Programma ragionato di Biologia - IISS Monticelli-Simone

I costituenti della materia
La natura della materia: l'atomo
Gli atomi sono formati da tre tipi di particelle subatomiche:
• protoni
- hanno carica elettrica positiva
- si trovano nella zona centrale dell'atomo (nucleo atomico)
• neutroni
- sono privi di carica elettrica
- si trovano nel nucleo atomico insieme ai protoni
• elettroni
- hanno carica elettrica negativa
- orbitano attorno al nucleo, a una certa distanza da esso
- hanno massa trascurabile
- sono importanti nella formazione dei legami tra gli atomi
Gli atomi sono elettricamente neutri perché hanno lo stesso numero di protoni e di elettroni.
Gli elementi:
• sono sostanze formate da un solo tipo di atomi
• non possono essere scomposti in sostanze più semplici
• sono individuati dal numero atomico, cioè dal numero di protoni
• possono avere isotopi, cioè forme dello stesso elemento che differiscono tra loro per il numero di
neutroni
I legami chimici trasformano la materia
Gli atomi raggiungono uno stato più stabile legandosi tra loro con legami chimici.
Il legame chimico è:
• covalente quando si ha messa in comune di elettroni
- polare se gli atomi hanno diversa elettronegatività, cioè capacità di attrarre a sé gli elettroni di
legame
- omopolare se gli atomi hanno la stessa elettronegatività
• ionico quando si ha cessione e acquisto di elettroni
• a idrogeno quando si forma tra un atomo di idrogeno, impegnato in un legame covalente polare, e
un atomo più elettronegativo (per es. ossigeno o azoto)
In una reazione chimica la massa si conserva, cioè non si crea né si distrugge materia (legge di
conservazione della massa).
Un composto è una sostanza formata dalla combinazione di due o più elementi.
Una molecola è un gruppo di atomi legati assieme in un determinato rapporto e in una determinata
disposizione spaziale.
Gli elementi possono essere:
• inerti
- non tendono a formare legami chimici con altri elementi
- hanno il livello elettronico esterno completo
• reattivi
- tendono a formare legami chimici con altri elementi
- hanno il livello elettronico esterno incompleto
Uno ione:
• è un atomo dotato di carica
• è positivo se ha perso elettroni
• è negativo se ha acquistato elettroni
Alcune caratteristiche dei composti chimici
Le molecole hanno forma tridimensionale.
In una molecola biologica la forma
• ne determina l'attività
• ne determina la capacità di legarsi ad altre molecole
Le soluzioni sono miscugli omogenei formati da uno o più soluti sciolti in un solvente.
I soluti:
• hanno solubilità diversa nei diversi solventi
• si sciolgono grazie alla rottura dei loro legami chimici da parte dei solventi
• tendono a sciogliersi nei solventi che hanno la loro stessa natura (polare o non polare)
La chimica e la vita
L'importanza dell'acqua per gli esseri viventi
Negli esseri viventi l'acqua:
• è l'ambiente in cui si svolgono i processi vitali
• rappresenta più del 75% della massa di una cellula
• partecipa alla maggior parte delle reazioni chimiche della vita
L'acqua ha alcune singolari proprietà che le derivano dalla sua struttura:
• elevato potere solvente nei confronti di sostanze polari
- è dovuto ai legami a idrogeno che l'acqua forma con queste sostanze
• minore densità allo stato solido rispetto allo stato liquido (il ghiaccio galleggia sull'acqua)
- è dovuta alla maggiore distanza tra le molecole d'acqua allo stato solido
• elevato calore specifico
- è dovuto ai molti legami a idrogeno dell'acqua
• elevata tensione superficiale
- è dovuta alla notevole forza di coesione che tiene unite le molecole d'acqua
Le sostanze sono:
• idrofile se interagiscono con l'acqua
• idrofobe se non interagiscono con l'acqua
Gli acidi e le basi sono importanti per la vita
Le sostanze in soluzione si comportano come:
• acidi, se cedono ioni idrogeno
• basi, se accettano ioni idrogeno
La scala del pH:
• esprime l'acidità o la basicità di una soluzione
• va da 0 a 14
- le soluzioni con pH da 0 a 7 sono acide
- le soluzioni con pH = 7 sono neutre
- le soluzioni con pH da 7 a 14 sono basiche
• è una scala logaritmica
Gli esseri viventi:
• non tollerano valori estremi di pH
• necessitano di un pH vicino alla neutralità
• mantengono costante il loro pH interno grazie a sistemi tampone
Il carbonio è l'elemento base del mondo vivente
I composti del carbonio costituiscono la materia vivente.
Gli atomi di carbonio:
• formano i composti organici con idrogeno, azoto e ossigeno
• formano con facilità 4 legami covalenti
• si legano tra loro formando lunghe catene lineari, catene ramificate o molecole chiuse ad anello
Il modello "a mattoni" delle molecole biologiche
Le molecole biologiche sono:
• monomeri
- sono le unità di base delle molecole complesse
- ne fanno parte i monosaccaridi, gli aminoacidi, i nucleotidi
• polimeri
- sono molecole complesse formate dall'unione di molti monomeri
- ne sono esempi l'amido, le proteine, il DNA
La prima classe di molecole biologiche: i carboidrati
I carboidrati sono composti organici formati da carbonio, ossigeno e idrogeno.
I carboidrati possono essere:
• semplici
- formati da un solo monomero (monosaccaridi) come il glucosio
- formati da due monomeri (disaccaridi) come il maltosio
• complessi
- formati da catene di molti monomeri (polisaccaridi)
- hanno struttura lineare o ramificata
- hanno funzione strutturale (cellulosa e chitina) o di riserva (amido e glicogeno)
La seconda classe di molecole biologiche: i lipidi
I lipidi:
• sono composti organici formati da carbonio, idrogeno e ossigeno
• hanno il rapporto atomi di idrogeno/atomi di ossigeno molto maggiore rispetto ai carboidrati
• non hanno un'unità strutturale comune
• sono tutti insolubili in acqua
• hanno funzione di riserva
Una classe di lipidi sono i gliceridi, formati da glicerolo e da acidi grassi (tre nei trigliceridi).
Gli acidi grassi sono:
• saturi
- non hanno doppi legami
- sono solidi a temperatura ambiente
- sono una riserva di energia
- sono legati ad alcune malattie cardiovascolari
• insaturi
- hanno uno o più doppi legami
- sono liquidi a temperatura ambiente
Una seconda classe di lipidi sono gli steroidi:
• hanno una struttura base formata da quattro anelli di atomi di carbonio legati assieme
• differiscono tra loro per le catene laterali legate ai quattro anelli della struttura base
• ne sono esempi il colesterolo e alcuni ormoni sessuali (testosterone e estrogeno)
Una terza classe di lipidi sono i fosfolipidi:
• sono formati da una molecola di glicerolo alla quale sono legate due molecole di acidi grassi e un
gruppo fosfato
• hanno una testa polare e una coda non polare
• formano le membrane cellulari
La terza classe di molecole biologiche: le proteine
Le proteine sono molecole organiche polifunzionali formate da catene di molti aminoacidi.
Gli aminoacidi:
• hanno una struttura base formata da un atomo di carbonio al quale sono legati un gruppo
carbossilico, un gruppo amminico, un atomo di idrogeno e un gruppo R
• differiscono tra loro per il gruppo R
• si legano tra loro per mezzo del legame peptidico
• sono 20
La struttura delle proteine ha quattro livelli:
1. struttura primaria
- è la sequenza degli aminoacidi
- determina la forma finale della proteina
2. struttura secondaria
- è il ripiegamento nelle due dimensioni dello spazio
- può essere ad alfa elica o a foglietto ripiegato
3. struttura terziaria
- è la conformazione tridimensionale della proteina
- determina la funzionalità della proteina
4. struttura quaternaria
- è la struttura tridimensionale delle proteine formate da più catene polipeptidiche
- quando è presente determina la funzionalità della proteina
Le proteine possono formare:
• le lipoproteine
- sono formate da lipidi e proteine
- trasportano i lipidi nel sangue
• le glicoproteine
- sono formate da glucidi e proteine
- formano i recettori presenti sulle membrane
La quarta classe di molecole biologiche: gli acidi nucleici
Gli acidi nucleici:
• sono molecole organiche formate dall'unione di molti nucleotidi
• contengono le informazioni per fabbricare le proteine
• sono il DNA (acido desossiribonucleico) e l'RNA (acido ribonucleico)
Ciascun nucleotide è formato da:
• un gruppo fosfato
• uno zucchero semplice (desossiribosio o ribosio)
• una base azotata (adenina, timina, citosina o guanina)
La cellula
Le cellule sono le unità funzionali degli esseri viventi
Tutti gli esseri viventi sono composti di cellule.
Le cellule:
• hanno un elevato livello di specializzazione
• hanno struttura simile
• derivano ciascuna da una cellula preesistente
Le cellule sono procariote o eucariote
Esistono due tipi fondamentali di cellule:
• le cellule procariote
- mancano di nucleo e di organuli
- sono tali le cellule dei batteri e degli archei
• le cellule eucariote
- hanno un nucleo delimitato da membrane
- hanno organuli citoplasmatici che creano una compartimentazione interna
- sono tali le cellule di tutti gli organismi tranne i batteri e gli archei
- sono circa dieci volte più grandi delle cellule procariote
La compartimentazione interna delle cellule eucariote rende possibile la loro specializzazione, che è
alla base della loro capacità di formare tessuti e organi.
La cellula eucariote
In una cellula eucariote si distinguono cinque componenti principali:
• il nucleo
- racchiude il materiale genetico
- è il centro di controllo della cellula
• gli organuli
- sono strutture specializzate delimitate da membrane
- ne sono esempi i mitocondri, il reticolo endoplasmatico e i lisosomi
• il citosol
- è una sostanza acquosa, ricca di proteine
- vi sono immersi gli organuli
• il citoscheletro
- è un'impalcatura interna
- è formato da filamenti
• la membrana plasmatica
- è il confine esterno della cellula
- costituisce una barriera protettiva
La parte di cellula compresa tra il nucleo e la membrana plasmatica è chiamata citoplasma.
Si distinguono due tipi di cellule eucariote:
• la cellula animale
- in genere, è di forma più o meno sferica
- è spesso circondata da altre cellule dello stesso tipo
- è immersa in un ambiente acquoso
• la cellula vegetale
- ha una parete cellulare rigida
- alcuni dei suoi organuli non sono presenti nella cellula animale
Un viaggio dentro la cellula animale
Il nucleo:
• è delimitato da una membrana nucleare che ha numerose piccole aperture, dette pori nucleari
• contiene il DNA
• è il luogo dove avviene la duplicazione del DNA, quando la cellula si divide
• è il luogo dove il DNA viene trascritto in molecole di RNA messaggero (mRNA), che migrano nel
citoplasma attraverso i pori nucleari
Il reticolo endoplasmatico ruvido (RE ruvido):
• è costituito da un insieme di sacchetti appiattiti, detti cisterne, che sono una prosecuzione della
membrana nucleare
• ha la superficie costellata di ribosomi
• è il luogo in cui avviene la sintesi delle proteine della membrana plasmatica e quelle secrete
all'esterno della cellula
Il nucleolo
• è una struttura rotondeggiante all'interno del nucleo
• è il luogo dove vengono sintetizzati i componenti dei ribosomi, organuli formati da proteine e
RNA ribosomiale (rRNA), che migrano nel citoplasma attraverso i pori nucleari
Le vescicole di trasporto:
• sono minuscole sfere membranose che servono per trasportare proteine e altre molecole all'interno
della cellula
• si formano da tratti della membrana del reticolo endoplasmatico ruvido che si richiudono su se
stessi e si staccano dal resto della membrana
• hanno la capacità di fondersi con altre membrane, cioè fanno parte del sistema di endomembrane
L'apparato di Golgi:
• è il luogo in cui vengono modificate le proteine sintetizzate nel RE ruvido
• smista le proteine e le invia alle loro destinazioni finali
• è formato da una serie di cisterne dalle quali si staccano le vescicole contenenti le proteine mature,
alcune delle quali vengono esportate all'esterno mediante esocitosi
Sospesi nel citosol si trovano anche molti ribosomi liberi.
Le altre strutture cellulari
Il reticolo endoplasmatico liscio è:
• formato da una serie di membrane, come il RE ruvido, ma è privo di ribosomi e ha funzioni
diverse
• il luogo in cui avviene la sintesi dei lipidi
• uno dei luoghi in cui vengono neutralizzate le sostanze potenzialmente dannose
I lisosomi:
• sono vescicole contenenti enzimi digestivi e aventi al proprio interno un ambiente acido
• hanno origine dall'apparato di Golgi e fanno parte del sistema di endomembrane
• demoliscono le strutture cellulari ormai logore riducendole in molecole semplici, che vengono
riciclate nel citosol
• eliminano le sostanze di rifiuto
I mitocondri:
• sono organuli a doppia membrana, nei quali una membrana esterna racchiude una membrana
interna che presenta profonde pieghe
• convertono l'energia contenuta nelle sostanze nutritive in una forma utilizzabile dalla cellula
• necessitano di ossigeno per la loro funzione
Il telaio della cellula: il citoscheletro
Il citoscheletro è formato da:
• microfilamenti di actina
- servono a far muovere la cellula
- hanno anche funzione strutturale
- in cooperazione con i filamenti di miosina rendono possibile la contrazione muscolare
• filamenti intermedi
- servono a mantenere gli organuli al proprio posto nel citosol
• microtubuli
- hanno funzione strutturale
- servono a guidare il movimento delle vescicole all'interno della cellula
- sono componenti fondamentali della struttura di ciglia e flagelli
Ciglia e flagelli sono estensioni cellulari, contenenti un insieme di microtubuli dalla caratteristica
disposizione.
• Le ciglia:
- sono corte, in genere numerose, su tutta la superficie della cellula
- negli organismi unicellulari fungono da mezzo di propulsione della cellula
- fanno scorrere materiali lungo la superficie della cavità che tappezzano, soprattutto in certi tessuti
degli organismi pluricellulari
• I flagelli:
- sono lunghi, pochi (uno o due), disposti a un polo della cellula
- fungono da mezzo di propulsione della cellula
- le uniche cellule animali dotate di flagelli sono gli spermatozoi
La cellula vegetale
La cellula vegetale ha tre strutture caratteristiche:
• la parete cellulare
- è spessa (anche più di 7 μm) e robusta
- è composta prevalentemente da cellulosa
- può contenere anche lignina
- conferisce resistenza meccanica alla cellula
- pone un limite alla quantità d'acqua che può penetrare nella cellula
• il vacuolo centrale
- è delimitato da una membrana e occupa circa il 90% del volume cellulare
- contiene soprattutto acqua
- immagazzina sostanze nutritive
- immagazzina sostanze di rifiuto o le demolisce
- regola il pH interno della cellula
- può contenere pigmenti colorati
• i plastidi
- alcuni fungono da deposito di sostanze nutritive
- altri contengono pigmenti
I cloroplasti, i plastidi che contengono la clorofilla, sono sede della fotosintesi.
Le cellule comunicano tra loro
Le cellule vegetali comunicano tra loro mediante i plasmodesmi, minuscoli canali nelle pareti
cellulari, attraverso i quali il citoplasma di una cellula si prolunga in quello dell'altra.
Le cellule animali comunicano tra loro mediante le giunzioni serrate, che permettono il passaggio
di piccole molecole e di segnali elettrici.
La membrana plasmatica
L'importanza dell'attività al confine della cellula
La membrana plasmatica
• delimita il confine della cellula
• è sede di attività importanti per la cellula
- controlla il passaggio di sostanze dall'interno all'esterno della cellula e viceversa
Alterazioni a carico dei componenti della membrana plasmatica possono determinare gravi
conseguenze per l'organismo (per esempio la fibrosi cistica).
Le funzioni della membrana plasmatica
La membrana plasmatica svolge quattro importanti funzioni:
1. tenere concentrate assieme, dentro la cellula, le molecole indispensabili alla vita
2. mantenere fuori dalla cellula le sostanze dannose
3. controllare il passaggio delle sostanze dall'esterno all'interno della cellula e viceversa
4. permettere la comunicazione tra le cellule adiacenti
I quattro componenti della membrana plasmatica
La membrana plasmatica è formata da quattro componenti principali:
• un doppio strato lipidico
- è formato da due strati di fosfolipidi accoppiati a sandwich, con le teste polari rivolte all'esterno
della membrana plasmatica e le code apolari rivolte verso l'interno
• molecole di colesterolo
- sono localizzate tra le code idrofobe dei fosfolipidi
- conferiscono alla membrana plasmatica il grado di fluidità ottimale
• le proteine di membrana, distinte in:
- proteine integrali
- attraversano da parte a parte il doppio strato lipidico o sono parzialmente inserite in esso
- sono legate all'interno idrofobo del doppio strato lipidico
- proteine periferiche
- poggiano su una delle due superfici della membrana plasmatica
- non hanno alcun legame con l'interno idrofobo del doppio strato lipidico
- in genere sono agganciate a proteine integrali
• il glicocalice
- è formato da catene di carboidrati attaccate alle proteine di membrana
- funge da strato adesivo tra le cellule
Le proteine di membrana hanno quattro funzioni principali:
• strutturale
- concorrono a stabilizzare varie parti della cellula
- danno alle cellule animali la loro forma caratteristica
• di riconoscimento
- permettono alle cellule di riconoscere sostanze o organismi estranei
• di comunicazione
- come recettori, consentono il passaggio dei segnali nelle cellule
• di trasporto
- come canali, consentono il passaggio di sostanze attraverso la membrana plasmatica
Secondo il modello a mosaico fluido, la struttura della membrana plasmatica è formata da un
doppio strato lipidico fluido nel quale sono disseminate proteine che in esso fluttuano in senso
laterale.
Sostanze in entrata e in uscita dalla cellula: diffusione e gradienti
Tutte le particelle (molecole o ioni) in un liquido sono soggette a un moto casuale chiamato
agitazione termica
• la sua entità è connessa alla temperatura
• in esso le particelle hanno molta più probabilità di occupare posizioni diverse da quelle di partenza
• nel tempo le particelle raggiungono una distribuzione omogenea
Un soluto posto in un solvente migra spontaneamente dalle zone in cui la sua concentrazione è
maggiore a quelle in cui la sua concentrazione è minore (diffusione).
La diffusione di sostanze attraverso una membrana dipende dalla natura della membrana stessa:
• attraverso una membrana permeabile passano liberamente tutti i solventi e i soluti
• attraverso una membrana semipermeabile passano solo alcuni soluti
Il movimento netto di acqua attraverso una membrana semipermeabile è detto osmosi.
La membrana plasmatica si comporta come una membrana semipermeabile
• è permeabile all'acqua e alle sostanze lipidiche
• non è permeabile alle sostanze dotate di carica elettrica
• attraverso di essa si ha osmosi per bilanciare la concentrazione dei soluti
Nelle cellule vegetali la parete cellulare regola l'assunzione di acqua da parte della cellula.
Come fanno le sostanze a entrare e a uscire dalla cellula?
Il passaggio di una sostanza attraverso la membrana plasmatica avviene:
• per trasporto passivo
- non richiede consumo di energia da parte della cellula
- avviene secondo il gradiente di concentrazione della sostanza
• per trasporto attivo
- richiede consumo di energia da parte della cellula
- avviene anche contro il gradiente di concentrazione della sostanza
- ne è un esempio la pompa sodio-potassio
Le modalità di trasporto passivo sono:
• diffusione semplice
- non richiede l'intervento di proteine canale
- è utilizzata per il passaggio di gas e di piccole molecole polari (acqua)
• diffusione facilitata
- avviene grazie all'aiuto di proteine di trasporto
- è utilizzata per il passaggio di molecole polari di dimensioni maggiori di quelle dell'acqua (es.
glucosio)
Come avviene il trasporto di materiali di grandi dimensioni?
I materiali di grandi dimensioni escono dalla cellula per esocitosi.
L'esocitosi avviene in tre passaggi:
1. una vescicola di trasporto, contenente il materiale da espellere, migra verso la superficie
della cellula
2. la vescicola si fonde con la membrana plasmatica
3. la vescicola riversa il suo contenuto nel liquido extracellulare
I materiali di grandi dimensioni entrano nella cellula per endocitosi.
Si distinguono tre tipi di endocitosi:
• pinocitosi
- avviene per infossamento della membrana plasmatica
- serve soprattutto per inglobare acqua e soluti in essa disciolti
• endocitosi mediata da recettori
- molti recettori che si legano alla stessa molecola confluiscono in un avvallamento della membrana
plasmatica detto fossetta rivestita
- serve per procurare alla cellula nutrienti e altre sostanze
• fagocitosi
- avviene per emissione da parte della cellula di estroflessioni dette pseudopodi
- è usata da molti organismi unicellulari per procurarsi il nutrimento
L'energia e le sue trasformazioni
L'energia e la vita
La vita sulla Terra dipende dall'energia proveniente dal Sole:
• le piante catturano l'energia solare e la utilizzano per costruire i propri tessuti
• i tessuti vegetali sono fonte di nutrimento per altri esseri viventi
L'energia va sempre "in discesa", cioè da uno stato in cui è più concentrata ad uno in cui lo è meno.
Che cos'è l'energia?
L'energia si può definire come la capacità di compiere un movimento contro una forza che vi si
oppone.
Esistono diverse forme di energia che si possono distinguere in:
• energia cinetica
è un tipo di energia connessa al moto di un corpo
• energia potenziale
è un tipo di energia immagazzinata in un corpo perché legata alla sua particolare posizione o
configurazione
La branca della fisica che si occupa dell'energia è la termodinamica, i cui principi affermano che:
• l'energia non si crea né si distrugge ma unicamente passa da una forma a un'altra (primo principio
della termodinamica)
• una trasformazione di energia comporta sempre un aumento del disordine dell'universo, cioè
dell'entropia (secondo principio della termodinamica)
In ogni trasformazione di energia una parte di essa si disperde sotto forma di calore che non può più
trasformarsi spontaneamente in una forma di energia ordinata.
Il destino ultimo dell'universo è legato all'esaurimento dell'energia solare.
L'uso dell'energia negli esseri viventi
Gli esseri viventi sono in grado di realizzare solo alcuni tipi di lavoro:
• lavoro meccanico
- muove il corpo o una sua parte nello spazio
- ne è un esempio la contrazione muscolare
• lavoro di trasporto
- compie un movimento ne è un esempio la pompa sodio-potassio che trasporta ioni sodio e potassio
attraverso la membrana plasmatica
• lavoro di sintesi
- costruisce molecole complesse partendo da molecole semplici
- ne è un esempio la sintesi di proteine e zuccheri
Le reazioni che avvengono negli esseri viventi sono:
• reazioni esoergoniche
- liberano energia
- l'energia contenuta nei loro prodotti è più bassa di quella contenuta nei loro reagenti
- non necessitano di energia per essere attivate
• reazioni endoergoniche
- richiedono energia
- l'energia contenuta nei loro prodotti è più alta di quella contenuta nei loro reagenti
- necessitano di energia per essere attivate
Negli esseri viventi le reazioni esoergoniche e quelle endoergoniche sono collegate tra loro (si parla
di reazioni accoppiate)
• sono tali che l'energia rilasciata dalle reazioni esoergoniche viene usata per attivare le reazioni
endoergoniche
L'ATP: la molecola che immagazzina energia
La cellula immagazzina energia nella molecola dell'ATP (adenosina trifosfato) che si può quindi
considerare la valuta energetica della cellula.
La molecola dell'ATP:
• è formata da adenosina (adenina e ribosio) alla quale sono legati tre gruppi fosfato ad alta energia
• è una molecola instabile perché i tre gruppi fosfato, carichi negativamente, si respingono
• libera l'energia immagazzinata distaccando il gruppo fosfato terminale (reazione esoergonica),
trasformandosi in ADP
• si forma per aggiunta di un gruppo fosfato all'ADP, in presenza di energia (reazione endoergonica)
• è un ottimo mezzo per trasferire energia ma non per immagazzinarla a lungo
Gli organismi ricavano dal cibo l'energia che viene immagazzinata nell'ATP.
Gli enzimi: come facilitare lo svolgimento delle reazioni
Gli enzimi:
• sono proteine
• hanno la funzione di accelerare le reazioni chimiche che avvengono negli esseri viventi
• ciascuno di essi è specifico per una o, al massimo, due molecole (substrati)
Il metabolismo:
• è l'insieme di tutte le reazioni che avvengono in una cellula o in un organismo
• è formato da molte vie metaboliche
Una via metabolica:
• è formata da più reazioni
• ogni reazione è resa possibile da un particolare enzima
Gli enzimi abbassano l'energia di attivazione delle reazioni
Gli enzimi:
• abbassano l'energia di attivazione delle reazioni chimiche
-facilitando il contatto tra i reagenti
-cambiando la forma dei reagenti in modo da facilitare la reazione
• legano il substrato al loro sito attivo, altamente specifico per uno specifico substrato secondo il
modello "chiave-serratura"
• sono catalizzatori, cioè partecipano alla reazione ma al termine di questa hanno riacquistato la loro
struttura e composizione
• in certe reazioni necessitano dell'ausilio di una o più molecole accessorie dette coenzimi
-facilitano la formazione del legame enzima-substrato
-spesso sono vitamine
La chimotripsina demolisce le proteine nell'intestino tenue, accelerando il processo di circa un
miliardo di volte.
La regolazione dell'attività enzimatica
L'attività di un enzima può essere regolata:
• dalla quantità di substrato disponibile
- l'enzima catalizza la propria reazione finché è disponibile il substrato
• da molecole diverse dal substrato capaci di legarsi al suo sito attivo, bloccandolo
- gli inibitori, bloccando il sito attivo, non lo rendono disponibile per il substrato
• da un meccanismo allosterico
- il prodotto si lega in un punto diverso dal sito attivo, cambiando la forma di questo e impedendo
così il legame con il substrato
La respirazione cellulare
La formazione della molecola di ATP
La molecola di ATP:
• ha tre gruppi fosfato
• perdendo il gruppo fosfato terminale, rilascia energia e si trasforma in ADP
• è la fonte di energia per le reazioni biologiche
• si forma per aggiunta di un gruppo fosfato all'ADP, in presenza di energia
• è la forma in cui viene immagazzinata l'energia contenuta nel cibo ingerito
Da dove viene l'energia immagazzinata nell'ATP?
Alcune sostanze hanno maggiore affinità di altre per gli elettroni.
In una reazione chimica:
• le sostanze che acquisiscono elettroni si riducono
• le sostanze che cedono elettroni si ossidano
Ossidazione e riduzione sono processi interdipendenti, cioè quando c'è una sostanza che si ossida,
ce n'è una che si riduce.
Le reazioni in cui si ha ossidazione e riduzione sono dette reazioni di ossidoriduzione o reazioni
redox.
Nelle reazioni redox:
• non è implicato necessariamente l'ossigeno
• molecole ad alto contenuto energetico si ossidano, cioè cedono elettroni a una molecola
trasportatrice di elettroni che, a sua volta, trasferisce gli elettroni a un altro trasportatore
• i trasportatori di elettroni, formano una catena fino all'accettore finale degli elettroni, solitamente
un atomo di idrogeno
Il più importante trasportatore di elettroni è il NAD (nicotinamide adenina dinucleotide):
• quando non trasporta elettroni è in forma ionica (NAD+)
• quando accetta 1 elettrone e 1 atomo di idrogeno si trasforma in NADH
- a su volta, rilascia elettroni ad altri trasportatori rigenerando il NAD+
Le tre grandi tappe della respirazione cellulare
Il glucosio, molecola ad alto contenuto energetico, viene demolito con la respirazione cellulare.
La respirazione cellulare:
• è formata da tre tappe: glicolisi, ciclo di Krebs e catena di trasporto degli elettroni
- ciascuna tappa è formata da più reazioni, ognuna catalizzata da enzimi
• immagazzina nell'ATP l'energia chimica liberata dalla demolizione del glucosio
• richiede ossigeno
• ha una resa energetica complessiva di 36 molecole di ATP
La glicolisi:
• è il processo più semplice e più antico usato dagli organismi per ottenere energia
• è presente in tutti gli organismi
- per alcuni batteri e organismi unicellulari è l'unico processo per ottenere energia
• non è un processo molto efficiente
- ha una resa netta di solo 2 molecole di ATP
- utilizza solo una piccola parte dell'energia contenuta nella molecola di glucosio
• si svolge nel citoplasma della cellula
• non richiede ossigeno
Il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni:
• si sono evoluti più tardi rispetto alla glicolisi
• sono presenti solo negli organismi aerobi
• si svolgono nei mitocondri
• hanno una resa energetica complessiva di 34 molecole di ATP
• richiedono ossigeno (solo la catena di trasporto degli elettroni)
La prima tappa della respirazione cellulare: la glicolisi
Gli stadi della glicolisi sono:
1. il glucosio viene convertito in glucosio-6-fosfato per aggiunta dall'ATP di un gruppo fosfato
- si consuma una molecola di ATP
2. il glucosio-6-fosfato viene riorganizzato in fruttosio-6-fosfato
3. il fruttosio-6-fosfato viene trasformato in fruttosio-1,6-difosfato per aggiunta di un altro gruppo
fosfato dall'ATP
- si consuma un'altra molecola di ATP
4. il fruttosio-1,6-difosfato viene scisso in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato
5. ciascuna molecola di gliceraldeide-3-fosfato è convertita in acido 1,3-difosfoglicerico
- si formano due molecole di NADH
6. ciascuna molecola di acido 1,3-difosfoglicerico è convertita in acido 3-fosfoglicerico
- si formano 2 molecole di ATP
7. ciascuna molecola di acido 3-fosfoglicerico è convertita in acido piruvico
- si formano due molecole di ATP
La seconda tappa della respirazione cellulare: il ciclo di Krebs
Il ciclo di Krebs:
• si svolge nella camera interna dei mitocondri
• è chiamato anche ciclo dell'acido citrico perché questo è il suo primo prodotto
• ha una resa di sole 2 molecole di ATP
• è un ciclo perché alla fine del processo si rigenera il primo reagente
Tra la glicolisi e il ciclo di Krebs c'è una reazione intermedia che serve a formare la molecola di
acetil-CoA.
Gli stadi del ciclo di Krebs sono:
1. l'acetil-CoA si combina con l'acido ossalacetico
- si forma una molecola di acido citrico
2. l'acido citrico viene ossidato
- si trasforma in acido α-chetoglutarico
3. l' acido α-chetoglutarico viene ossidato dal NAD+
- si forma una molecola di CO2 e un composto a 4 atomi di carbonio
4. il composto a 4 atomi di carbonio viene trasformato in acido succinico
5. l'acido succinico viene ossidato dal FAD
- si trasforma in acido malico
6. l'acido malico viene ossidato dal NAD+
- si forma acido ossalacetico
7. il ciclo ricomincia
La terza tappa della respirazione cellulare: la catena di trasporto
La catena di trasporto degli elettroni:
• ha luogo sulla membrana mitocondriale interna
• è formata da molecole trasportatrici di elettroni (NADH e FADH2)
• ha come accettore finale l'ossigeno
• ha una resa complessiva di 32 molecole di ATP
Il passaggio di elettroni lungo la catena libera l'energia necessaria per pompare ioni idrogeno dalla
camera mitocondriale interna a quella esterna; quando questi ioni ritornano all'interno, il loro flusso
fornisce energia per formare ATP.
L'accettore finale degli elettroni è l'ossigeno che catturando due ioni idrogeno forma una molecola
d'acqua.
Altre sostanze nutritive, altre vie metaboliche
Le sostanze nutritive, diverse dal glucosio, vengono istradate, a seconda dell'occorrenza, lungo vie
metaboliche diverse da quella della respirazione cellulare.
Quando non è sufficiente l'energia fornita dal glucosio i trigliceridi vengono scissi in glicerolo e
acidi grassi:
• il glicerolo viene trasformato in gliceraldeide-3-fosfato che si inserisce nella glicolisi
• gli acidi grassi vengono scissi e trasformati in molecole di acetil-CoA che entrano nel ciclo di
Krebs
Quando è sufficiente l'energia fornita dal glucosio, il glicerolo viene convertito in glucosio che
viene immagazzinato sotto forma di glicogeno nelle cellule del fegato e dei muscoli.
La fotosintesi
Fotosintesi ed energia
Le piante fabbricano il proprio cibo (carboidrati) con il processo della fotosintesi.
La fotosintesi:
• utilizza l'energia solare per trasformare l'anidride carbonica e l'acqua in un carboidrato ricco di
energia
• è un processo fondamentale anche per gli animali che traggono nutrimento cibandosi di piante
• genera come sottoprodotto l'ossigeno che alimenta la respirazione cellulare
La fotosintesi e la respirazione cellulare sono due processi energeticamente opposti:
• la fotosintesi usa come reagenti anidride carbonica e acqua, prodotti di scarto della respirazione
cellulare, e produce ossigeno
• la respirazione cellulare usa l'ossigeno prodotto dalla fotosintesi e produce anidride carbonica e
acqua, utilizzati dalla fotosintesi
I protagonisti della fotosintesi
Le foglie:
• assorbono la luce solare
- solo le radiazioni che corrispondono alle porzioni blu e rossa dello spettro della luce visibile
• sono formate dalla lamina e dal picciòlo
- la lamina è formata da un'epidermide superiore, da uno strato intermedio di cellule del mesofillo e
da un'epidermide inferiore
• hanno gli stomi nell'epidermide inferiore
- strutture che possono aprirsi e chiudersi, facendo così entrare l'anidride carbonica e uscire il vapor
d'acqua
• hanno i cloroplasti nelle cellule del mesofillo
- sono organuli membranosi delimitati da una membrana esterna e da una interna
- hanno un sistema di membrane interne che forma un reticolo di sacchetti chiamati tilacoidi,
immersi nello stroma, impilati a formare strutture dette grani
- contengono la clorofilla a, che assorbe la luce solare, e i pigmenti accessori
La fotosintesi avviene in due stadi:
• il primo stadio comprende le reazioni luce-dipendenti
- viene sfruttata l'energia della luce solare per sottrarre a una molecola d'acqua due elettroni e
spingerli a un livello energetico più alto
• il secondo stadio comprende le reazioni luce-indipendenti
- gli elettroni vengono combinati con anidride carbonica e con una molecola organica a basso
contenuto energetico per formare un carboidrato, ad alto contenuto energetico
L'unità funzionale della fotosintesi è il fotosistema.
Un fotosistema è formato da:
• un sistema di antenne che assorbono l'energia della luce solare
- è formato da molte molecole di clorofilla a e dai pigmenti accessori
• un centro di reazione
- contiene, associate a proteine, una coppia di molecole di clorofilla a
Molte reazioni della fotosintesi sono reazioni redox.
Il primo stadio della fotosintesi: le reazioni luce-dipendenti
Nelle reazioni luce-dipendenti:
• l'energia della luce solare viene utilizzata per sbalzare gli elettroni agli accettori primari, cioè a un
livello energetico più alto
• dagli accettori primari, gli elettroni passano attraverso una catena di trasporto che li porta a un
livello energetico inferiore
• la "caduta" degli elettroni dall'accettore primario del fotosistema II fornisce energia per la sintesi
di ATP
• la "caduta" degli elettroni dall'accettore primario del fotosistema I porta alla formazione di
NADPH che porta gli elettroni al secondo stadio della fotosintesi
Lo spostamento di elettroni su e giù per il colle dell'energia corrisponde a una migrazione di
elettroni all'interno del cloroplasto.
Perché le reazioni luce-dipendenti sono così importanti?
Nelle reazioni luce-dipendenti si verificano due eventi importanti:
1. la liberazione di ossigeno dall'acqua, ad opera delle molecole di clorofilla a dei centri di reazione
2. la trasformazione dell'energia solare in energia chimica, grazie al trasferimento degli elettroni
delle molecole di clorofilla a agli accettori primari di elettroni attraverso reazioni redox
Il secondo stadio della fotosintesi: le reazioni luce-indipendenti
Nelle reazioni luce-indipendenti (ciclo di Calvin) l'anidride carbonica viene incorporata nei
carboidrati.
Nel ciclo di Calvin si distinguono le seguenti fasi:
1. 3 molecole di anidride carbonica si combinano ciascuna con uno zucchero a 5 atomi di carbonio,
ad opera dell'enzima rubisco
- si formano 3 molecole di un composto a 6 atomi di carbonio, ciascuna delle quali si scinde in 2
molecole di acido 3-fosfoglicerico
2. viene fornita energia all'acido 3-fosfoglicerico
- si formano 6 molecole di gliceraldeide-3-fosfato
- vengono consumate 6 molecole di ATP
- 6 molecole di NADPH cedono elettroni provenienti dal primo stadio della fotosintesi
3. la gliceraldeide-3-fosfato esce dal ciclo
- si forma glucosio e altre sostanze
4. si completa il ciclo
- si rigenera il ribulosio difosfato
- vengono consumate 3 molecole di ATP
Un difetto di funzionamento: la fotorespirazione
La fotorespirazione è un difetto di funzionamento della fotosintesi.
La fotorespirazione:
• avviene quando gli stomi sono chiusi e quindi la concentrazione di anidride carbonica nelle cellule
del mesofillo è troppo bassa
• ha maggiori possibilità di verificarsi in ambienti caldi
• avviene in seguito al legame dell'enzima rubisco con l'ossigeno anziché con l'anidride carbonica
• non porta alla formazione di alcun prodotto
Una variante della fotosintesi: le piante C4
Le piante dei climi caldi, per evitare la fotorespirazione, attuano la cosiddetta via metabolica C4.
La via metabolica C4:
• non usa l'enzima rubisco per fissare l'anidride carbonica
• attua una pre-fissazione dell'anidride carbonica in un composto a 4 atomi di carbonio nelle cellule
del mesofillo
- tale composto migra nelle cellule della guaina del fascio dove rilascia l'anidride carbonica che
entra, così, nel ciclo di Calvin
• è usata soprattutto dalle graminacee
• è vantaggiosa solo nei climi caldi
- necessita di ATP per trasferire l'anidride carbonica alle cellule della guaina del fascio
Un'altra variante della fotosintesi: le piante CAM
Le piante CAM, che vivono in un clima caldo arido come le crassulacee:
• fissano l'anidride carbonica di notte in un composto a 4 atomi di carbonio
• tengono immagazzinata l'anidride carbonica fino al giorno, quando hanno a disposizione l'energia
per far avvenire il ciclo di Calvin
• effettuano l'immagazzinamento e l'utilizzo dell'anidride carbonica nella stessa cellula
Il metabolismo delle piante CAM diminuisce la perdita d'acqua da parte della pianta ma richiede più
energia della normale fotosintesi.
Mitosi e citodieresi
Un'introduzione alla genetica
Il genoma di un organismo è contenuto nel DNA dell'organismo stesso.
Il genoma di un individuo:
• è l'insieme di tutte le sue informazioni genetiche
• è formato da unità chimiche chiamate geni
- sono sequenze di nucleotidi della doppia elica del DNA
- contengono le informazioni per la produzione delle proteine
- sovrintendono allo sviluppo e al funzionamento di un essere vivente
La molecola del DNA ricorda una scala elicoidale in cui:
• i due "montanti" sono formati dall'alternarsi di molecole di zucchero (desossiribosio) e di gruppi
fosfato
• i gradini sono formati da due basi azotate, ciascuna delle quali fa parte di un "montante"
- la base azotata adenina (A) si accoppia sempre con la timina (T), e viceversa, mentre la guanina
(G) si accoppia sempre con la citosina (C), e viceversa
La sintesi delle proteine avviene con i seguenti passaggi:
1. un tratto della doppia elica del DNA si srotola
2. il messaggio contenuto in uno dei due filamenti della doppia elica viene copiato in una molecola
di mRNA
3. l'mRNA passa dal nucleo al citoplasma
4. a livello dei ribosomi l'mRNA viene "letto", cioè vengono uniti uno dopo l'altro gli aminoacidi a
formare una catena polipeptidica
5. la catena polipeptidica completa si stacca dal ribosoma e si ripiega su stessa diventando, così, una
proteina
La genetica è la branca della biologia che studia la trasmissione delle informazioni ereditarie.
Le cellule di un organismo:
• contengono almeno una copia completa del genoma di quell'organismo
• sono tali che in cellule di tipo diverso sono attivi geni diversi.
Introduzione alla divisione cellulare
La divisione cellulare è il mezzo con cui una cellula dà origine ad altre.
La divisione cellulare avviene secondo questi passaggi:
1. Il DNA della cellula "madre" si duplica
2. i due corredi di DNA migrano alle estremità opposte della cellula (mitosi)
3. la cellula si divide dando origine a due cellule figlie (citodieresi).
Il DNA è impacchettato nei cromosomi
Il DNA di una cellula è suddiviso e impacchettato in strutture chiamate cromosomi.
I cromosomi:
• sono composti di cromatina
- è formata da DNA e proteine
• costituiscono, nel loro insieme, il corredo cromosomico di una cellula
• sono generalmente presenti in numero diverso nei vari organismi
• quando il DNA si duplica sono formati da due cromatidi, uniti in un punto detto centromero
• sono presenti nelle cellule come coppie di omologhi, cioè sono molto simili a due a due
Il cariotipo è l'intero corredo cromosomico di un essere umano:
• è formato da 23 coppie di cromosomi omologhi
- 22 coppie di autosomi e una coppia di cromosomi sessuali (XX nella femmina, XY nel maschio)
• in esso tutti i cromosomi sono in forma duplicata
Il ciclo cellulare: interfase e fase mitotica
Il ciclo cellulare:
• è la sequenza ripetitiva di crescita, duplicazione delle informazioni genetiche e divisione cellulare
che si ritrova in molti tipi di cellule
• ha una durata che varia molto da un tipo di cellula all'altro
Nel ciclo cellulare si distinguono due fasi:
1. interfase
- comprende la fase G1 (crescita cellulare), la fase S (duplicazione del DNA) e la fase G2
(preparativi per la divisione cellulare)
2. fase mitotica
- comprende la mitosi e la citodieresi
Mitosi e citodieresi
Nella mitosi ciascuno dei cromosomi duplicati si scinde in due e i due corredi cromosomici così
prodotti si separano.
La mitosi viene suddivisa in quattro fasi:
I. profase
- si assume che inizi quando i cromosomi diventano visibili al microscopio in seguito alla
condensazione del DNA
- il nucleolo scompare e la membrana nucleare si disgrega
- il centrosoma si duplica e le due copie migrano ai poli opposti della cellula
- i microtubuli formano il fuso mitotico, teso tra i due centrosomi
II. metafase
- la membrana nucleare scompare
- i cromosomi si agganciano ai microtubuli del fuso mitotico in corrispondenza del centromero
- i cromosomi si allineano in corrispondenza del piano equatoriale del fuso
III. anafase
- i due cromatidi di ciascun cromosoma si separano e vengono trascinati ai due poli opposti della
cellula dai microtubuli
IV. telofase
- i cromatidi ai poli della cellula si decondensano
- attorno a ciascun corredo cromosomico si forma una nuova membrana nucleare
Nella citodieresi le due cellule figlie si separano grazie alla formazione di un solco di costrizione
che si approfondisce fino alla completa divisione delle due nuove cellule.
Varianti nella divisione cellulare
Nelle cellule vegetali
• la mitosi si svolge come nelle cellule animali
• la citodieresi avviene con la costruzione di una nuova parete cellulare e di una nuova membrana
plasmatica nella zona intermedia della cellula madre
Nelle cellule batteriche
• la divisione cellulare avviene per scissione binaria
- prima si duplica il cromosoma batterico
- dopo la cellula si allunga e si strozza nella parte mediana
I diversi tipi di cellule si dividono con frequenze diverse.
La meiosi
Una rapida sintesi della meiosi
La meiosi
• è il tipo di divisione cellulare che dimezza il numero di cromosomi
• negli animali dà sempre origine a cellule sessuali (gameti)
Dal punto di vista del numero dei cromosomi le cellule possono essere:
• aploidi
- hanno un solo corredo cromosomico
- negli animali sono solo i gameti
- vengono spesso designate con n (dove n sta per numero di cromosomi)
- negli esseri umani hanno 23 cromosomi (n = 23)
• diploidi
- hanno un corredo cromosomico doppio
- negli animali ne sono esempi tutti i tipi di cellule somatiche
- vengono spesso designate con 2n
- negli esseri umani hanno 46 cromosomi (2n = 46)
Le fasi della meiosi
La meiosi è composta di due stadi:
• meiosi I
- si formano due cellule aploidi
• meiosi II
- da ciascuna cellula aploide della meiosi I se ne formano due (in totale quattro)
La meiosi I è formata dalle seguenti fasi:
I. profase I
- i cromosomi duplicati si condensano e gli omologhi si appaiano (si formano le tetradi)
- avviene lo scambio di segmenti corrispondenti tra due cromatidi di due cromosomi omologhi
(crossing-over)
II. metafase I
- i cromosomi omologhi di ciascuna tetrade si dispongono sul piano equatoriale della cellula,
orientati verso poli opposti di questa
III. anafase I
- i due esemplari di ciascuna coppia di omologhi si separano e migrano ai rispettivi poli della cellula
IV. telofase I
- la cellula madre si divide in due cellule figlie aploidi
La meiosi II è formata dalle seguenti fasi:
I. profase II e metafase II
- i cromosomi si dispongono sul piano equatoriale della cellula, con i due cromatidi verso poli
opposti della cellula
II. anafase II e telofase II
- i due cromatidi di ciascun cromosoma si separano, trascinati verso poli opposti della cellula
- avviene la citodieresi
L'importanza della meiosi
La meiosi
• dimezza il corredo cromosomico
- mantiene costante, nelle generazioni, il numero di cromosomi negli organismi a riproduzione
sessuata
• crea variabilità genetica
- crea le differenze fisiche tra genitori e figli e tra un figlio e l'altro
La variabilità genetica si crea con:
• il crossing-over
- avviene nella profase I
• l'assortimento indipendente dei cromosomi omologhi
- avviene nella metafase I
Negli esseri umani le cellule somatiche hanno:
• 22 coppie di autosomi + due cromosomi sessuali X, nelle femmine
• 22 coppie di autosomi + un cromosoma sessuale X e un cromosoma sessuale Y, nei maschi
Negli esseri umani le cellule sessuali (gameti) hanno:
• tutti 22 autosomi e un cromosoma sessuale X, nelle femmine
• il 50% 22 autosomi e un cromosoma sessuale X, l'altro 50% 22 autosomi e un cromosoma
sessuale Y, nei maschi
Il sesso di un individuo è determinato dal tipo di gameti che si incontrano:
• un gamete femminile fecondato da un gamete maschile con cromosoma X darà una femmina (XX)
• un gamete femminile fecondato da un gamete maschile con cromosoma Y darà un maschio (XY)
La formazione dei gameti nella specie umana
I gameti si formano attraverso il processo della gametogenesi:
• la formazione dei gameti maschili (spermatozoi) è detta spermatogenesi
• la formazione dei gameti femminili (cellule uovo) è detta oogenesi
Gli spermatozoi si formano dagli spermatogoni.
Gli spermatogoni:
• sono cellule diploidi
• si trovano nei testicoli del maschio
• sono cellule staminali perché danno origine sia a spermatociti primari sia ad altri spermatogoni
• si dividono dando origine agli spermatociti primari, anch'essi diploidi
- questi danno origine agli spermatociti secondari, aploidi, da cui si formano quattro spermatidi
che, con un processo di maturazione, si trasformano in spermatozoi maturi
Le cellule uovo si formano dagli oogoni.
Gli oogoni:
• vengono prodotti solo fino al settimo mese di vita embrionale
• la maggior parte di essi muore prima che la femmina nasca
• quelli che sopravvivono diventano oociti primari, diploidi, che entrano in meiosi I e qui si
arrestano fino alla pubertà
- alla pubertà, un oocita, di media, al mese completa la sua maturazione nell'ovaia e entra in meiosi
II dove si arresta fino alla fecondazione
• formano, ciascuno, una cellula uovo grande, con molto citoplasma, e tre corpi polari piccoli che
degenerano
Il ciclo vitale: esseri umani e altri organismi
Un ciclo vitale è la sequenza di eventi che intercorre tra la riproduzione di una generazione e quella
della generazione successiva.
La riproduzione può essere:
• sessuata
- gli organismi nei quali è presente esistono in due sessi diversi, ciascuno dei quali produce un tipo
di gameti
- gameti provenienti da due genitori diversi si uniscono per formare un nuovo individuo
- in alcuni casi lo stesso individuo (ermafrodita) produce sia spermatozoi che uova che possono
anche autofecondarsi
• asessuata
- non si ha fusione di due cellule sessuali
- la cellula madre duplica il proprio DNA e si divide in due cellule figlie (scissione binaria) oppure
una parte di un organismo ne genera uno nuovo (riproduzione vegetativa)
La genetica di Mendel
Mendel e la ''scatola nera'' della genetica
Mendel riuscì a scoprire qualcosa di ciò che avveniva all'interno della "scatola nera" della genetica:
• con una serie di esperimenti sulle piante di pisello (Pisum sativum)
• senza conoscere niente del DNA e dei geni
Mendel, con i suoi esperimenti, giunse alla conclusione che:
• le unità base della trasmissione genetica sono elementi materiali, presenti in coppie
• tali elementi (oggi chiamati geni) mantengono intatte le loro caratteristiche nel corso di molte
generazioni
• i due esemplari di ogni coppia di geni si separano durante la formazione dei gameti
L'oggetto degli esperimenti di Mendel: Pisum sativum
Le piante di pisello (Pisum sativum) usate da Mendel nei suoi esperimenti
• normalmente, si autoimpollinano
• si possono sottoporre a impollinazione incrociata
• hanno i semi racchiusi nell'ovario maturo della pianta che non sono altro che i piselli, contenuti
nei baccelli
• sono tali che ciascun pisello è il frutto di una fecondazione isolata
• hanno alcuni caratteri che si presentano in due forme alternative (una dominante e l'altra recessiva)
Il fenotipo di un organismo è l'insieme delle caratteristiche fisiche, chimiche o comportamentali in
esso osservabili.
Il genotipo di un organismo è l'insieme dei geni presenti sui suoi cromosomi.
Mendel inizia i suoi esperimenti
Negli esperimenti di incrocio di Mendel
• le piante di partenza di linea pura costituiscono la generazione parentale (o P)
• la progenie della generazione parentale costituisce la prima generazione filiale (o F1)
• la progenie della prima generazione filiale costituisce la seconda generazione filiale (o F2)
In uno dei suoi primi esperimenti Mendel incrociò piante di linea pura a semi gialli con piante di
linea pura a semi verdi:
• nella generazione F1 tutti i semi erano gialli
• nella generazione F2 (ottenuta per autoimpollinazione della F1) i semi gialli e verdi erano in
rapporto 3:1
- tale rapporto è quello tra il carattere dominante e quello recessivo
Dai risultati ottenuti con i suoi esperimenti Mendel dedusse che:
• i caratteri ereditari si trasmettono senza mescolarsi
• le "unità ereditarie" sono sempre presenti in coppia
- le coppie ereditarie sono gli alleli, cioè le forme alternative di un gene
Gli esperimenti sulla generazione F2
Mendel dedusse dai suoi esperimenti che le piante a semi gialli della generazione F1 erano di due
tipi:
• piante "pure", cioè che contenevano solo alleli per il colore giallo del seme
- hanno il genotipo GG
• piante "miste", cioè che contenevano un allele per il colore giallo del seme e un allele per il colore
verde
- hanno il genotipo Gg
Dall'autoimpollinazione della generazione F1 (Gg) si ottiene, nella generazione F2:
• il genotipo "puro" giallo (GG)
- tutti i semi della generazione F3 sono gialli con genotipo GG
• il genotipo "misto" giallo (Gg)
- i semi della generazione F3 sono gialli e verdi in rapporto 3:1; i genotipi sono GG, Gg, gg
• il genotipo "puro" verde (gg)
- tutti i semi della generazione F3 sono verdi con genotipo gg
I due alleli di ogni coppia segregano (cioè si separano) al momento della produzione dei gameti
(prima legge di Mendel o legge della segregazione).
Per un dato carattere, un organismo è:
• omozigote, se ha due alleli uguali del gene che codifica per quel dato carattere (es. GG o gg)
- GG è omozigote dominante
- gg è omozigote recessivo
• eterozigote, se ha due alleli diversi del gene che codifica per quel dato carattere (es. Gg)
Il reincrocio o testcross
• viene usato per stabilire il genotipo di un individuo a fenotipo dominante
• si effettua incrociando l'individuo a fenotipo dominante per un dato carattere e genotipo incognito
con un individuo omozigote recessivo per quel carattere
Gli incroci diibridi coinvolgono due caratteri ereditari
Gli incroci possono essere:
• monoibridi
-le piante di linea pura incrociate differiscono tra loro per la forma di un solo carattere ereditario
• diibridi
- le piante di linea pura incrociate differiscono tra loro per la forma di due caratteri ereditari
Mendel incrociando piante a semi lisci e gialli (LLGG) con piante a semi rugosi e verdi (llgg)
ottenne una generazione F1 a semi lisci e gialli, con genotipo LlGg.
• dall'autoimpollinazione delle piante F1 ottenne quattro fenotipi in rapporto 9:3:3:1:
- semi lisci e gialli (9)
- semi rugosi e gialli (3)
- semi lisci e verdi (3)
- semi rugosi e verdi (1)
Durante la formazione dei gameti, i due alleli di un gene si segregano nei gameti indipendentemente
da come si segregano gli alleli di un altro gene (seconda legge di Mendel o legge
dell'assortimento indipendente).
Come furono accolte le intuizioni di Mendel?
Il lavoro di Mendel:
• non fu compreso dai suoi contemporanei
• fu riscoperto nel 1900
• è stato la base della genetica
Un'apparente eccezione alle leggi di Mendel
Incrociando una pianta di bocca di leone a fiori rossi (RR) con una a fiori bianchi (rr) si ottiene una
generazione di piante F1 a fiori rosa (Rr):
• le piante a fiori rossi hanno i due alleli del gene per il colore del fiore funzionali
• le piante a fiori bianchi hanno i due alleli per il colore del fiore non funzionali
• le piante a fiori rosa hanno un solo allele funzionale per il colore del fiore
- quando nessuno dei due alleli è completamente dominante si parla di dominanza incompleta
Un'altra eccezione: i gruppi sanguigni
Il sistema AB0 dei gruppi sanguigni:
• è determinato da due glicoproteine, indicate con A e B
-ciascuna di esse è codificata da un gene con due alleli
• ha quattro fenotipi diversi che corrispondono ai quattro gruppi sanguigni A, B, AB, 0
- il fenotipo A corrisponde al genotipo AA oppure A0
- il fenotipo B corrisponde al genotipo BB oppure B0
- il fenotipo AB corrisponde al genotipo AB
- il fenotipo 0 corrisponde al genotipo 00
Due alleli (come A e B) si dicono codominanti quando sono entrambi pienamente espressi.
Quando ci sono più di due alleli per un dato gene si parla di alleli multipli
• ne sono esempi la gamma di tonalità del colore della pelle umana
Un gene, più effetti: la pleiotropia
La pleiotropia:
• è quel fenomeno per cui un singolo gene influisce su diversi aspetti del fenotipo di un organismo
• ne è un esempio la sindrome del cromosoma X fragile
• è indice che normalmente i geni cooperano assieme in modo più o meno complesso
I geni in rapporto all'ambiente
L'ambiente apporta variazioni al fenotipo di un individuo:
• ne è un esempio il comportamento di Potentilla glandulosa
- l'altezza delle piante dipende dall'altitudine alla quale esse crescono
- piante geneticamente identiche crescono meglio a altitudini diverse
I cromosomi e l'ereditarietà
Lo studio dei caratteri legati al sesso
Il comune moscerino della frutta, Drosophila melanogaster, è particolarmente adatto per gli studi di
genetica perché:
• è piccolo e facile da allevare
• la femmina nel corso della sua vita depone centinaia di uova
• il tempo che intercorre tra una generazione e l'altra è breve
Morgan nei suoi esperimenti sulla Drosophila scoprì che
• i cromosomi sessuali non determinano solo il sesso
- il cromosoma X porta il gene per il colore degli occhi di Drosophila
• alcune mutazioni tendono a essere trasmesse assieme
- sono tali quelle legate a geni concatenati
• i vari caratteri e i relativi geni possono essere suddivisi in quattro gruppi di concatenazione
• i geni concatenati possono anche separarsi grazie al crossing-over
- dalla frequenza con cui questi geni si separano si può risalire alla loro distanza sul cromosoma e
quindi costruire le mappe cromosomiche
Caratteri legati al sesso negli esseri umani
Le malattie genetiche sono dovute a alterazioni dei geni
• a carico dei cromosomi sessuali
- ne sono esempi la cecità al rosso e al verde, l'emofilia, la distrofia muscolare di Duchenne
• a carico degli autosomi
- trasmesse come carattere autosomico recessivo (es. l'anemia falciforme)
- trasmesse come carattere autosomico dominante (es. la corea di Huntington)
Malattie genetiche legate agli autosomi
L'anemia falciforme
• è presente soprattutto nelle popolazioni originarie dell'Africa e dell'area mediterranea
• deve il suo nome alla forma a falce che assumono i globuli rossi degli individui che ne sono affetti
- i globuli rossi degli individui malati contengono una forma alterata di emoglobina (l'emoglobina
S) che protegge dalla malaria
• si trasmette con un andamento simile a quello di un incrocio monoibrido di Mendel
L'albero genealogico
• fornisce la storia familiare di una condizione patologica
• permette di calcolare la probabilità con cui la condizione può essere trasmessa alla generazione
successiva
• spesso permette di ricavare quali persone sono portatrici sane eterozigoti del carattere recessivo
Variazione del numero di set cromosomici: la poliploidia
La poliploidia
• è la condizione in cui un organismo possiede più di due set cromosomici
• è letale negli esseri umani
• è molto vantaggiosa nelle piante
Cromosomi in più o in meno: l'aneuploidia
L'aneuploidia
• è la condizione in cui un organismo ha un numero di cromosomi maggiore o minore di quello
normale
• nella maggior parte dei casi, negli esseri umani non è compatibile con la vita
• una sua causa è la non-disgiunzione
- essa può verificarsi nella meiosi I o nella meiosi II
• ne è un esempio la sindrome di Down o trisomia del 21
- l'individuo che ne è affetto ha tre copie del cromosoma 21
- nel 90% dei casi è dovuta a una non-disgiunzione nel processo di formazione delle cellule uovo
- è caratterizzata da bassa statura, corpo tozzo, tratti facciali tipici, quoziente di intelligenza
inferiore al normale
• si può verificare anche a carico dei cromosomi sessuali
- ne sono esempi la sindrome di Turner e la sindrome di Klinefelter
Aberrazioni strutturali dei cromosomi
Le aberrazioni strutturali dei cromosomi consistono in alterazioni della loro struttura; si distinguono
in:
• delezione
- consiste nella perdita di un frammento di cromosoma
- ne è una conseguenza la sindrome del cri-du chat
• inversione
- consiste nel distacco di un frammento di un cromosoma che si riattacca in senso inverso
• traslocazione
- consiste in scambi di frammenti tra cromosomi non omologhi
• duplicazione
- consiste nell'aggiunta di un frammento cromosomico a uno dei due cromosomi omologhi che
viene così ad avere tale frammento in duplice copia
Struttura e duplicazione del DNA
La composizione dei geni
Le prime informazioni sui geni
• si ebbero agli inizi degli anni '30
• si ottennero grazie alle osservazioni sui cromosomi giganti delle ghiandole salivari di Drosophila
Tra la fine degli anni '30 e gli inizi degli anni '40 gli scienziati stabilirono che i geni determinano la
sintesi delle proteine.
Tra la metà degli anni '40 e l'inizio degli anni '50 gli scienziati scoprirono che i geni sono composti
di DNA.
Nei decenni successivi agli anni '50 nacque la biologia molecolare.
Watson, Crick e la doppia elica
Il modello della "doppia elica" del DNA
• rappresenta la struttura tridimensionale della molecola di DNA
• fu pubblicato nel 1953 da J. Watson e F. Crick
• fu proposto sulla base dei risultati ottenuti da Wilkins e dalla Franklin con i loro studi con la
diffrazione a raggi X
• portò ad assegnare a Watson, Crick e Wilkins il premio Nobel per la medicina nel 1962 (la
Franklin era già morta)
I componenti del DNA
La molecola di DNA è formata dall'unione di molti nucleotidi.
Un nucleotide è formato da:
• un gruppo fosfato
• uno zucchero a cinque atomi di carbonio (il desossiribosio)
- le molecole di desossiribosio e i gruppi fosfato sono legati assieme, alternatamente, a formare una
catena
• una base azotata
- adenina, guanina, timina e citosina
La doppia elica del DNA è formata da due componenti:
• due "montanti", rappresentati dalle catene di zucchero e fosfato
• i "pioli", ciascuno dei quali formato da due basi azotate complementari
- sono adenina e timina oppure guanina e citosina
- si estendono verso l'interno della doppia elica a partire dai due "montanti"
- sono legate tra loro da deboli legami a idrogeno
La duplicazione
• è il processo mediante il quale una molecola di DNA viene copiata dando origine a due molecole
nuove, identiche a quella di partenza
• consente, al momento della divisione cellulare, di far avere una copia dell'intero genoma a
ciascuna cellula figlia
Nella duplicazione del DNA:
• i due filamenti della doppia elica si separano
• ciascuna molecola serve da stampo per la sintesi di una nuova molecola di DNA
- i nucleotidi liberi sono collocati in corrispondenza di quelli complementari dalla DNA polimerasi
- la DNA ligasi lega assieme i nuovi nucleotidi
- ciascuna molecola nuova è formata da un filamento nuovo e da uno vecchio
La mutazione: un'alterazione permanente nella struttura del DNA
La mutazione:
• è un'alterazione permanente nella sequenza di basi azotate del DNA di una cellula
• è puntiforme quando interessa un singolo punto del genoma
- viene trasmessa a tutte le cellule che derivano da quella in cui si è verificata
- può insorgere per effetto del fumo, del Sole o di altri agenti mutageni
• si verifica soprattutto nelle cellule somatiche
- può dare origine a linee cellulari cancerose
• quando si verifica nelle cellule germinali viene trasmessa da una generazione all'altra
• è un fattore fondamentale dell'adattamento evolutivo degli organismi
Trascrizione, traduzione e regolazione genica
La struttura delle proteine
Le proteine:
• sono catene polipeptidiche ripiegate su se stesse in una particolare conformazione
tridimensionale
- sono formate da unità monomeriche chiamate aminoacidi
- ne esistono tante diverse perché i 20 aminoacidi esistenti possono disporsi in infiniti modi diversi
• hanno funzioni specifiche diverse determinate dalla loro sequenza aminoacidica
• hanno la loro sequenza aminoacidica determinata dalla sequenza di basi azotate del DNA della
cellula di cui fanno parte
Il processo di sintesi delle proteine
Nella sintesi delle proteine si distinguono due stadi:
1. la trascrizione
- le istruzioni del DNA vengono copiate nell'mRNA, detto trascritto primario
- avviene nel nucleo
2. la traduzione
- in base alle istruzioni contenute nel trascritto primario, viene costruita la catena polipeptidica
- avviene nel citoplasma, a livello dei ribosomi
Una molecola di acido ribonucleico (RNA):
• è formata da una catena di ribonucleotidi
- ciascuno di questi è formato da uno zucchero (ribosio), un gruppo fosfato e una base azotata
(adenina, uracile, guanina o citosina)
• è costituita generalmente da un singolo filamento
• è molto più piccola di una molecola di DNA
Il codice del DNA che specifica per i diversi aminoacidi è a triplette, cioè un aminoacido è
specificato da una sequenza di tre basi azotate del DNA.
A ogni tripletta di basi azotate nella sequenza del DNA ne corrisponde una nella sequenza
dell'mRNA, detta codone.
I codoni dell'mRNA vengono "letti" nel ribosoma:
• i tRNA portano a livello del ribosoma gli aminoacidi corrispondenti
• i vari aminoacidi si legano tra loro con un legame peptidico
Il significato del codice genetico
Il codice genetico:
• è stato definitivamente identificato come codice a triplette negli anni '60
• è ridondante, cioè un aminoacido è codificato da più di una tripletta
• è lo stesso in tutti gli esseri viventi, salvo poche eccezioni
- questa è una prova a favore dell'ipotesi che tutte le forme di vita della Terra derivano da un unico
lontano antenato
- i geni di un organismo possono funzionare anche in organismi diversi
Uno sguardo da vicino alla sintesi proteica
Nella trascrizione di un gene:
• la RNA polimerasi
- apre il tratto di DNA
- colloca lungo il filamento stampo la sequenza di riboucleotidi a esso complementare
• il nastro di mRNA (trascritto primario)
- viene trasformato in mRNA maturo con la rimozione degli introni
I ribosomi
• sono formati da RNA ribosomiale (rRNA) e proteine
• sono costituiti da due subunità, una più grande e una più piccola, che si uniscono all'inizio della
traduzione
Gli RNA di trasporto (tRNA)
• operano da traduttori tra il linguaggio molecolare degli acidi nucleici e quello degli aminoacidi
• a un'estremità hanno una sequenza di tre basi azotate, chiamata anticodone
• all'altra estremità hanno il sito di legame per l'aminoacido
Nella traduzione
• l'mRNA si lega alla subunità più piccola del ribosoma
• al primo codone dell'mRNA (AUG) si lega il tRNA con l'anticodone corrispondente e si aggiunge
la subunità più grande del ribosoma
• vengono aggiunti via via gli aminoacidi
• in corrispondenza di un codone di stop si arresta l'aggiunta degli aminoacidi
• per incrementare la produzione di proteina, lo stesso mRNA viene fatto scorrere attraverso più
ribosomi (poliribosoma)
La sostituzione di una base azotata con un'altra nella sequenza originaria di un gene
• non ha conseguenze se il codone mutato codifica per lo stesso aminoacido
• può avere conseguenze se il codone mutato codifica per un aminoacido diverso
• provoca la fine della sintesi proteica se il codone mutato è un codone di stop
L'aggiunta o l'eliminazione di una base azotata nella sequenza originaria di un gene
• comporta uno slittamento del sistema di lettura a partire dal punto in cui si è avuta l'aggiunta o
l'eliminazione della base azotata
• ha generalmente conseguenze disastrose
La regolazione genica
Il DNA contiene le informazioni per produrre le proteine ma ha bisogno di un agente che regoli la
produzione di queste proteine.
La regolazione genica nei procarioti avviene a livello dell'operone.
L'operone lac di E. coli è formato da:
• tre geni
- gene z che codifica per la β-galattosidasi
- gene y che codifica per la permeasi
- gene a che codifica per un enzima correlato ai precedenti
• un promotore
- è situato prima dell'operatore
- è il sito dove si lega inizialmente l'RNA polimerasi
• un operatore
- è situato tra il promotore e il gene z
- può legare il repressore, impedendo così all'RNA polimerasi di legarsi al promotore
L'attività dell'operone lac è indotta dal lattosio:
• in presenza di lattosio
- il repressore si stacca dall'operatore
- la trascrizione dei geni z, y, a procede
- il lattosio viene metabolizzato
• in assenza di lattosio
- il repressore si lega all'operatore
- la trascrizione dei geni z, y, a è disattivata
L'entità dell'attività metabolica
Si stima che il genoma umano
• codifichi per un numero di proteine compreso tra 50.000 e 100.000
• contenga circa 3 miliardi di coppie di basi azotate
Che cos'è un gene?
Un gene è un tratto di DNA che realizza la trascrizione di un tratto di RNA.
Tecnologia del DNA
Che cos'è la biotecnologia?
La biotecnologia:
• impiega organismi viventi per ottenere determinati prodotti o per facilitare determinati processi
• viene utilizzata per produrre, per esempio, l'ormone umano della crescita (HGH), prima estratto
dall'ipofisi dei cadaveri
- se ne possono produrre grandi quantità
- il processo è più semplice
- il prodotto non è rischioso per i pazienti ai quali viene somministrato
Alcuni strumenti indispensabili della biotecnologia
Nella biotecnologia vengono usati alcuni strumenti:
• gli enzimi di restrizione
- sono enzimi batterici
- tagliano il DNA a livello di specifiche sequenze dette sequenze di riconoscimento
- ne sono stati individuati oltre 1000 differenti
- alcuni di essi tagliano il DNA formando le "estremità appiccicose"
• i plasmidi
- si trovano nei batteri
- sono piccole molecole circolari di DNA
- possono passare da una cellula batterica all'altra con il processo della trasformazione
- vengono usati in biotecnologia come vettori di geni umani
- sono solo uno dei vettori di clonazione (un altro è il batteriofago o fago)
Per inserire un gene umano in un plasmide:
• il gene viene isolato dal genoma con opportuni enzimi di restrizione
• il gene viene inserito in un plasmide (si forma un DNA ricombinante)
• il DNA ricombinante viene inserito, per trasformazione, in una cellula batterica
- la cellula batterica si riproduce
- si separa e si purifica la proteina prodotta dalla traduzione del gene umano
Una tecnica discussa: la clonazione
La clonazione è una tecnica che:
• consente di fare copie genetiche esatte
- un clone è una qualsiasi di queste copie
• può essere applicata a un gene
- serve per produrre grandi quantità di una specifica proteina
• può essere applicata a cellule
• può essere applicata a interi organismi (clonazione riproduttiva)
La pecora Dolly è stata ottenuta con la clonazione riproduttiva:
• è stata prelevata una cellula di mammella da una pecora adulta ed è stata coltivata in laboratorio
• una cellula uovo prelevata da un'altra pecora è stata denucleata e messa a contatto con una delle
cellule di mammella coltivate
• è stata impartita una leggera scossa elettrica alla cellula uovo
• la cellula uovo e la cellula di mammella si sono fuse insieme e il DNA della cellula di mammella
si è riprogrammato avviando lo sviluppo di un embrione
• l'embrione incubato per un po', è stato impiantato nell'utero di una terza pecora che, al termine
della gestazione, ha dato alla luce Dolly
Gli organismi transgenici sono quelli che contengono nel proprio genoma DNA ricombinante.
Come ottenere molte copie di un segmento di DNA: la PCR
La reazione a catena della polimerasi o PCR:
• permette di ottenere molte copie di un segmento di DNA
• è utile soprattutto quando si ha un campione iniziale di DNA molto piccolo
Nella PCR:
• il campione di DNA viene posto in soluzione con
- una grande quantità dei suoi quattro nucleotidi
- molecole di DNA polimerasi
- sequenze innesco di DNA
• si scalda il miscuglio fino alla separazione dei due filamenti del campione di DNA
• si lascia raffreddare il miscuglio in modo che le sequenze innesco si attacchino alle sequenze
complementari dei due filamenti separati
• le DNA polimerasi sintetizzano i nuovi filamenti appaiando i nucleotidi complementari
Separazione e sequenziazione dei frammenti di DNA
L'elettroforesi su gel è una tecnica usata per separare frammenti di DNA:
• il miscuglio dei frammenti di DNA viene posto a un'estremità del gel
• alle due estremità del gel viene applicata una opportuna differenza di potenziale
• i frammenti di DNA, carichi negativamente, migrano verso l'estremità positiva del gel
• si ottiene una serie di bande corrispondenti ai diversi frammenti
Con l'elettroforesi su gel:
• i frammenti vengono separati in base alla loro velocità di migrazione attraverso il gel
• si può stabilire con buona approssimazione la lunghezza dei frammenti di DNA
Il sequenziamento del DNA:
• viene fatto manualmente per i piccoli frammenti di DNA
• viene fatto automaticamente per i frammenti lunghi
Il Progetto Genoma Umano
Il Progetto Genoma Umano:
• è iniziato nel 1990 con lo scopo di catalogare il genoma umano
• è riuscito a determinare e localizzare i geni che compongono il genoma umano
Le applicazioni della biotecnologia
Tra le applicazioni della biotecnologia ci sono:
• la produzione di biofarmaci
- ne sono esempi l'ormone della crescita umano (HGH)
- l'insulina umana
• la terapia genica
- permette di sostituire un gene non funzionale con quello perfettamente funzionante
• la produzione di alimenti con caratteristiche migliori
- ne sono esempi i supersalmoni e le piante resistenti ai pesticidi
• la conoscenza dell'evoluzione della vita
• lo studio di reperti
- ne è un esempio lo studio dei rotoli del Mar Morto
I problemi etici posti dalla biotecnologia
Lo sviluppo della biotecnologia ha posto alcuni problemi etici e alcuni interrogativi:
• è lecito che gli esseri umani modifichino se stessi e altri organismi?
• la biotecnologia produrrà organismi dannosi?
• ha senso riuscire a fare una diagnosi se poi non c'è una cura?
• la biotecnologia porterà a una discriminazione genetica?
Che cos'è una specie?
La specie è l'unità base degli esseri viventi.
Il concetto biologico di specie, espresso da Ernst Mayr, afferma che le specie sono gruppi di
popolazioni che si incrociano tra loro in natura (realmente o potenzialmente) e che sono isolati da
un punto di vista riproduttivo da altri gruppi del genere
• non si applica agli organismi a riproduzione esclusivamente asessuata
• non si applica alle specie che in natura si incrociano tra loro producendo gli ibridi
• non si applica agli organismi estinti
Come si formano nuove specie?
La speciazione è il processo mediante il quale si formano nuove specie.
Esistono due modalità di speciazione:
• cladogenesi
- da una specie "madre" se ne dirama un'altra
- comporta un aumento del numero delle specie
• anagenesi
- una specie "madre" si trasforma in un'altra
- non comporta un aumento del numero delle specie
La cladogenesi avviene quando tra due popolazioni cessa il flusso genico
• per effetto di una separazione geografica (speciazione allopatrica)
• per effetto di altri meccanismi, senza che via sia una separazione geografica (speciazione
simpatrica)
- ne è un esempio la formazione di due specie di Rhagoletis pomonella
Nella speciazione allopatrica operano i meccanismi di isolamento riproduttivo:
• un meccanismo estrinseco di isolamento
- la separazione geografica
• i meccanismi intrinseci di isolamento
- isolamento ecologico (si verifica quando due popolazioni vivono in habitat diversi)
- isolamento temporale (si verifica quando due popolazioni si accoppiano in periodi diversi
dell'anno)
- isolamento comportamentale (si verifica quando due popolazioni hanno rituali di corteggiamento
diversi)
- isolamento meccanico (si verifica quando due popolazioni hanno organi riproduttivi non
compatibili)
- isolamento gametico (si verifica quando c'è incompatibilità tra i gameti maschili e l'apparato
riproduttivo femminile)
- non vitalità o sterilità dell'ibrido (si verifica quando la prole generata è debole e malaticcia o
sterile)
Quando può avvenire la speciazione?
La speciazione avviene con velocità diversa, a seconda del tipo di regime alimentare delle specie:
• i generalisti
- hanno un regime alimentare molto diversificato
- hanno meno necessità di adattarsi ai cambiamenti potendo passare da un tipo di cibo all'altro
- hanno un'evoluzione molto lenta
- ne sono esempi i limuli
• gli specialisti
- hanno un regime alimentare poco diversificato
- hanno necessità di adattarsi ai cambiamenti perché sono strettamente legati a un tipo di cibo
- hanno un'evoluzione piuttosto veloce
- ne sono esempi i fringuelli delle Galapagos
- possono dare origine a più specie diverse quando si trovano in un nuovo ambiente in cui sono
disponibili molte nicchie (radiazione adattativa)
Esistono due teorie per spiegare come avviene la speciazione:
• teoria del gradualismo
- la speciazione si realizza attraverso un gran numero di piccoli cambiamenti su lunghi archi di
tempo
- fu ipotizzata da Darwin
• teoria degli equilibri punteggiati
- la speciazione è caratterizzata da lunghi periodi di stasi interrotti ogni tanto da brevi periodi di
rapida speciazione
- è stata proposta da Gould e Eldredge
La classificazione degli esseri viventi
Carl von Linnè, nel XVIII secolo, introdusse la nomenclatura binomia in latino per identificare le
specie:
• la prima parte del nome indica il genere
• la seconda parte indica la specie
La classificazione degli esseri viventi
• avviene in base al loro grado di parentela, cioè a quanti antenati hanno in comune
• è oggetto di studio della sistematica
• utilizza un sistema di raggruppamento per categorie gerarchiche (sistema tassonomico), ciascuna
delle quali costituisce un taxon
- specie
- genere
- famiglia
- ordine
- classe
- phylum
- regno
- dominio
La ricostruzione delle storie evolutive: la filogenesi
La filogenesi è la storia evolutiva di una specie o di un gruppo di specie viventi o estinte.
La filogenesi può essere ricostruita in due modi:
• studiando la morfologia degli organismi (tassonomia classica)
• ricostruendo l'ordine in cui i diversi gruppi si sono differenziati l'uno dall'altro a partire da un
antenato comune (cladistica)
La tassonomia classica
• si basa sull'esistenza in organismi diversi di strutture omologhe, cioè strutture simili perché
derivanti da una presente in un antenato comune
• confronta la morfologia dei reperti fossili con quella delle forme attuali
• tiene conto anche di dove vivevano le antiche forme rispetto alle attuali
• utilizza anche tecniche molecolari (analisi di sequenze di basi del DNA o di aminoacidi in
proteine)
• dalle somiglianze riscontrate tra due gruppi di organismi risale al loro grado di parentela
• può essere ingannata dal fenomeno dell'evoluzione convergente che si verifica nel caso di alcune
strutture (strutture analoghe) che sono simili in organismi diversi perché svolgono una stessa
funzione, non perché discendono da un antenato comune
• sostiene che, nella classificazione, si deve tenere conto della filogenesi e di altri criteri, come il
possesso di caratteristiche fisiche esclusive
La cladistica
• studia i caratteri ancestrali
- sono quelli che esistevano in un antenato comune a tutte le specie di un dato gruppo
- ne è un esempio la colonna vertebrale, posseduta dall'antenato di pesci, anfibi, rettili e mammiferi
e presente in tutti i vertebrati
• studia i caratteri derivati
- sono quelli caratteristici di alcuni gruppi
- ne è un esempio la caratteristica "tetrapodo", presente solo in alcuni gruppi di vertebrati
• si basa sul presupposto che la presenza di caratteri derivati comuni a più gruppi di organismi
indica che essi hanno un antenato in comune
- più numerosi sono i caratteri derivati condivisi da due organismi, tanto più recente è, rispetto agli
altri organismi considerati, il tempo in cui è esistito l'antenato comune a quei due organismi
• utilizza i dati ottenuti con i suoi studi per costruire cladogrammi
• sostiene che, nella classificazione, l'unico criterio valido sia la filogenesi
Lo studio del corpo: anatomia e fisiologia
L'anatomia studia la struttura interna e esterna del corpo di un animale e le relazioni tra le diverse
parti che lo costituiscono.
La fisiologia studia i meccanismi di funzionamento delle diverse parti del corpo.
Tre caratteristiche generali del corpo umano
Gli esseri umani hanno in comune con molti animali tre caratteristiche generali:
• una cavità corporea interna o celoma
• uno scheletro interno
• un sistema di termoregolazione
La cavità corporea interna:
• è una caratteristica dei vertebrati ma è presente anche in molti invertebrati
• è tale che negli esseri umani e negli altri mammiferi è distinta in una cavità dorsale e una cavità
ventrale
- la cavità dorsale è suddivisa a sua volta in cavità cranica e cavità spinale, dove sono alloggiati,
rispettivamente, il cervello e il midollo spinale
- la cavità ventrale è suddivisa a sua volta in cavità toracica, contenente cuore e polmoni, e cavità
addominale, contenente tutti gli altri organi interni
- cavità toracica e cavità addominale sono separate dal diaframma
Lo scheletro interno:
• sostiene il corpo e ne consente la crescita continua fino alla maturità
• comprende una colonna vertebrale costituita da singoli pezzi ossei, detti vertebre
- tutti gli animali che ne sono dotati sono chiamati vertebrati
Il sistema di termoregolazione:
• consente di mantenere costante la temperatura interna del corpo
• nei pesci, anfibi e rettili è regolato dalla temperatura dell'ambiente esterno
- questi animali scaldano il loro corpo con l'esposizione al Sole
- sono animali esotermi
- la temperatura interna del loro corpo è simile a quella esterna
• negli uccelli e nei mammiferi è interno
- questi animali usano il calore liberato dalla loro attività metabolica per mantenere costante la loro
temperatura interna
- sono animali endotermi
L'architettura e l'organizzazione degli animali
Gli animali:
• sono tutti pluricellulari
• hanno cellule nelle quali si distinguono livelli di organizzazione inferiore:
- contengono microscopiche strutture che sono gli organuli
- gli organuli sono costituiti da molecole
- le molecole sono formate da atomi
• nel corso dell'evoluzione, man mano che sono diventati più grandi hanno assunto
un'organizzazione strutturale sempre più complessa:
- le cellule si sono organizzate in tessuti
- i tessuti si sono assemblati a formare organi
- più organi si sono riuniti insieme a formare i sistemi di organi o apparati che, nel loro insieme,
costituiscono l'organismo
I quattro tipi fondamentali di tessuti
I tessuti fondamentali sono:
1. tessuti epiteliali
- coprono tutte le superfici corporee esterne
- rivestono tutte le cavità interne del corpo
- formano le ghiandole
2. tessuti connettivi
- hanno una funzione meccanica di sostegno e protezione del corpo
- sono coinvolti nella difesa dell'organismo
- sono coinvolti nel trasporto di materiali all'interno dell'organismo
- sono implicati nell'immagazzinamento di riserve energetiche
3. tessuti muscolari
- sono deputati alla contrazione, funzionale al movimento
4. tessuti nervosi
- sono specializzati nella rapida conduzione di impulsi elettrici
1. Il tessuto epiteliale può essere:
• semplice
- è formato da un solo strato di cellule
• stratificato
- è formato da più strati di cellule
• squamoso
- è formato da cellule appiattite
• cubico
- è formato da cellule cuboidali
• cilindrico
- è formato da cellule a forma di parallelepipedo
Il tessuto epiteliale forma le ghiandole che possono essere:
• esocrine
- liberano i loro secreti in dotti escretori che sboccano su una superficie epiteliale
- ne sono esempi le ghiandole sudoripare
• endocrine
- liberano i loro secreti (ormoni) direttamente nell'ambiente circostante o nella circolazione
sanguigna
2. Il tessuto connettivo
• è formato da cellule immerse in un matrice extracellulare (sostanza fondamentale)
- può essere fluida o solida
• è lasso quando la sostanza fondamentale è poco densa e ha fibre di collagene
- ne è un esempio il tessuto adiposo che ha funzione di protezione, di isolamento termico e di
deposito di riserve
• è fibroso quando la sostanza fondamentale è densa, poco abbondante e prevalgono le fibre di
collagene
- costituisce i tendini e i legamenti
- i tessuti connettivi fibrosi di sostegno sono la cartilagine e l'osso
• è fluido quando le cellule sono sospese in una matrice completamente fluida
- ne sono esempi il sangue e la linfa
3. Il tessuto muscolare può essere:
• scheletrico o striato
- costituisce i muscoli scheletrici volontari
- è formato da lunghe cellule plurinucleate
• cardiaco o miocardico
- forma il cuore
- è striato ma è involontario
• liscio
- forma la muscolatura interna involontaria
- è formato da cellule con un solo nucleo
4. Il tessuto nervoso è costituito da due tipi di cellule:
• le cellule di nevroglia
- sostengono i neuroni e contribuiscono al loro nutrimento e al loro isolamento
- difendono il tessuto nervoso dalle infezioni
• i neuroni
- sono le unità funzionali del tessuto nervoso
- hanno un corpo cellulare contenente il nucleo
- hanno un singolo prolungamento, detto assone, nel quale viaggiano gli impulsi in uscita dal
neurone
- hanno molti prolungamenti, i dendriti, lungo i quali viaggiano gli impulsi in entrata nel neurone
Una panoramica sui sistemi d'organi del corpo umano
I sistemi d'organi con funzione di sostegno e movimento sono:
• il sistema tegumentario
- è costituito dalla cute e dalle strutture annesse (ghiandole, peli, capelli, unghie)
- protegge l'organismo dall'ambiente esterno
- contribuisce alla regolazione della temperatura corporea
• il sistema scheletrico
- è l'impalcatura di sostegno interna del corpo
- è formato dalle ossa e dai legamenti
- costituisce anche un deposito di sostanze minerali
• il sistema muscolare
- comprende tutta la muscolatura scheletrica che è sotto il controllo volontario
- permette tutti i movimenti del corpo
- serve anche a mantenere la postura e l'equilibrio
- sostiene i tessuti molli
- aiuta nella termoregolazione
I sistemi d'organi con funzioni di coordinamento, regolazione e difesa sono:
• il sistema nervoso
- comprende il cervello, il midollo spinale, gli organi di senso e i nervi che collegano questi organi e
stabiliscono legami tra il sistema nervoso e gli altri sistemi d'organi
• il sistema endocrino
- invia segnali a tutte le parti del corpo servendosi degli ormoni
• il sistema linfatico
- consiste di una rete diffusa di vasi linfatici ai quali si aggiungono i linfonodi, il timo, le tonsille e
la milza
- drena il fluido extracellulare e lo reimmette, sotto forma di linfa, nei vasi sanguigni del sistema
cardiovascolare
I sistemi d'organi con funzioni di trasporto e di scambio con l'ambiente sono:
• il sistema cardiovascolare o circolatorio
- comprende il cuore, il sangue, i vasi sanguigni e il midollo osseo
- trasporta ai tessuti di tutto il corpo i nutrienti, i gas respiratori e gli ormoni
- trasporta dai tessuti ai siti di filtrazione e di eliminazione i prodotti di rifiuto
• il sistema respiratorio
- comprende i polmoni e le vie aeree
- procura l'ossigeno all'organismo e elimina l'anidride carbonica
• il sistema digerente
- è costituito dal canale alimentare, che inizia a livello della bocca e termina a livello dell'ano, e
dalle ghiandole accessorie (ghiandole salivari, fegato, pancreas)
- demolisce gli alimenti e assorbe i nutrienti
• il sistema urinario
- è costituito dai reni, dagli ureteri, dalla vescica e dall'uretra
- elimina dal sangue i prodotti di rifiuto
• il sistema riproduttivo
- è diverso nel maschio e nella femmina
- serve per la procreazione
Il sistema tegumentario: non solo cute
Il sistema tegumentario negli esseri umani è formato da:
• la cute
- è il più grande organo del corpo umano
- riveste la superficie corporea
- protegge i tessuti e gli organi sottostanti
- regola l'evaporazione dei fluidi corporei e le perdite di calore
- funge da deposito di grasso
- funge da sito di sintesi della vitamina D
• gli annessi cutanei
- sono peli, capelli, unghie e varie ghiandole esocrine che secernono sale, acqua, materiali oleosi e
latte
La cute negli esseri umani è composta essenzialmente di due parti:
• l'epidermide
- è lo strato più esterno della cute
- è un epitelio squamoso stratificato i cui strati più superficiali sono ricchi di cheratina
• il derma
- è lo strato più profondo della cute
- contiene i follicoli piliferi, le ghiandole sudoripare e le terminazioni nervose
- la sua regione più superficiale è costituita da tessuto connettivo lasso
I peli
• emergono dalla superficie della cute su tutto il corpo tranne che sulle labbra, sulle piante dei piedi
e sulle palme delle mani
• hanno origine dai follicoli piliferi
• sono sollevati (fenomeno della "pelle d'oca") dai muscoli erettori del pelo, involontari, che si
estendono dalla regione superiore del derma al follicolo pilifero
Le ghiandole esocrine presenti nella cute sono:
• ghiandole sebacee
- producono il sebo
• ghiandole sudoripare apocrine
- si trovano a livello delle ascelle, intorno ai capezzoli e nella regione inguinale
• ghiandole sudoripare merocrine
- sono molto più numerose e ampiamente distribuite delle ghiandole apocrine
- producono il sudore la cui funzione principale è quella di abbassare la temperatura corporea
Le unghie
• proteggono la punta delle dita delle mani e dei piedi
• crescono a partire dalla radice
Il sistema tegumentario nei vari gruppi animali ha caratteristiche diverse:
• negli organismi unicellulari il sistema tegumentario coincide con la membrana plasmatica
• nei metazoi si comincia a differenziare un tessuto epiteliale di rivestimento formato da un unico
strato
• nei platelminti parassiti l'epidermide è rivestita di una cuticola che resiste all'azione degli enzimi
digestivi
• negli animali terrestri l'epidermide tende a diventare pluristratificata e in molti casi si protegge con
l'aggiunta di cheratina
• nelle diverse classi di vertebrati, esternamente all'epidermide ci sono annessi cutanei
- i rettili hanno la squame
- gli uccelli hanno le penne
- i mammiferi hanno i peli
Lo scheletro: un sostegno per il corpo
Il sistema scheletrico umano è costituito da:
• ossa
• parti cartilaginee
Le ossa:
• sono costituite da tessuto osseo
• sono tali che in quelle lunghe si distingue una parte centrale detta diafisi e due estremità
ingrossate, dette epifisi
- nella diafisi è presente una cavità centrale piena di midollo osseo che può essere rosso o giallo
- le epifisi sono ricoperte di cartilagine articolare
Il tessuto osseo:
• può essere compatto o spugnoso
- nell'osso compatto l'unità funzionale è l'osteone o sistema di Havers
• è formato da:
- gli osteoblasti che sono responsabili della produzione di nuovo osso
- gli osteociti che mantengono la normale struttura e densità dell'osso
- gli osteoclasti che digeriscono la matrice dell'osso
• è tale che gli osteociti si trovano in cavità dette lacune
Lo scheletro umano:
• è formato da 206 ossa
• è suddiviso in scheletro assile e scheletro appendicolare
- lo scheletro assile comprende la colonna vertebrale, la cassa toracica e il cranio
- lo scheletro appendicolare comprende le ossa degli arti superiori e inferiori e i cinti scapolare e
pelvico
Le articolazioni
• sono strutture presenti nel punto di incontro tra due ossa
• a seconda del tipo, consentono una libertà di movimento diversa
In natura esistono diversi tipi di scheletro:
• l'esoscheletro
- è quello tipico degli artropodi, costituito da chitina
- è formato da pezzi articolati tra loro
- non può accrescersi, per cui quando l'animale cresce deve essere cambiato (muta)
• l'endoscheletro
- è lo scheletro interno
• il dermascheletro
- è presente negli echinodermi
- si sviluppa nel derma ed è ricoperto unicamente da epidermide
• l'idroscheletro
- è presente nei nematodi e negli anellidi
- è costituito da una o più camere interne con un fluido sotto pressione che conferisce turgore al
corpo dell'animale
I muscoli e il movimento
In un muscolo scheletrico
• c'è un certo numero di fasci muscolari
• ciascun fascio muscolare è formato da un insieme di cellule o fibre muscolari
• ciascuna fibra muscolare è formata da molte miofibrille
• ciascuna miofibrilla è formata da molti filamenti contrattili
- i filamenti più sottili sono di actina, quelli più spessi sono di miosina
- i filamenti formano i sarcomeri, le unità funzionali del muscolo
In un sarcomero
• i filamenti spessi sono nella zona centrale
• i filamenti sottili sono ancorati a una o all'altra delle sue estremità
• durante la contrazione i filamenti sottili scivolano verso il suo centro:
- le teste della miosina si agganciano ai filamenti di actina che vengono così trascinati verso il
centro del sarcomero
- le teste della miosina si staccano dai filamenti di actina e si riagganciano ad essi un po' più avanti
- i sarcomeri si accorciano
I muscoli antagonisti
• agiscono in coppia, simultaneamente, compiendo movimenti opposti
• ne sono esempi il bicipite e il tricipite
Il sistema circolatorio: un'efficiente rete di trasporto
Il sistema circolatorio:
• trasporta ossigeno, anidride carbonica e varie sostanze verso e da i tessuti
• è costituito dal sangue, dal cuore e dai vasi sanguigni
Il sangue:
• è presente nella donna nella misura di 4-5 litri, nell'uomo di 5-6 litri
• ha una temperatura di circa 38 °C
• ha un pH di circa 7,4
• è formato da elementi figurati e plasma
Gli elementi figurati sono:
• i globuli rossi o eritrociti
- trasportano l'ossigeno a tutti i distretti dell'organismo e prelevano da questi l'anidride carbonica
- contengono l'emoglobina a cui si lega l'ossigeno
• i globuli bianchi o leucociti
- sono coinvolti nella difesa dell'organismo
• le piastrine o trombociti
- sono sacchetti contenenti enzimi
- sono coinvolte nella coagulazione del sangue
Il plasma è formato da:
• acqua per circa il 92%
• proteine plasmatiche
- albumine, coinvolte nel trasporto di ormoni e acidi grassi
- globuline, che sono anticorpi e proteine di trasporto
- fibrinogeno, coinvolto nella coagulazione del sangue
• ioni, nutrienti, scorie metaboliche, ormoni
Le trasfusioni di sangue sono possibili solo tra un donatore e un ricevente che abbiano gruppi
sanguigni compatibili.
L'incompatibilità materno-fetale è legata al fattore Rh.
I vasi sanguigni e i sistemi circolatori
I vasi sanguigni:
• trasportano il sangue in tutte le parti del corpo
• sono le arterie, le vene e i capillari
- le arterie trasportano il sangue in uscita dal cuore
- le vene trasportano il sangue in entrata al cuore
- i capillari connettono le arterie alle vene e permettono gli scambi di gas, nutrienti e prodotti di
rifiuto tra il sangue e i tessuti
La circolazione negli animali può essere:
• aperta
- le arterie riversano il sangue in spazi aperti chiamati seni
- è presente in molti invertebrati
• chiusa
- il sangue circola sempre nei vasi sanguigni
- può essere semplice o doppia, che a sua volta, può essere incompleta o completa
Il cuore e la circolazione sanguigna
Il cuore umano:
• è situato nella gabbia toracica
• ha le dimensioni circa di un pugno chiuso
• è costituito da quattro camere muscolari, due atri e due ventricoli
- l'atrio è in comunicazione con il sottostante ventricolo per mezzo di una valvola atrioventricolare
• pompa il sangue in tutti i vasi
La contrazione del cuore:
• inizia a livello del nodo senoatriale
• si trasmette alla muscolatura dell'atrio e al nodo atrioventricolare
• viene trasmessa al miocardio ventricolare dal fascio di His
La circolazione sanguigna:
• porta ossigeno a tutti i tessuti del corpo
• è suddivisa, nei vertebrati, in:
- circolazione polmonare o piccolo circolo, che porta il sangue dal cuore ai polmoni e da questi al
cuore
- circolazione sistemica o grande circolo, che porta il sangue dal cuore al resto del corpo e da
questo al cuore
La pressione sanguigna:
• è un parametro fondamentale per stabilire lo stato di salute del sistema circolatorio di un individuo
• è detta sistolica (la cosiddetta pressione massima) quella esercitata dal sangue sui vasi arteriosi
quando si contrae il ventricolo sinistro
• è detta diastolica (la cosiddetta pressione minima) quella del sangue arterioso nell'intervallo tra
due sistole
L'infarto miocardico: l'ostruzione delle arterie coronarie
Le arterie coronarie:
• irrorano il cuore
• quando si ostruiscono si verifica l'infarto miocardico
Come avvengono gli scambi tra il sangue e le cellule?
Gli scambi tra il sangue e le cellule avvengono a livello dei letti capillari:
• all'estremo arterioso la pressione ematica tende a spingere i materiali fuori dai capillari
• all'estremo venoso la pressione osmotica tende a muovere i materiali verso l'interno del capillare
Il sistema respiratorio e lo scambio dei gas
Il sistema respiratorio:
• introduce ossigeno nell'organismo e ne elimina l'anidride carbonica
• difende l'organismo dalla penetrazione di microrganismi
• produce suoni per il linguaggio
• regola il volume e la pressione del sangue
• controlla il pH dei fluidi corporei
• è formato dai polmoni e dalle vie respiratorie
La respirazione avviene in più tappe:
• ventilazione polmonare
- è fatta dall'alternarsi regolare di inspirazioni e espirazioni
• respirazione esterna
- è lo scambio dei gas tra gli alveoli e il sangue
• respirazione interna
- è lo scambio di gas tra il sangue dei capillari e il liquido interstiziale circostante
L'ossigeno è trasportato dal sangue legato all'emoglobina, l'anidride carbonica è trasportata sotto
forma di ione bicarbonato.
Il sistema digerente e la nutrizione
Il sistema digerente rifornisce l'organismo di nutrienti ricavati dagli alimenti introdotti nel corpo.
I passaggi che portano alla digestione degli alimenti nel sistema digerente sono:
• ingestione
- è l'introduzione del cibo attraverso la bocca
• elaborazione meccanica
- è la manipolazione fisica dei cibi solidi
• digestione
- è la scissione chimica del cibo in piccole molecole
• secrezione
- è la liberazione di acqua, acidi, enzimi e sostanze tampone da parte del rivestimento del canale
alimentare e da parte delle ghiandole accessorie per rendere possibile la digestione
• assorbimento
- è il movimento verso i capillari o i vasi linfatici delle piccole molecole organiche, degli ioni e
delle vitamine attraverso l'epitelio di rivestimento dell'intestino
• escrezione
- è l'eliminazione dei prodotti di rifiuto dell'organismo
I componenti del sistema digerente
Il sistema digerente è formato da:
• il canale alimentare o tubo digerente
- attraversa tutto il corpo, dalla bocca all'ano
- comprende la cavità orale, la faringe, l'esofago, lo stomaco, l'intestino tenue, l'intestino crasso, il
retto e l'ano
• le ghiandole accessorie
- sono il fegato e il pancreas
A livello microscopico, procedendo dall'esterno verso l'interno, il canale alimentare è formato da:
• la sierosa
- è costituita da tessuto connettivo
• la tonaca muscolare esterna
- è formata da due strati di tessuto muscolare liscio
• la sottomucosa
- è formata da uno strato di tessuto connettivo lasso
- contiene vasi sanguigni e fibre nervose
• la mucosa
- è un epitelio ricoperto di muco da lui stesso prodotto
- è sollevata in pieghe che aumentano molto la superficie assorbente del canale alimentare
- in ciascuna piega è ulteriormente sollevata in estroflessioni digitiformi dette villi
- in ciascun villo forma, a sua volta, microvilli
La digestione:
• inizia nella cavità orale
- il cibo viene frammentato dai denti e impastato con la saliva
- gli enzimi presenti nella saliva cominciano a digerire i carboidrati
- la poltiglia di cibo passa attraverso la faringe e l'esofago per raggiungere lo stomaco
• prosegue nello stomaco
- il cibo viene rimescolato con i succhi gastrici
- il chimo così prodotto passa nell'intestino tenue
• si completa nell'intestino tenue
- è formato da duodeno, digiuno e ileo
Le ghiandole accessorie (fegato e pancreas) producono secreti necessari per la digestione:
• il pancreas produce enzimi digestivi (lipasi, amilasi, proteasi) e sostanze tampone
• il fegato produce la bile, che si raccoglie nella colecisti o cistifellea
- favorisce la digestione dei grassi
L'intestino crasso:
• è formato da cieco, colon e retto
• contiene i materiali non digeriti che vengono compattati e eliminati come scorie solide (feci)
attraverso l'ano
• riassorbe dai materiali indigeriti l'acqua e le vitamine prodotte dalla flora batterica che qui vive
Alimenti diversi, processi digestivi diversi
Carboidrati, proteine e lipidi vengono demoliti con la digestione.
I carboidrati vengono scissi:
• nella cavità orale, dall'amilasi salivare
• nel duodeno, dall'amilasi pancreatica
• a livello dei microvilli intestinali, dagli enzimi digestivi
Le proteine vengono scisse:
• nello stomaco, dalla pepsina
• nel duodeno, dagli enzimi pancreatici
• a livello dei microvilli intestinali, dagli enzimi digestivi
I lipidi vengono:
• emulsionati nel duodeno dalla bile
• scissi nel duodeno, dalla lipasi pancreatica
Il sistema escretore: come eliminare le scorie azotate
L'eliminazione delle scorie azotate avviene in maniera diversa nei vari gruppi animali:
• gli organismi unicellulari scaricano i loro rifiuti nell'ambiente esterno per esocitosi
• negli animali complessi esistono organi escretori:
- nefridi (per es. negli anellidi)
- tubi malpighiani (per es. negli insetti)
- reni (in tutti i vertebrati)
Il sistema escretore umano:
• elimina le scorie azotate dall'organismo sotto forma di urina
• regola il volume di sangue
• regola la concentrazione degli ioni
• mantiene costante il pH dell'organismo
La struttura del sistema escretore e la funzione dei reni
Il sistema escretore umano è formato da:
• i reni
- sono formati da una zona esterna, la corticale, da una zona interna, la midollare, e da una camera,
la pelvi renale
- sono formati da molte unità funzionali, i nefroni
• gli ureteri
- collegano ciascun rene alla vescica
• la vescica
- raccoglie l'urina prodotta
• l'uretra
- trasporta l'urina fuori dal corpo
Un nefrone è formato da:
• la capsula di Bowman che contiene una matassa di capillari, il glomerulo renale
- produce il filtrato glomerulare
• un tubulo prossimale
- riassorbe acqua, sali e nutrienti organici
• l'ansa di Henle
- riassorbe acqua e sali
• un tubulo distale
- riceve acidi, tossine e ioni e riassorbe acqua e sali
• un dotto collettore
- riassorbe acqua
L'attività del sistema escretore è regolata dall'ormone antidiuretico (ADH), secreto dall'ipofisi.
Trasporto, accumulo ed escrezione dell'urina
L'urina prodotta dai reni:
• viene trasportata dagli ureteri nella vescica
• dalla vescica, viene espulsa all'esterno con l'uretra
In caso di insufficienza renale, cioè quando i reni non sono in grado di allontanare le scorie azotate
a velocità normale si ricorre alla dialisi o al trapianto.
Una panoramica sul sistema nervoso
Il sistema nervoso
• monitora l'ambiente interno e esterno di un animale
• integra le informazioni sensoriali ricevute
• coordina le risposte, volontarie e involontarie, dei numerosi sistemi dell'organismo
• è formato da neuroni e cellule di nevroglia
Il sistema nervoso si divide in:
• sistema nervoso centrale (SNC)
- è costituito dal cervello e dal midollo spinale
• sistema nervoso periferico (SNP)
Nel sistema nervoso periferico si distinguono due componenti:
• una componente afferente
- è formata dai recettori sensoriali
• una componente efferente che include:
- il sistema nervoso somatico
- il sistema nervoso autonomo (suddiviso in sistema simpatico e sistema parasimpatico)
I neuroni si distinguono in:
• neuroni sensoriali
- percepiscono le condizioni presenti all'esterno e all'interno del corpo e trasmettono le informazioni
relative ai neuroni del SNC
• neuroni motori
- trasportano istruzioni emesse dal SNC agli organi effettori
• neuroni associativi
- connettono tra loro altri neuroni
- analizzano gli input sensoriali
- coordinano gli input motori
Un neurone è costituito da:
• un corpo cellulare
- contiene il nucleo
• numerosi dendriti
- ricevono i segnali in entrata nel corpo cellulare
• un unico assone
- conduce i segnali in uscita dal neurone
- un fascio di assoni costituisce un nervo
Le cellule di nevroglia hanno funzione di protezione e sostegno:
• alcune formano la barriera ematoencefalica
- impedisce il passaggio di alcune sostanze dal sangue al cervello
• altre formano il rivestimento mielinico degli assoni
- rende più veloce la trasmissione dell'impulso nervoso
- è formato da manicotti, chiamati internodi, intervallati a zone in cui l'assone è nudo (nodi)
- è formato dai ripetuti avvolgimenti intorno all'assone delle cellule di Schwann
Come avviene la trasmissione degli impulsi nervosi?
Gli impulsi nervosi viaggiano lungo l'assone di un neurone e vengono trasmessi da questo a altri
neuroni.
La trasmissione dell'impulso nervoso avviene grazie a modificazioni delle proprietà elettriche della
membrana plasmatica del neurone:
• a riposo, all'esterno della membrana c'è un eccesso di cariche positive e all'interno un eccesso di
cariche negative
- questa differenza di cariche è il potenziale di riposo o di membrana
• in seguito a stimolazione, ioni sodio passano all'interno della cellula, così il lato interno della
membrana diventa positivo
• questo cambiamento fa chiudere i canali per il passaggio del sodio e fa aprire quelli per il
passaggio del potassio che comincia a uscire dalla cellula
• la carica positiva all'interno della membrana comincia a diminuire
• la pompa sodio-potassio trasporta questi ioni attraverso la membrana in modo da ripristinare le
condizioni iniziali
• questo processo rapidissimo, si ripete lungo tutto l'assone permettendo la propagazione del segnale
nervoso (potenziale d'azione)
I potenziali d'azione
• si propagano in un'unica direzione, allontanandosi dal punto in cui è avvenuta la stimolazione
• sono tutti di uguale forza e durata
L'impulso nervoso passa da un neurone all'altro a livello delle sinapsi:
• sono il punto in cui due neuroni si connettono
• sono formate da:
- un neurone presinaptico
- un neurone postsinaptico
- una fessura sinaptica che separa i due elementi
A livello delle sinapsi:
• il neurone presinaptico libera il neurotrasmettitore
• il neurotrasmettitore si lega a recettori presenti sulla membrana del neurone postsinaptico
• questo legame stimola l'apertura dei canali del sodio che attraversando la membrana postsinaptica
innescano il potenziale di azione in questo secondo neurone
Una centrale di comunicazione: il midollo spinale
Il midollo spinale
• può agire come centrale autonoma di comunicazione
• è la via attraverso la quale gli impulsi nervosi, sensoriali e motori, viaggiano verso e dal cervello
- al midollo spinale arrivano gli input sensoriali dai veri recettori, mentre dal midollo spinale escono
i comandi motori diretti ai vari effettori
• consiste di 31 tratti, ciascuno dei quali è connesso a un paio di nervi spinali
• nel suo canale centrale ha uno spazio pieno di fluido cerebrospinale
- rifornisce i tessuti nervosi di nutrienti, ormoni e globuli bianchi
- protegge il SNC da eventuali insulti meccanici
• è responsabile dei riflessi
I riflessi
• sono risposte automatiche del sistema nervoso
• sono monosinaptici, quando è coinvolta una sola sinapsi
- ne è un esempio il riflesso patellare
Il sistema nervoso autonomo
Il sistema nervoso autonomo ha due componenti:
• il sistema simpatico
- stimola il metabolismo tissutale
- aumenta lo stato di vigilanza
- prepara l'organismo a fronteggiare situazioni di emergenza
• il sistema parasimpatico
- è in relazione alla funzione alimentare e al riposo
La maggior parte degli organi vitali riceve informazioni da entrambe le componenti del sistema
nervoso autonomo.
La cabina di comando del sistema nervoso umano: il cervello
Il cervello di un essere umano:
• contiene quasi il 98% del tessuto nervoso dell'organismo
• consiste di:
- sostanza grigia, costituita dai corpi cellulari dei neuroni
- sostanza bianca, costituita dai fasci di assoni
• è suddivisibile in 6 aree principali
Le 6 aree del cervello umano sono:
• telencefalo
- è suddiviso nei due emisferi cerebrali
- la sua porzione superficiale è la corteccia cerebrale
• cervelletto
- regola i movimenti posturali
- conserva l'equilibrio
- riproduce movimenti appresi
• talamo
- contiene stazioni di relè e centri di elaborazione per le informazioni sensoriali in entrata
• mesencefalo
- elabora le informazioni visive e uditive
• ponte
- mette in connessione varie strutture del cervello
• midollo allungato
- trasmette informazioni sensoriali al talamo e agli altri centri del tronco cerebrale
Recettori e organi di senso
I recettori sensoriali percepiscono modificazioni nell'ambiente esterno o interno dell'animale e
convertono lo stimolo in impulso nervoso.
I recettori che percepiscono stimoli tattici sono meccanorecettori:
• possono essere terminazioni nervose libere
• possono essere corpuscoli sensitivi
• ne sono esempi i fusi neuromuscolari e gli organi muscolo-tendinei
• negli artropodi ne sono esempi gli organi timpanici
• nei pesci ne sono esempi gli organi della linea laterale
I recettori che percepiscono stimoli chimici sono chemiorecettori:
• negli invertebrati sono localizzati in genere sulle antenne
• nei vertebrati sono la mucosa olfattoria e le papille gustative
I recettori che percepiscono stimoli luminosi sono fotorecettori:
• negli animali più primitivi sono singole cellule sparse sulla superficie corporea
• in molti phyla di invertebrati si trovano in ocelli di vario tipo
• negli artropodi si trovano nell'occhio composto
• nei vertebrati si trovano nell'occhio a coppa a formare la retina
- sono i coni e i bastoncelli
Il sistema endocrino: gli ormoni e la loro funzione
Il sistema endocrino:
• coopera con il sistema nervoso nel coordinamento e controllo dell'organismo
• è formato da ghiandole endocrine che secernono ormoni
Gli ormoni:
• sono aminoacidici quando sono di natura proteica
• sono steroidei quando sono di natura lipidica
• vengono liberati nel sangue con il quale raggiungono le loro cellule bersaglio
Il controllo della secrezione ormonale
Il controllo della secrezione ormonale:
• può avvenire per feedback negativo
- la risposta smorza lo stimolo che l'ha generata
- è il meccanismo più comune di regolazione ormonale
• può avvenire per feedback positivo
- la risposta amplifica lo stimolo che l'ha generata
- non è un meccanismo molto comune
• inizia dall'ipotalamo
• quando viene a mancare provoca gravi squilibri all'organismo
- ne sono esempi il nanismo ipofisario, il gigantismo ipofisario, il gozzo endemico, il diabete
insipido
L'ipofisi:
• è una piccola ghiandola sospesa all'ipotalamo da un peduncolo
• è formata da una parte anteriore e da una parte posteriore
L'ipofisi anteriore o adenoipofisi secerne:
• l'ormone tireostimolante (TSH)
- stimola la liberazione di ormoni tiroidei da parte della tiroide
• l'ormone adrenocorticotropo (ACTH)
- stimola la produzione di ormoni steroidei da parte della corticale delle ghiandole surrenali
• l'ormone follicolostimolante (FSH)
- promuove lo sviluppo della cellula uovo nella donna e stimola la secrezione di estrogeni
• l'ormone luteinizzante (LH)
- induce l'ovulazione nelle donne e stimola la produzione di progestinici
• la prolattina
- stimola lo sviluppo delle ghiandole mammarie e la produzione di latte
• l'ormone della crescita o somatotropo (STH)
- stimola lo sviluppo generale dell'organismo
L'ipofisi posteriore o neuroipofisi secerne:
• l'ormone antidiuretico (ADH)
- riduce la quantità di acqua eliminata dai reni
• l'ossitocina
- stimola la muscolatura liscia uterina
Le difese dell'organismo: il sistema immunitario
Il sistema immunitario:
• è deputato alla difesa dell'organismo da parte dei patogeni
• agisce con difese aspecifiche e specifiche
- tali difese danno luogo all'immunità
• per svolgere la propria funzione utilizza diversi tipi di cellule (globuli bianchi) e di proteine
Le difese immunitarie aspecifiche
Le difese immunitarie aspecifiche sono:
• le barriere fisiche
- sono la cute e gli epiteli che rivestono le superfici interne del corpo
• i fagociti
- ingeriscono altre cellule o loro frammenti
- si distinguono in microfagi e macrofagi
• la sorveglianza immunologica
- è il costante monitoraggio dei tessuti normali
- è svolto dalle cellule NK, sensibili alla presenza di antigeni sulle cellule dell'organismo
• gli interferoni
- inducono in cellule normali la produzione di sostanze ad azione antivirale
• il complemento
- è un gruppo di proteine che supplementa l'azione degli anticorpi
• l'infiammazione
- è una risposta tissutale localizzata alle lesioni
- è scatenata dalla liberazione di istamina e eparina da parte delle mastcellule
• la febbre
- è un prolungato rialzo della temperatura corporea
Le difese immunitarie specifiche
Le difese immunitarie specifiche conferiscono all'organismo l'immunità.
L'immunità può essere:
• acquisita
- è passiva quando è prodotta con la somministrazione di anticorpi prodotti da un altro organismo
- è attiva quando è prodotta da anticorpi sintetizzati dall'organismo in risposta a ntigeni
• innata
- viene ereditata alla nascita
Immunità umorale e immunità cellulare
L'immunità è:
• umorale
- è mediata da anticorpi
• cellulare
- è mediata da cellule (linfociti T)
Il sistema linfatico
• drena i fluidi extracellulari per reimmeterli nel sistema circolatorio
• è formato da vasi linfatici, linfonodi, milza e timo
L'immunità mediata da anticorpi
Gli anticorpi:
• sono proteine circolanti prodotte dal sistema immunitario
• sono capaci di legarsi al loro antigene
• ne esistono infinite varietà
• sono prodotti dalle plasmacellule (un tipo di cellule B)
Le cellule B producono:
• le plasmacellule
• le cellule B della memoria
L'immunità mediata da cellule
Le cellule coinvolte nell'immunità mediata da cellule sono i linfociti T.
I linfociti T possono essere:
• linfociti T killer
- uccidono le cellule dell'organismo vittime dell'infezione
• linfociti T helper
- si legano agli APC e secernono l'interleuchina-2
• linfociti T soppressori
- inibiscono la produzione di linfociti T killer, una volta superata l'infezione
Allergie e malattie autoimmuni
L'allergia:
• è una reazione esagerata del sistema immunitario a un allergene
• è legata alla liberazione di istamina e eparina
Le malattie autoimmuni:
• si verificano quando l'organismo attacca se stesso
• ne sono esempi l'artrite reumatoide e la sclerosi multipla
Quando l'invasore attacca le linee difensive: l'AIDS
L'AIDS:
• attacca il sistema immunitario
• è provocato dal virus HIV
- attacca i linfociti T helper
• sembra essere rallentato dai farmaci inibitori delle proteasi
La riproduzione negli animali
Esistono due tipi di riproduzione:
• riproduzione asessuata
- non richiede l'intervento di cellule sessuali
• riproduzione sessuata
- avviene grazie all'unione di due cellule sessuali
La riproduzione asessuata:
• è stata la prima a comparire nella storia della vita sulla Terra come scissione binaria
- è utilizzata tuttora da batteri, protisti, funghi e piante
- negli animali, si ritrova in quelli più semplici (poriferi, celenterati, platelminti, echinodermi)
• prevede modalità diverse:
- gemmazione
- rigenerazione
- partenogenesi
• produce una popolazione di individui uniforme da un punto di vista genetico
La riproduzione sessuata:
• richiede la fecondazione delle cellule uovo da parte degli spermatozoi
- la fecondazione può essere esterna o interna
• prevede modalità diverse per generare la prole:
- deposizione di uova (specie ovipare)
- parto di piccoli vivi ma sviluppati nel corpo materno all'interno di uova (specie ovovivipare)
- parto di piccoli vivi sviluppati nel corpo materno dal quale hanno ricevuto nutrimento (specie
vivipare)
Riproduzione e sviluppo nella specie umana
Nella specie umana, la fecondazione consiste nella fusione di una cellula uovo prodotta dalla donna
e di uno spermatozoo prodotto dall'uomo.
Le cellule uovo:
• si trovano nelle ovaie della donna fin dalla nascita sotto forma di oociti
- sono contenuti all'interno di follicoli
- ne matura uno circa ogni 28 giorni
- quando sono maturi vengono espulsi dall'ovaia con il processo chiamato ovulazione
• quando vengono espulse dall'ovaia entrano nell'ovidotto
- a questo livello avviene, se la cellula uovo incontra uno spermatozoo, la fecondazione
Gli spermatozoi:
• sono prodotti in forma immatura all'interno di tubuli contenuti nei testicoli
• completano il loro sviluppo nell'epididimo
• al momento dell'eiaculazione passano attraverso i dotti deferenti che confluiscono nell'uretra
• per mezzo del pene sono immessi nell'apparato riproduttore femminile
- nelle vie genitali femminili, risalgono l'utero e gli ovidotti dove, incontrando una cellula uovo, la
fecondano
- un solo spermatozoo può fecondare la cellula uovo
Il sistema riproduttivo femminile
Il ciclo riproduttivo femminile:
• si ripete circa ogni 28 giorni
• è regolato da ormoni
• porta alla maturazione di una cellula uovo
• si conclude con la mestruazione
- elimina l'endometrio e la cellula uovo non fecondata
• cessa di avvenire alla soglia dei cinquant'anni, quando insorge la menopausa
Il follicolo ovarico (l'oocita circondato dalle sue cellule follicolari) si sviluppa attraverso stadi
successivi:
• follicolo primario
• follicolo secondario
• follicolo terziario
- questo scoppia al momento dell'ovulazione, liberando così la cellula uovo
- le cellule del follicolo terziario scoppiato si trasformano nel corpo luteo
Il sistema riproduttivo maschile
Gli organi riproduttori maschili sono i testicoli, suddivisi all'interno in piccoli lobi che contengono
numerosi tubuli seminiferi.
Gli spermatozoi:
• vengono prodotti, in forma immatura, nei tubuli seminiferi
• maturano nell'epididimo
• vengono espulsi insieme al liquido seminale
- è formato dai secreti delle ghiandole accessorie (vescicole seminali, prostata, ghiandole
bulbouretrali)
• vengono prodotti per tutta la durata della vita dell'uomo
• ad ogni eiaculazione ne vengono espulsi circa 250 milioni
L'unione dello spermatozoo e della cellula uovo
La fecondazione avviene attraverso diverse tappe:
• molti spermatozoi raggiungono la cellula uovo e vengono attivati attraverso la rimozione della
copertura protettiva che riveste l'acrosoma
• solo uno degli spermatozoi attivati riesce ad agganciarsi a recettori presenti sulla superficie della
cellula uovo
• lo spermatozoo che si è agganciato all'oocita libera gli enzimi contenuti nell'acrosoma
- tali enzimi demoliscono gli strati di cellule accessorie che circondano la cellula uovo
• le membrane plasmatiche dell'oocita e dello spermatozoo si fondono
- tale fusione impedisce ad altri spermatozoi di penetrare all'interno della cellula uovo (blocco
veloce della polispermia)
• i nuclei dei due gameti si uniscono
• si forma lo zigote
Lo sviluppo prenatale
Una volta avvenuta la fecondazione, comincia lo sviluppo che porterà lo zigote a trasformarsi in un
individuo.
Lo sviluppo dello zigote avviene in vari stadi successivi:
• dallo zigote si forma la blastocisti
- su un lato della sua cavità ha un gruppo di cellule detto massa cellulare interna che darà origine
al corpo del bambino
- la sua periferia è formata da cellule che formano nell'insieme il trofoblasto che, successivamente,
formerà la placenta
• la blastocisti va incontro a gastrulazione
• si forma il tubo neurale
• inizia l'organogenesi
Gravidanze multiple possono insorgere per due motivi:
• per fecondazione di più uova generate per una ovulazione multipla
- questi sono i gemelli fraterni
• per divisione della massa cellulare interna in due o più porzioni che si sviluppano autonomamente
- questi sono i gemelli identici
La gestazione si può suddividere in tre trimestri:
• primo trimestre
- si formano la blastocisti, la gastrula e il tubo neurale
- si forma un cuore primitivo
- si delineano i somiti
• secondo trimestre
- si formano i principali organi
- compaiono peli e capelli
- la madre avverte i movimenti del bambino
• terzo trimestre
- si sviluppano i polmoni e la circolazione polmonare
- il feto si accresce in peso e lunghezza
La nascita del bambino
Al termine della gravidanza inizia il travaglio che termina con l'espulsione del bambino.
Dopo l'espulsione del bambino viene espulsa anche la placenta (fase del secondamento).
Lo studio dell'ecologia
L'ecologia:
• descrive il mondo naturale osservandolo al livello di scala più ampia
• spiega le interazioni che hanno luogo a livello del mondo naturale
- le interazioni degli esseri viventi con l'ambiente
- le interazioni che gli esseri viventi instaurano tra loro
• fornisce un bagaglio di informazioni di cui la società si può servire per prendere decisioni riguardo
all'ambiente
• studia la fisiologia dei singoli organismi e, a tutti gli altri livelli, studia invece gruppi di organismi
o di specie
I gruppi di organismi di cui si occupa l'ecologia sono:
• le popolazioni
- ciascuna di esse è l'insieme dei membri di una specie che vive in una determinata regione
geografica
• le comunità
- ciascuna di esse è formata dalle popolazioni di tutte le specie che vivono in una data regione
• gli ecosistemi
- ciascuno di essi è formato dalla comunità che vive in un dato ambiente e dai fattori chimico-fisici
di quello stesso ambiente
• la biosfera
- è l'insieme interattivo di tutti gli ecosistemi terrestri
Dimensioni e dinamica delle popolazioni
Per studiare una popolazione di organismi occorre:
• determinarne le dimensioni e la distribuzione nell'area geografica
- se gli individui sono grandi e immobili e l'area considerata non è vasta si ricorre al censimento,
cioè si contano gli individui
- se gli individui sono piccoli e numerosi e l'area considerata è vasta si ricorre alla stima
approssimata fatta in base alla popolazione censita in una piccola area
• capire la sua dinamica, cioè come si modifica nel tempo
Una qualunque popolazione può accrescersi in due modi:
• con una crescita aritmetica
- è tale che ad ogni intervallo di tempo alla popolazione si aggiunge un numero costante di unità
• con una crescita esponenziale
- è tale che il numero di individui della popolazione futura dipende dal numero di individui di quella
attuale
La crescita di una popolazione in condizioni reali:
• è limitata da una serie di fattori limitanti
- la disponibilità di cibo
- la presenza di predatori
- lo spazio disponibile
- l'accumulo di prodotti di rifiuto
• può essere di tipo esponenziale
- è rappresentata da una curva a J
• può essere di tipo logistico
- è rappresentata da una curva a S
Per studiare la dinamica di una popolazione a crescita esponenziale:
• si stabilisce l'intervallo di tempo nel corso del quale valutare il cambiamento di dimensioni della
popolazione
• si determina il tasso di natalità della popolazione
- è il numero di individui che nascono in un determinato periodo di tempo, espresso come
percentuale dell'intera popolazione
• si determina il tasso di mortalità della popolazione
- è il numero di individui che muoiono in un determinato periodo di tempo, espresso come
percentuale dell'intera popolazione
• si determina il tasso di accrescimento della popolazione
- è la differenza tra il tasso di natalità e il tasso di mortalità
- si indica con r
- è detto anche tasso intrinseco di accrescimento perché esprime la velocità di crescita in assenza di
fattori limitanti
In una popolazione a crescita logistica:
• dopo un certo periodo di tempo la velocità di accrescimento si stabilizza sul livello K, che
rappresenta la capacità di sostentamento
- per una data specie, è la massima densità di popolazione che una determinata area geografica può
sostenere
- può essere stabilita stimando per un periodo di tempo sufficientemente lungo il numero di membri
che compongono la popolazione
• la capacità di sostentamento permette di prevedere i cambiamenti delle dimensioni della
popolazione
Specie soggette a selezione r e a selezione K
Dal punto di vista della loro strategia riproduttiva, le specie si dividono in:
• specie soggette a selezione K o specie in equilibrio
- le loro dimensioni tendono a essere limitate dalla capacità di sostentamento dell'ambiente
- risentono maggiormente delle pressioni ambientali man mano che aumentano le loro dimensioni
• specie soggette a selezione r o specie opportuniste
- le loro dimensioni tendono a essere limitate dal tasso di riproduzione
- le pressioni ambientali nei loro confronti sono indipendenti dalle dimensioni delle loro
popolazioni
Le curve di sopravvivenza appartengono a tre categorie ideali:
• curve di tipo I
- sono quelle che si riferiscono a popolazioni che perdono i propri membri prevalentemente in età
avanzata
- ne sono esempi le curve di sopravvivenza degli esseri umani e della maggior parte delle altre
specie soggette a selezione K
• curve di tipo II
- sono quelle che si riferiscono a popolazioni che perdono i propri membri a ritmo costante, a tutte
le età
- ne sono un esempio le curve di sopravvivenza degli uccelli
• curve di tipo III
- sono quelle che si riferiscono a popolazioni che perdono i propri membri soprattutto in giovane età
- ne sono esempi le curve di sopravvivenza degli insetti e di molti anfibi
Dinamica della popolazione umana
Le curve di sopravvivenza sono costruite sfruttando le tavole di mortalità della specie in esame.
Le tavole di mortalità si costruiscono:
• suddividendo la durata della vita della specie in esame in opportuni intervalli unitari di tempo
• calcolando la probabilità che un normale membro della specie sia vivo dopo un certo intervallo di
tempo
Per prevedere la crescita demografica di una popolazione umana si rappresenta la sua età con le
piramidi:
• sono formate da barre orizzontali
- ognuna rappresenta una fascia di età fissa (di solito 5 anni)
- ciascuna di esse è chiamata coorte
- la lunghezza di ciascuna di esse rappresenta la sua dimensione relativa
• mettono in evidenza quale frazione dei loro membri sono in età riproduttiva, quale in età preriproduttiva, e quale in età post-riproduttiva
L'andamento della crescita della popolazione umana
• è stato relativamente costante su livelli bassi per molti millenni
• ha avuto un aumento sensibile intorno al 1700 fino al 1950
• ha avuto una crescita vertiginosa dal 1950 in poi
Le comunità: le interazioni tra molte popolazioni
Una comunità ecologica è l'insieme di tutte le popolazioni che abitano in una data area.
In una comunità ecologica:
• i dominanti ecologici sono le poche specie abbondanti
• le specie "chiave di volta" sono quelle non particolarmente numerose ma fondamentali per la
comunità
• la biodiversità è la gamma di specie che vi si trova
Le interazioni tra i membri di una comunità
Due concetti importanti nelle interazioni tra i membri di una comunità sono:
• l'habitat
- è l'ambiente fisico nel quale si può normalmente trovare una determinata specie
• la nicchia
- è l'occupazione di un dato organismo
Le interazioni tra i membri di una comunità possono essere:
• competizione
• predazione e parassitismo
• mutualismo e commensalismo
La competizione:
• si verifica per una qualsiasi risorsa vitale
• è intraspecifica, quando avviene tra membri della stessa specie
• è interspecifica, quando avviene tra due o più specie
• è tale che, se le nicchie di due specie sono in larga misura sovrapposte si possono verificare due
situazioni:
- la competizione per le risorse vitali, porta all'estinzione della specie perdente (principio di
esclusione competitiva)
- le due specie coesistono attraverso la ripartizione delle risorse
La predazione e il parassitismo:
• si verificano quando una specie è la risorsa di un'altra
• sono relazioni le cui dinamiche sono fondamentali per l'equilibrio del mondo vivente
- l'interazione predatore-preda ha effetti evolutivi in quanto spinge le popolazioni verso continui
adattamenti
• differiscono tra loro perché:
- la predazione si ha quando un organismo a vita libera si nutre del corpo di un altro
- il parassitismo si ha quando il predatore si nutre della preda (ospite) senza ucciderla
immediatamente
Il mutualismo e il commensalismo:
• sono interazioni benefiche
• differiscono tra loro perché:
- nel mutualismo entrambe le specie traggono beneficio dall'interazione
- nel commensalismo una delle due specie trae beneficio dall'interazione mentre l'altra è indifferente
• sono tali che le loro dinamiche hanno influenzano l'evoluzione
- il mutualismo è alla base della coevoluzione, cioè dell'evoluzione interdipendente di due o più
specie
Il mimetismo:
• è quel fenomeno per cui una specie si evolve in modo da assumere un aspetto simile a quello di
un'altra
• è batesiano quando una specie evolve in modo da somigliare a un'altra con capacità difensive
superiori
- ne è un esempio la farfalla egeride
• è mülleriano quando diverse specie, tutte dotate di una protezione contro i predatori, si
rassomigliano tra loro
- ne sono un esempio le specie Vespula e Sphecius speciosus
La successione nelle comunità
La successione di una comunità:
• è la serie di sostituzioni che interessano i membri della comunità di un dato sito, fino al
raggiungimento di uno stato stabile
• è primaria quella che si verifica quando lo stadio di partenza è caratterizzato dalla presenza di
pochissime forme di vita o addirittura dalla loro totale assenza
- ne è un esempio la Glacier's Bay in Alaska
• è secondaria quella che si verifica su un habitat inizialmente disturbato da qualche forza esterna e
poi abbandonato a sé
• arriva a una comunità stabile detta comunità climax
In una successione primaria si possono riconoscere questi passaggi:
• l'arrivo di piante "pioniere" portate dal vento sotto forma di semi o spore
• un aumento costante della biomassa
• un progressivo insediamento di specie più longeve
• una generale tendenza verso un aumento nella diversità delle specie
• la facilitazione dell'insediamento di alcune specie successive grazie all'azione di specie precedenti
• l'eliminazione competitiva di alcune specie ad opera delle specie che le seguono