametro)
0,3-2 µm
2-25 µm
Nucleo avvolto da involucro
assente
presente
Nucleolo
assente
presente
Cromosomi
1, circolare
molti, in genere lineari
Organuli cellulari (mitocondri, cloroplasti, assenti
ret. endoplasm., app. Golgi, lisosomi, ecc.)
presenti
Ribosomi
70 S
80 S
Citoscheletro
assente
presente
Mesosomi
presenti
assenti
Flagelli
composti da flagellina
composti da microtubuli
Parete cellulare
presente (peptidoglicano)
assente (cellule animali); presente
(piante, cellulosa, e funghi, chitina)
Divisione cellulare
scissione binaria
mitosi o meiosi
Metabolismo
anaerobico o aerobico
aerobico
9
9.1
9.1.1
STRUTTURA E PROCESSI VITALI
DELLE PIANTE
STRUTTURA, CRESCITA E DIFFERENZIAMENTO DELLE PIANTE
STRUTTURA E DURATA DI VITA DELLE PIANTE
Le piante possono essere erbacee (non legnose) o legnose. Nei climi temperati, le parti aeree delle
piante erbacee muoiono, mentre quelle delle piante legnose persistono.
Le piante erbacee annuali (come il mais, il geranio e la calendula) crescono, si riproducono e
muoiono nell’arco di un anno o meno; le piante erbacee biennali (come la carota) impiegano due
anni per completare il loro ciclo vitale, prima di morire e le piante perenni (come l’asparago e la
quercia) possono essere erbacee o legnose e possono vivere più di due anni.
Le piante mostrano diverse strategie di sopravvivenza che assicurano loro il successo riproduttivo e la sopravvivenza. Sembra che in certi ambienti sia vantaggioso un periodo di vita lungo, mentre in altri uno corto può aumentare le possibilità riproduttive di una specie. Ad esempio, gli alberi
longevi prosperano nelle foreste pluviali tropicali, dove la competizione impedisce alla maggior
parte delle piccole piante a vita breve di stabilirsi, mentre le piccole piante a vita breve prosperano
in ambienti relativamente sfavorevoli, come i deserti dopo un periodo di pioggia.
9.1.2
IL CORPO DELLA PIANTA
Il corpo di una pianta vascolare è tipicamente costituito da un sistema di radici e da un sistema di
germogli (Fig. 9.1). Il sistema radicale è generalmente sotterraneo e assorbe l’acqua e i minerali necessari alla pianta. Le radici hanno anche il compito di ancorare saldamente la pianta al suolo.
Il sistema dei germogli è normalmente aereo, assorbe l’energia solare ed effettua lo scambio di
gas, come l’ossigeno, l’anidride carbonica e il vapore acqueo. Il sistema dei germogli è costituito da
un fusto verticale che sostiene le foglie (i principali organi della fotosintesi) e le strutture riproduttive
(nelle angiosperme, fiori e frutti). Le gemme (germogli embrionali non sviluppati) si sviluppano sui
fusti. Nonostante la pianta possieda organi separati (radici, fusti, foglie, strutture floreali e frutti), i
sistemi di tessuti sono tra loro integrati in tutto il corpo della pianta, fornendo continuità tra i vari organi. Il corpo di una pianta è costituito da tre sistemi tissutali: fondamentale, vascolare e dermico.
Il sistema dei tessuti fondamentali è costituito da tre tessuti con una varietà di funzioni. Il parenchima è un tessuto costituito da cellule parenchimatiche viventi con una sottile parete cellulare
primaria. Le funzioni del parenchima includono la fotosintesi, l’accumulo e la secrezione.
Il collenchima è un tessuto costituito da cellule collenchimatiche con pareti cellulari primarie irregolarmente ispessite. Questo tessuto fornisce un sostegno strutturale flessibile.
Lo sclerenchima è un tessuto costituito da cellule sclerenchimatiche (sclereidi o fibre) con pareti cellulari primarie e pareti cellulari secondarie. Le cellule sclerenchimatiche sono spesso
morte alla maturità, ma forniscono un sostegno strutturale.
376
Sezione II: Conoscenze teoriche
Frutto in sviluppo
Nodi (zone di attacco delle foglie e delle gemme ascellari)
Fiore
Sistema
dei germogli
Gemma ascellare
Internodo (zona tra nodi adiacenti)
Picciolo Lamina
Foglia
Antera dello stame
Fusto
Stigma del pistillo
Rosetta
di foglie basali
Ovario del pistillo
(costituito da due carpelli)
Sepalo
Sistema
delle radici
Petalo
Apparato radicale a fittone
Radici ramificate
p Figura 9.1 Il corpo delle piante. Il corpo di una pianta è costituito da un sistema radicale,
in genere sotterraneo, e da un sistema di germogli, in genere aereo. Nella figura è mostrata
Arabidopsis thaliana, una piccola pianta della famiglia delle crucifere, che costituisce una
pianta modello nella ricerca biologica. Arabidopsis è originaria del Nord Africa e
dell'Eurasia ed è stata naturalizzata (è stata introdotta in natura e ora cresce in modo spontaneo) in California e nella parte orientale degli Stati Uniti.
Il sistema dei tessuti vascolari trasporta le sostanze in tutta la pianta e fornisce sostegno e rigidità. È costituito da due tessuti complessi: xilema e floema.
Lo xilema è deputato alla conduzione dell’acqua e dei minerali in soluzione e fornisce sostegno
strutturale. Le cellule dello xilema effettivamente coinvolte nel trasporto sono le tracheidi e gli elementi vasali (trachee).
Il floema trasporta le sostanze nutritive, vale a dire i carboidrati, e fornisce sostegno strutturale.
È costituito da quattro differenti tipi cellulari: gli elementi dei tubi cribrosi, le cellule compagne, le
fibre e le cellule parenchimatiche. Gli elementi dei tubi cribrosi sono le cellule di conduzione del
floema e sono coadiuvati dalle cellule compagne.
Il sistema dei tessuti dermici formato dall’epidermide e dal periderma costituisce la copertura
protettiva esterna della pianta.
L’epidermide è un tessuto complesso che riveste la superficie delle piante erbacee e le cellule epi-
9 Struttura e processi vitali delle piante
377
dermiche delle parti aeree secernono una cuticola cerosa che riduce la perdita d’acqua dalla superficie della pianta. Gli stomi, piccoli pori presenti sull’epidermide, permettono lo scambio di gas tra i
tessuti interni del sistema dei germogli e l’atmosfera circostante. L’epidermide può anche contenere
i tricomi, appendici, o peli, con forme e dimensioni diverse, che svolgono molteplici funzioni.
Il periderma è un tessuto complesso che riveste la superficie delle piante legnose.
9.1.3
I MERISTEMI DELLE PIANTE
La crescita delle piante, a differenza di quella degli animali, è localizzata in aree specifiche, chiamate meristemi, e coinvolge tre processi: divisione, allungamento e differenziamento cellulare.
Nelle piante si osservano due tipi di crescita: primaria e secondaria.
La crescita primaria consiste nell’aumento della lunghezza di fusto e radice e avviene in tutte
le piante ed è dovuta all’attività dei meristemi apicali, localizzati agli apici della radice e dei germogli dei fusti e all’interno delle gemme dei fusti.
La crescita secondaria, un aumento del diametro (spessore) di fusto e radice, è localizzata, poiché avviene normalmente in lunghi cilindri di cellule meristematiche per tutta la lunghezza delle radici e dei fusti più vecchi, e avviene a livello dei due meristemi laterali: il cambio cribrolegnoso
(vascolare) e il cambio suberofellodermico.
9.2
9.2.1
STRUTTURA E FUNZIONE DELLA FOGLIA
FORMA E STRUTTURA DELLE FOGLIE
Le foglie sono tipicamente costituite da una lamina, larga e appiattita, e da un picciolo, simile ad un
gambo. Alcune foglie presentano anche delle piccole estroflessioni a forma di foglia, dette stipole,
emergenti dalla loro base (Fig. 9.2).
Le foglie possono essere semplici (con lamina singola) o composte (con lamina suddivisa in
due o più foglioline).
Lamina
Venature
Picciolo
Gemma ascellare
Stipole
Fusto
p Figura 9.2 Parti di una foglia. Una foglia di geranio è costituita da una lamina, un
picciolo e due stipole alla base della foglia.
Da notare la gemma ascellare nell’ascella
della foglia.
378
Sezione II: Conoscenze teoriche
La disposizione delle foglie sul fusto può essere alternata (una foglia in ogni nodo), opposta
(due foglie in ogni nodo) o verticillata (tre o più foglie in ogni nodo).
Le lamine delle foglie possono mostrare venature parallele o reticolate. Le venature reticolate
possono essere palmate (con diverse venature principali che si dipartono da un punto) o pennate
(con diverse venature che si diramano dalla venatura centrale per tutta la lunghezza). La foglia è costituita da epidermide, tessuto fondamentale (mesofillo) e tessuto vascolare. Le superfici superiore
ed inferiore della foglia sono rivestite dall’epidermide, ricoperta da una cuticola cerosa che permette alla pianta di sopportare le condizioni di siccità della vita terrestre (Fig. 9.3).
L’epidermide è tipicamente ricoperta dagli stomi, piccoli pori che permettono lo scambio dei
gas necessario alla fotosintesi. Ogni poro è circondato da due cellule di guardia, deputate al controllo dell’apertura e della chiusura degli stomi, spesso associate a cellule epidermiche speciali, dette cellule sussidiarie, le quali rappresentano una riserva di acqua e ioni, che entrano ed escono dalle cellule di guardia quando esse cambiano forma durante l’apertura e la chiusura degli stomi. Il mesofillo è costituito da cellule parenchimatiche fotosintetiche ed è diviso in mesofillo a palizzata,
che è il sito della fotosintesi, e mesofillo spugnoso, che permette soprattutto la diffusione dei gas.
Le nervature, o fasci vascolari, possiedono due tipi di tessuto vascolare: lo xilema, per la conduzione dell’acqua e dei minerali essenziali alla foglia, e il floema, per il trasporto degli zuccheri prodotti durante la fotosintesi in tutti i distretti della pianta. La struttura della foglia differisce nelle monocotiledoni e nelle dicotiledoni; ad esempio, le foglie delle monocotiledoni hanno venature parallele,
mentre le foglie delle dicotiledoni hanno venature reticolate.
Mesofillo
a palizzata
Nervatura
(fascio vascolare)
Cuticola
Epidermide
superiore
Mesofillo
spugnoso
Guaina
del fascio
Xilema
Floema
Stoma
Spazio aereo
Epidermide
inferiore
Stoma
Cellule di guardia
p Figura 9.3 I tessuti di una tipica lamina fogliare. La lamina fogliare è coperta da un’epidermide superiore e un’epidermide inferiore. Il tessuto fondamentale fotosintetico, il mesofillo, è spesso organizzato in strati a palizzata e spugnosi. Le nervature si diramano in tutto il
mesofillo.
