Biologia
Dispensa di Biologia
Preparazione al VPI di Scienze Biologiche — Università di Urbino (L-13 R)
Copertura vincolata al syllabus ufficiale. Contenuti quantitativi presenti solo dove biologicamente sensati (genetica, ploidia, stechiometria, codice); altrove la sezione "formule/regole" riporta regole e schemi.
Indice
1Basi chimiche della cellula
1.1 Costituzione chimica della materia vivente
La materia vivente è costituita in prevalenza da pochi bioelementi. Le molecole complesse del vivente sono organiche (a scheletro di carbonio) e si raggruppano in quattro classi di macromolecole biologiche: carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici. L'acqua è il composto più abbondante.
Regole chiave
- Bioelementi principali per massa: C, H, O, N (~96% della massa) + P, S; poi ioni (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻…) e oligoelementi (Fe, Mg, Zn…).
- Le quattro macromolecole sono polimeri (tranne i lipidi, non veri polimeri) formati da monomeri uniti per condensazione (perdita di H₂O) e scissi per idrolisi (aggiunta di H₂O).
Trappole
- «Composti fondamentali del vivente» ≠ acqua/sali: i quesiti intendono le quattro macromolecole organiche (cfr. esempio ufficiale n.1, risposta B).
- Acqua e sali sono abbondanti/essenziali ma non sono macromolecole organiche.
1.2 L'acqua e le sue proprietà biologiche
Molecola polare: distribuzione asimmetrica delle cariche (O parzialmente negativo, H positivi). Le molecole d'acqua formano legami idrogeno transitori tra loro, all'origine di quasi tutte le sue proprietà biologiche.
Regole chiave (proprietà)
- Solvente di sostanze polari/ioniche (idrofile); non scioglie i lipidi (idrofobi).
- Coesione e adesione → tensione superficiale, capillarità (risalita linfa nelle piante).
- Elevato calore specifico e calore di evaporazione → termoregolazione (sudorazione, stabilità termica).
- Ghiaccio meno denso dell'acqua liquida → galleggia, isola gli ecosistemi acquatici.
Esempio di ragionamento
Perché il sudore raffredda? L'evaporazione richiede molta energia (alto calore di evaporazione): le molecole che passano allo stato di vapore sottraggono calore alla pelle → temperatura corporea abbassata. Non è un calcolo: è la proprietà «calore di evaporazione elevato» applicata.
1.3 Le quattro macromolecole biologiche
| Classe | Monomero / unità | Legame | Funzioni principali |
|---|---|---|---|
| Carboidrati | Monosaccaride (es. glucosio) | Glicosidico | Energia (amido, glicogeno) e struttura (cellulosa, chitina) |
| Lipidi | Glicerolo + acidi grassi (trigliceridi) | Estere | Riserva energetica, membrane (fosfolipidi), ormoni (steroidi) |
| Proteine | Amminoacido (20 tipi) | Peptidico | Enzimi, struttura, trasporto, difesa, movimento, regolazione |
| Acidi nucleici | Nucleotide | Fosfodiesterico | Conservazione (DNA) e trasferimento (RNA) dell'informazione |
Formule / regole
- Formula generale dei carboidrati: $(\mathrm{CH_2O})_n$ — glucosio: $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$.
- Nucleotide = zucchero pentoso + base azotata + gruppo fosfato.
- DNA: desossiribosio, basi A-T-C-G, doppia elica; RNA: ribosio, basi A-U-C-G, singolo filamento.
Trappole
- «Macromolecola» = polimero: la proteina è macromolecola, l'amminoacido/nucleotide/monosaccaride NO (sono monomeri) — cfr. esempio ufficiale n.2.
- Non confondere monomero (glucosio, amminoacido, nucleotide) con polimero (amido, proteina, acido nucleico).
- I lipidi non sono veri polimeri: distrattore frequente «monomero dei lipidi = acido grasso» è impreciso.
2La cellula e i processi vitali
2.1 Procarioti vs eucarioti
La cellula è l'unità fondamentale del vivente. I procarioti (batteri, archei) sono privi di nucleo e di organuli membranosi; gli eucarioti (protisti, funghi, piante, animali) hanno nucleo delimitato da membrana e organuli.
| Procariote | Eucariote | |
|---|---|---|
| Nucleo | Assente (DNA nel nucleoide) | Presente, con membrana |
| DNA | Circolare, singolo | Lineare, in più cromosomi |
| Organuli membranosi | Assenti | Presenti |
| Dimensioni | ~1–10 µm | ~10–100 µm |
| Parete | Presente (peptidoglicano nei batteri) | Solo in piante/funghi |
2.2 Organuli della cellula eucariotica
| Struttura | Funzione | Presenza |
|---|---|---|
| Membrana plasmatica | Barriera selettiva (mosaico fluido, doppio strato fosfolipidico) | Tutte |
| Nucleo | Contiene il DNA; il nucleolo produce i ribosomi | Eucarioti |
| Ribosomi | Sintesi proteica (traduzione) | Tutte |
| RE rugoso | Sintesi/maturazione proteine (con ribosomi) | Eucarioti |
| RE liscio | Sintesi lipidi, detossificazione | Eucarioti |
| Apparato di Golgi | Modifica, smistamento e secrezione | Eucarioti |
| Mitocondri | Respirazione cellulare, produzione di ATP | Eucarioti |
| Lisosomi | Digestione intracellulare (enzimi idrolitici) | Soprattutto animali |
| Cloroplasti (plastidi) | Fotosintesi | Solo vegetali |
| Parete cellulare | Sostegno e protezione (cellulosa) | Solo vegetali |
| Vacuolo centrale | Turgore, riserva | Grande nei vegetali |
| Centrioli | Organizzano il fuso mitotico | Animali |
Trappole
- Mitocondri = respirazione (produzione di ATP), non sintesi proteica né lipidica — cfr. esempio ufficiale n.3.
- Cloroplasti solo nelle cellule vegetali (cfr. esempio n.4). La cellula animale NON li possiede.
- Distintivi vegetale: parete + cloroplasti + grande vacuolo. Distintivi animale: centrioli, lisosomi tipici, no parete.
2.3 Origine degli eucarioti e pluricellularità
Teoria endosimbiotica: mitocondri e cloroplasti derivano da procarioti inglobati da una cellula ospite. Prove: doppia membrana, DNA proprio circolare, ribosomi propri, capacità di dividersi autonomamente. La pluricellularità nasce dalla specializzazione e cooperazione di cellule eucariotiche.
2.4 Cenni di metabolismo
Il metabolismo è l'insieme delle reazioni cellulari: anabolismo (sintesi, consuma energia) e catabolismo (demolizione, libera energia). L'ATP è la moneta energetica che collega le due.
Formule / equazioni (stechiometricamente bilanciate)
Respirazione cellulare (nei mitocondri):
$$\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O + \text{energia (ATP)}}$$
Fotosintesi (nei cloroplasti):
$$\mathrm{6\,CO_2 + 6\,H_2O \xrightarrow{\text{luce}} C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2}$$
Esempio di verifica
Controllo del bilanciamento della respirazione: a sinistra C=6, H=12, O = 6+(6·2)=18; a destra C=6, H=12, O = (6·2)+6=18. Bilanciata. Le due equazioni sono l'una l'inversa dell'altra a livello di bilancio di massa.
Nota di scope: il syllabus richiede solo «cenni». Glicolisi, ciclo di Krebs, catena di trasporto degli elettroni e fasi luminose/oscure sono livello universitario: qui ci si ferma alle equazioni globali e alla localizzazione (mitocondri / cloroplasti).
3Riproduzione delle cellule e degli organismi
3.1 Ciclo cellulare e mitosi
Il ciclo cellulare comprende l'interfase (G1, S = duplicazione del DNA, G2) e la fase M (mitosi + citodieresi). La mitosi è la divisione che da una cellula ne genera due identiche alla madre.
Regole chiave
- Mitosi: 1 divisione → 2 cellule figlie diploidi geneticamente identiche ($2n \rightarrow 2n$).
- Fasi: profase, metafase, anafase, telofase.
- Scopo: crescita, riparazione dei tessuti, riproduzione asessuata.
3.2 Meiosi
La meiosi è la divisione che, da una cellula diploide, produce quattro cellule aploidi geneticamente diverse. È alla base della formazione dei gameti e della variabilità genetica.
Regole chiave (ploidia e contenuto di DNA)
- Meiosi: 2 divisioni successive → 4 cellule aploidi ($2n \rightarrow n$): dimezzamento del corredo cromosomico.
- Variabilità da crossing-over (profase I) e assortimento indipendente dei cromosomi.
- Contenuto di DNA (n = n° cromosomi, C = quantità di DNA di un corredo aploide non duplicato):
Esempio numerico
Uomo: cellula somatica $2n = 46$ cromosomi. Dopo la meiosi ogni gamete è aploide: $n = 23$. Alla fecondazione due gameti (23 + 23) ripristinano $2n = 46$ nello zigote.
3.3 Riproduzione asessuata e sessuata; gameti, fecondazione, sviluppo
| Asessuata | Sessuata | |
|---|---|---|
| Genitori | Uno | Due (di norma) |
| Meccanismo | Mitosi (scissione, gemmazione, propagazione) | Meiosi + fecondazione |
| Prole | Cloni (identica al genitore) | Variabile geneticamente |
- Gametogenesi: spermatogenesi → 4 spermatozoi per cellula; oogenesi → 1 cellula uovo + globuli polari.
- Fecondazione: unione dei gameti aploidi → zigote diploide ($n + n \rightarrow 2n$).
- Sviluppo iniziale: segmentazione → morula → blastula → gastrula (compaiono i foglietti germinativi: ecto-, meso-, endoderma).
Trappole
- Mitosi = divisione cellulare che mantiene il corredo, NON «il ciclo cellulare» né «la fase S» — cfr. esempio ufficiale n.5.
- Meiosi → corredo aploide (esempio n.6). Distrattori «diploide/poliploide» sono errati.
- La meiosi comporta 2 divisioni ma 1 sola duplicazione del DNA: da qui il dimezzamento.
4Ereditarietà e genetica molecolare
4.1 DNA, cromosomi, geni
Il DNA è impacchettato nei cromosomi. Un gene è un tratto di DNA che codifica un'informazione (una proteina o un RNA funzionale). Le varianti di un gene sono gli alleli; la posizione sul cromosoma è il locus.
Termini chiave
- Genotipo (corredo allelico) vs fenotipo (carattere manifesto).
- Omozigote (AA, aa) vs eterozigote (Aa).
- Dominante (si esprime anche in eterozigosi) vs recessivo (solo in omozigosi).
- Regola di Chargaff: $\%A = \%T,\quad \%G = \%C$ (appaiamento complementare A–T, G–C).
Trappole
- Gene ≠ nucleo, ≠ cromosoma, ≠ nucleotide: è un tratto di DNA codificante — cfr. esempio ufficiale n.7.
- Il nucleotide è l'unità del DNA; il gene è una sequenza di molti nucleotidi.
4.2 Genetica mendeliana
Le tre leggi di Mendel descrivono la trasmissione dei caratteri ereditari nei casi più semplici (dominanza completa, geni indipendenti). 1) Dominanza/uniformità della F1. 2) Segregazione degli alleli. 3) Assortimento indipendente di geni su cromosomi diversi.
Rapporti attesi (regole quantitative)
- Incrocio monoibrido $Aa \times Aa$ → F2 fenotipica 3 : 1; genotipica 1 : 2 : 1.
- Incrocio diibrido $AaBb \times AaBb$ → F2 fenotipica 9 : 3 : 3 : 1.
- Probabilità di un genotipo = prodotto delle probabilità dei singoli alleli (regola del prodotto).
- N° di gameti diversi da un individuo eterozigote per $k$ geni indipendenti: $2^{k}$.
Esempio svolto
Nei piselli il seme giallo (A) domina sul verde (a). Incrocio Aa × Aa. Gameti possibili: A o a (½ ciascuno). Quadrato di Punnett → 1 AA, 2 Aa, 1 aa. Fenotipo: 3 gialli : 1 verde. Probabilità di seme verde (aa) = ½ · ½ = $\tfrac{1}{4} = 25\%$.
Trappole
- Le leggi di Mendel non valgono per tutti i caratteri: eccezioni sono geni associati (stesso cromosoma), caratteri poligenici, dominanza incompleta, codominanza. Da qui la risposta «nessuna delle altre» dell'esempio ufficiale n.8.
- Non confondere rapporto fenotipico (3:1) con genotipico (1:2:1).
- L'eterozigote esprime il fenotipo dominante ma trasmette anche l'allele recessivo (portatore).
4.3 Codice genetico, replicazione, trascrizione, traduzione
Il codice genetico è la corrispondenza tra triplette di nucleotidi (codoni) e amminoacidi. Il flusso dell'informazione (dogma centrale) è: $\mathrm{DNA \rightarrow RNA \rightarrow proteina}$.
Regole chiave
- Codoni possibili: $4^3 = 64$ (4 basi, gruppi di 3). Codificano 20 amminoacidi + segnali di stop.
- Proprietà: ridondante/degenerato (più codoni per lo stesso amminoacido), non ambiguo, quasi universale. Codone di inizio AUG (Met).
- Replicazione: semiconservativa (ogni nuova doppia elica = 1 filamento vecchio + 1 nuovo); enzima DNA polimerasi.
- Trascrizione: da DNA a mRNA (RNA polimerasi), nel nucleo.
- Traduzione: da mRNA a proteina, sui ribosomi, con i tRNA (appaiamento codone–anticodone).
Esempio svolto
Filamento stampo di DNA: 3'-TAC-3' (frammento). mRNA trascritto per complementarità (A↔U, T↔A, C↔G, G↔C) = 5'-AUG-3' → codone AUG → amminoacido metionina (inizio). Mostra il passaggio DNA→mRNA→amminoacido.
Trappole
- Nell'RNA la timina (T) è sostituita dall'uracile (U): appaiamento A–U, non A–T.
- Non invertire i processi: trascrizione = DNA→RNA; traduzione = RNA→proteina.
- «Codice degenerato» significa più codoni per un amminoacido, NON codoni ambigui.
5Elementi di anatomia e fisiologia (uomo e animali)
5.1 Gerarchia dell'organizzazione pluricellulare
Negli organismi pluricellulari le strutture si organizzano su livelli crescenti di complessità, ciascuno con proprietà emergenti.
cellula → tessuto → organo → apparato/sistema → organismo
- Tessuto: insieme di cellule simili con la stessa funzione.
- Organo: più tessuti che cooperano a una funzione (es. stomaco).
- Sistema: organi dello stesso tessuto (es. scheletrico, muscolare, nervoso).
- Apparato: organi di tessuti diversi con funzione comune (es. digerente, respiratorio).
Trappole
- «Cellule con la stessa funzione integrate» = tessuto, non organo/apparato/sistema — cfr. esempio ufficiale n.9.
- Distinzione sistema/apparato: stesso tessuto → sistema; tessuti diversi → apparato (nella terminologia italiana; alcuni testi le usano come sinonimi).
5.2 I quattro tessuti fondamentali
| Tessuto | Caratteristica | Funzione |
|---|---|---|
| Epiteliale | Cellule fitte, poca matrice | Rivestimento, protezione, secrezione (ghiandolare), assorbimento |
| Connettivo | Molta matrice extracellulare | Sostegno e connessione: osseo, cartilagineo, adiposo, sangue |
| Muscolare | Cellule contrattili | Movimento: scheletrico (striato, volontario), liscio (involontario), cardiaco |
| Nervoso | Neuroni + cellule gliali | Ricezione e conduzione degli impulsi (elettrici/chimici) |
Trappole
- La conduzione degli impulsi è il tessuto nervoso — cfr. esempio ufficiale n.10.
- Il sangue è un tessuto connettivo (matrice liquida): distrattore frequente.
- Muscolo scheletrico = striato e volontario; liscio = involontario; cardiaco = striato ma involontario.
5.3 Principali sistemi e apparati
| Apparato / sistema | Funzione principale |
|---|---|
| Tegumentario | Rivestimento e protezione (pelle, annessi); termoregolazione |
| Scheletrico | Sostegno, protezione degli organi, movimento (leve), emopoiesi |
| Muscolare | Movimento del corpo e degli organi interni |
| Digerente | Digestione e assorbimento dei nutrienti |
| Respiratorio | Scambio di O₂ e CO₂ con l'ambiente |
| Circolatorio | Trasporto di gas, nutrienti, ormoni, cellule di difesa |
| Escretore (urinario) | Eliminazione delle scorie azotate; equilibrio idro-salino (reni) |
| Riproduttivo | Produzione dei gameti e riproduzione |
| Nervoso | Ricezione degli stimoli, elaborazione, controllo e coordinamento |
Nota di scope: il syllabus elenca esplicitamente questi nove apparati/sistemi. Endocrino, linfatico/immunitario e sensoriale non sono nominati: non li sviluppo per non uscire dal programma.
6Batteria di allenamento
14 quesiti nel formato reale: 4 opzioni, 1 sola corretta, nessuna penalità. Autovalutazione: 3/6 sulla materia sono sufficienti (soglia 50%). Se sbagli sistematicamente su un blocco, rileggi la sezione corrispondente prima di rifare i quesiti collegati.