IL METABOLISMO ENERGETICO

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1 IL METABOLISMO ENERGETICO LICEO SCIENTIFICO STATALE GALILEO GALILEI Programmazione di Biologia Classi 3 Saper identificare i processi attraverso cui le cellule trasformano l energia contenuta negli alimenti in energia utilizzabile per compiere le proprie funzioni vitali Comprendere l importanza degli organismi autotrofi che si trovano alla base della catena alimentare perché in grado di costruire molecole organiche a partire da molecole inorganiche La cellula e l energia Le vie metaboliche Il metabolismo del glucosio Reazioni redox e trasporto di energia Elencare i principi comuni che seguono tutte le vie metaboliche Scrivere la reazione generale di demolizione del glucosio in presenza di ossigeno Distinguere il metabolismo aerobico da quello anaerobico Associare il trasferimento di elettroni in una reazione di ossido-riduzione al trasferimento di energia Spiegare che ruolo svolgono i trasportatori di elettroni nel metabolismo del glucosio Conoscere le principali tappe della respirazione cellulare e della fotosintesi. La glicolisi: dal glucosio al piruvato Le due fasi della glicolisi Il bilancio energetico della glicolisi Riassumere le reazioni della glicolisi Distinguere la fase preparatoria da quella di recupero energetico Spiegare il processo di fosforilazione a livello di substrato che porta alla formazione di ATP durante la glicolisi La fermentazione rigenera il NAD+ consumato dalla glicolisi La fermentazione lattica La fermentazione alcolica La resa energetica della glicolisi e della fermentazione Spiegare la funzione delle diverse fermentazioni Distinguere la fermentazione lattica da quella alcolica Riassumere la resa energetica della glicolisi e della fermentazione La respirazione cellulare: il ciclo di Krebs La formazione dell acetil-coa Le tappe del ciclo di Krebs Spiegare come si forma l acetil-coa Individuare nei mitocondri la sede del ciclo di Krebs Analizzare le tappe fondamentali del ciclo di Krebs evidenziando quelle esoergoniche Mettere in evidenza che al termine del ciclo di Krebs l ossidazione del glucosio è completa La respirazione cellulare: il trasporto degli elettroni e la fosforilazione ossidativa La catena di trasporto degli elettroni La teoria della chemiosmosi La resa energetica della respirazione cellulare Descrivere i componenti della catena di trasporto degli elettroni e il luogo in cui si trovano Spiegare il ruolo fondamentale dell ossigeno al termine del trasporto di elettroni Correlare il processo chemiosmotico con la produzione di ATP Calcolare il guadagno energetico complessivo che si ottiene al termine dalla demolizione completa di una mole di glucosio

2 La fotosintesi: energia dal Sole La fase luminosa della fotosintesi trasforma l energia della luce in energia chimica La fase indipendente dalla luce utilizza l energia chimica per la sintesi di carboidrati Le due fasi della fotosintesi L energia luminosa I pigmenti e il loro spettro d assorbimento I fotosistemi Il flusso di elettroni dall acqua al NADPH La produzione di ATP per chemiosmosi Il ciclo di Calvin Il destino della gliceraldeide 3- fosfato Scrivere la reazione generale della fotosintesi Distinguere le reazioni dipendenti dall energia luminosa da quelle indipendenti Mettere in relazione le diverse tappe della fotosintesi con la struttura dei cloroplasti Spiegare le interazioni tra luce e molecole Spiegare la funzione dei pigmenti e la relazione tra spettro d assorbimento e spettro d azione Spiegare la funzione dei due fotosistemi Spiegare la provenienza e il percorso che compiono gli elettroni per giungere all accettore finale Spiegare come viene prodotto l ATP nei cloroplasti Analizzare le tappe fondamentali del ciclo di Calvin evidenziando quelle endoergoniche Spiegare come viene utilizzata dalla pianta la gliceraldeide 3-fosfato

3 DA MENDEL AI MODELLI DI EREDITARIETÀ Cogliere l origine e lo sviluppo storico della genetica comprendendo come viene applicato il metodo scientifico in questa disciplina Acquisire i concetti di base per comprendere la trasmissione dei caratteri ereditari Essere in grado di costruire, leggere e interpretare grafici rappresentativi della trasmissione dei caratteri ereditari Le leggi di Mendel Le conoscenze sull ereditarietà dei caratteri ai tempi di Gregor Mendel La legge della dominanza La legge della segregazione dei caratteri Identificare il periodo storico e le conoscenze scientifiche in cui si inquadrano gli studi di Mendel Illustrare le fasi del lavoro sperimentale di Mendel Distinguere un carattere dominante da uno recessivo, un gene da un allele Enunciare le leggi della dominanza e della segregazione Conoscere le tre leggi di Mendel Come interagiscono gli alleli? La terza legge di Mendel Distinguere gli alleli selvatici da quelli mutati Spiegare il fenomeno della poliallelia mettendolo in relazione all esistenza di più fenotipi Spiegare come un singolo allele può influenzare più di un fenotipo Come interagiscono i geni? Epistasi Geni soppressori Il vigore degli ibridi Eredità poligenica Spiegare come un gene può influenzare l espressione fenotipica di un altro gene Definire gli alleli soppressori Spiegare in che cosa consiste il fenomeno del vigore degli ibridi Spiegare come mai alcuni caratteri compaiono in una popolazione con una enorme gradazione di fenotipi differenti In che rapporto stanno geni e cromosomi Geni associati La ricombinazione genetica dovuta al crossingover Le mappe genetiche Definire un gruppo di associazione genica Spiegare perché alcuni alleli non seguono la legge dell assortimento indipendente Collegare il crossing-over con la frequenza di ricombinazione genica Descrivere come si come si costruiscono le mappe genetiche Conoscere l importanza del crossing over La determinazione cromosomica del sesso Autosomi e cromosomi sessuali L eredità dei caratteri legati al sesso Distinguere gli autosomi dai cromosomi sessuali Distinguere il genotipo emizigote dall eterozigote e dall omozigote Descrivere le modalità di trasmissione dei caratteri legati al sesso Conoscere l eredità legata al sesso

4 IL LINGUAGGIO DELLA VITA Cogliere l origine e lo sviluppo storico della genetica molecolare comprendendo come viene applicato il metodo scientifico in questa disciplina Acquisire la consapevolezza che tutte le informazioni per dare origine a nuove cellule sono contenute nel DNA Come si dimostra che i geni sono fatti di DNA? Le basi molecolari dell ereditarietà Il «fattore di trasformazione» di Griffith L esperimento di Avery Gli esperimenti di Hershey e Chase Ripercorrere le tappe che hanno portato gli scienziati a identificare nel DNA il materiale genetico Illustrare gli esperimenti di Griffith, di Avery, di Hershey e Chase Illustrare i principali esperimenti di genetica Qual è la struttura del DNA? La composizione chimica del DNA Il modello a doppia elica di Watson e Crick La struttura del DNA Illustrare i dati sperimentali forniti da Rosalind Franklin, Maurice Wilkins, Erwin Chagraff che hanno contribuito alla decifrazione della struttura del DNA Descrivere il modello a doppia elica di Watson e Crick Identificare nel nucleotide l unità fondamentale del DNA Correlare la struttura del DNA con la sua funzione Conoscere la struttura del DNA La duplicazione del DNA è semiconservativa Le due fasi della duplicazione del DNA Il complesso di duplicazione Le DNA polimerasi Il filamento veloce e il filamento lento I telomeri I meccanismi di riparazione del DNA Spiegare perché la duplicazione del DNA si dice semiconservativa Descrivere i meccanismi di duplicazione del DNA Spiegare come funzionano le DNA polimerasi Descrivere le modalità di copiatura del filamento veloce e del filamento lento Spiegare la funzione dei telomeri Descrivere i possibili errori di duplicazione e le modalità di riparazione messe in atto dalla cellula IL GENOMA IN AZIONE Cogliere l origine e lo sviluppo storico della genetica molecolare comprendendo come viene applicato il metodo scientifico in questa disciplina Acquisire la consapevolezza che le informazioni contenute nel DNA sono trasformate in proteine I geni guidano la costruzione delle proteine Gli esperimenti di Beadle e Tatum La relazione tra geni e polipeptidi Illustrare gli esperimenti di Beadle e Tatum Ripercorrere le tappe che hanno portato gli scienziati a collegare i geni ai polipeptidi

5 In che modo l informazione passa dal DNA alle proteine? Il «dogma centrale della biologia» La struttura dell RNA Illustrare le due ipotesi di Crick su come l informazione genetica fluisce dal DNA alle proteine Descrivere struttura e funzioni dell RNA messaggero, tranfert e ribosomiale La trascrizione: dal DNA all RNA La trascrizione del DNA Il codice genetico Descrivere le tre tappe in cui può essere suddivisa la trascrizione Spiegare la relazione tra DNA e proteine Descrivere le caratteristiche del codice genetico La traduzione: dall RNA alle proteine Il ruolo del trna e quello dei ribosomi Le tappe della traduzione: inizio, allungamento e terminazione La formazione di una proteina funzionante Distinguere il codone dall anticodone spiegandone i rispettivi ruoli Descrivere struttura e funzioni dei ribosomi Illustrare le tre tappe della traduzione Spiegare come si ottiene dal polipeptide una proteina funzionante Conoscere struttura dell RNA e come avviene la sintesi delle proteine Che cosa sono le mutazioni? Mutazioni somatiche e mutazioni ereditarie Mutazioni puntiformi, cromosomiche e genomiche Mutazioni silenti, mutazioni di senso, mutazioni non senso, mutazioni per scorrimento della finestra di lettura I quattro tipi di mutazioni cromosomiche Le malattie genetiche umane causate da mutazioni cromosomiche Mutazioni spontanee e indotte Mutazioni ed evoluzione Distinguere le mutazioni somatiche da quelle ereditarie Distinguere le mutazioni puntiformi da quelle cromosomiche e da quelle genomiche Distinguere le mutazioni di senso da quelle non senso Spiegare gli esiti di una mutazione per scorrimento della finestra di lettura Distinguere le mutazioni cromosomiche per delezione da quelle dovute a una duplicazione o a un inversione oppure a una traslocazione Illustrare le caratteristiche delle malattie genetiche umane dovute a mutazioni cromosomiche Spiegare la differenza tra mutazione spontanea e mutazione indotta Descrivere i fattori che possono determinare mutazioni spontanee Elencare alcuni degli agenti mutageni più comuni Spiegare i legami tra mutazioni ed evoluzione Conoscere l importanza delle mutazioni

6 LA REGOLAZIONE GENICA IN VIRUS E BATTERI Saper cogliere l importanza della ricerca scientifica per acquisire sempre nuove informazioni sugli agenti infettivi, sulle malattie e sulla loro evoluzione Disporre di una base di interpretazione della genetica di virus e batteri in modo da saper cogliere l importanza delle applicazioni di questa disciplina in campo medico e terapeutico Acquisire le basi per comprendere l importanza della regolazione genica nei batteri La genetica dei virus La struttura dei virus La riproduzione dei batteriofagi: ciclo litico e ciclo lisogeno I ciclo riproduttivi dei virus animali I virus a RNA Descrivere la struttura dei virus Distinguere il ciclo litico dal ciclo lisogeno Distinguere i batteriofagi dai virus animali Illustrare i cicli riproduttivi dei virus a RNA Conoscere la differenza tra virus e batteri La ricombinazione genica nei procarioti La trasformazione Trasduzione generalizzata e specializzata La coniugazione Illustrare le modalità di ricombinazione genica per trasduzione e trasformazione nei batteri Distinguere la trasduzione generalizzata da quella specializzata Spiegare il ruolo svolto dalla coniugazione nella ricombinazione batterica I geni che si spostano: plasmidi e trasposoni I plasmidi I trasposoni Descrivere i plasmidi distinguendone i diversi tipi Spiegare il ruolo svolto dai plasmidi nella diffusione della resistenza agli antibiotici Descrivere le caratteristiche dei trasposoni e la loro funzione L operone: come i procarioti regolano l espressione genica L operone lac L operone trp La formazione di una proteina funzionante Descrivere le sequenze di DNA che formano un operone Descrivere le funzioni di promotore, operatore e gene regolatore Spiegare il funzionamento dell operone lac e dell operone trp Spiegare le differenze tra un sistema inducibile e uno reprimibile

7 LA REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI Comprendere le complesse strategie messe in atto dalle cellule eucariotiche per controllare con precisione l espressione dei suoi geni Acquisire la consapevolezza dello stretto legame che intercorre tra espressione genica e corretto sviluppo embrionale Il genoma eucariotico è più complesso di quello procariotico Le caratteristiche del genoma eucariotico Le sequenze ripetitive Confrontare il genoma procariotico con quello eucariotico evidenziando le differenze Distinguere le sequenze altamente ripetitive da quelle moderatamente ripetitive e dai trasposoni Conoscere il processo della regolazione genica Quali sono le caratteristiche dei geni eucariotici? Le sequenze non codificanti Il processo di splicing Le famiglie geniche Descrivere un tipico gene eucariotico distinguendo gli esoni dagli introni Illustrare il processo di maturazione dell mrna Identificare nella presenza delle famiglie geniche nel genoma un importante fonte di variabilità La regolazione prima della trascrizione Il processo di trascrizione negli eucarioti La struttura della cromatina Confrontare il processo di trascrizione dei procarioti e quello degli eucarioti Descrivere la struttura e la funzione dei nucleosomi Distinguere l eucromatina dall eterocromatina La regolazione durante la trascrizione La trascrizione differenziale I fattori di trascrizione Le sequenze di regolazione L amplificazione genica Lo splicing alternativo Spiegare il fenomeno della trascrizione differenziale Spiegare come i fattori di trascrizione regolano la trascrizione genica Distinguere le sequenze regolatrici da quelle amplificatrici e da quelle con funzione di silenziatori Spiegare come una cellula può sintetizzare un prodotto genico in quantità molto maggiore rispetto a un altra Spiegare il processo di splicing alternativo La regolazione genica interviene nello sviluppo embrionale Le tappe fondamentali dello sviluppo L espressione differenziale dei geni I morfogeni I geni omeotici La sequenza homeobox L apoptosi Descrivere e distinguere la proliferazione cellulare, il differenziamento e la morfogenesi Spiegare la morfogenesi di un organismo modello come la drosofila Definire i geni omeotici Spiegare l importanza evolutiva della sequenza homeobox Descrivere il fenomeno dell apoptosi Spiegare come avviene il processo di differenziamento cellulare

8 LE BIOTECNOLOGIE Saper cogliere l importanza della ricerca scientifica per acquisire sempre nuove informazioni nel campo della genetica molecolare Saper cogliere l importanza delle biotecnologie per l agricoltura e l allevamento, nella diagnostica e nella cura delle malattie Acquisire gli elementi per valutare le implicazioni pratiche ed etiche delle biotecnologie La tecnica del DNA ricombinante è alla base delle moderne biotecnologie Gli enzimi di restrizione I frammenti di restrizione e l elettroforesi su gel Le impronte genetiche Il DNA ricombinante Descrivere l azione degli enzimi di restrizione Descrivere la tecnica utilizzata per separare i frammenti di restrizione Spiegare come si ottiene un impronta genetica Spiegare che cosa s intende per DNA ricombinante Sapere che cosa si intende per DNA ricombinante Come si fa a inserire nuovi geni nelle cellule? La clonazione genica Le cellule transgeniche I vettori Definire la clonazione genica Spiegare come si ottiene una cellula transgenica Illustrare le caratteristiche che deve avere un vettore per essere efficace Le genoteche e il DNA sintetico Le genoteche Il cdna Il DNA sintetico Spiegare che cosa s intende per genoteca e a che cosa serve Illustrare come si costruisce una biblioteca di cdna Descrivere le tecniche utilizzate per produrre DNA sintetico Il sequenziamento del genoma Le informazioni fornite dal sequenziamento dei genomi Il Progetto Genoma Umano La genomica Descrivere le tappe che hanno portato al sequenziamento dei genomi Spiegare gli scopi della genomica Illustrare gli importanti risultati ottenuti dal Progetto Genoma Umano Sapere che cosa si intende per sequenziamento del genoma Le nuove frontiere delle biotecnologie Le applicazioni delle biotecnologie La bioinformatica L interferenza dell RNA e i microrna Illustrare le applicazioni delle biotecnologie in campo medico e agricolo Illustrare le attuali applicazioni della bioinformatica e le potenzialità di tale disciplina Spiegare che cosa sono i microrna e quali funzioni possono avere all interno delle cellule

9 LA GENETICA E LO STUDIO DEI PROCESSI EVOLUTIVI Saper cogliere lo sviluppo storico delle teorie evolutive evidenziando la novità e complessità della teoria darwiniana Comprendere come lo studio della genetica di popolazioni si integra con la teoria darwiniana della selezione naturale Individuare i meccanismi responsabili dell incremento e della conservazione della variabilità genetica all interno di una popolazione L evoluzione dopo Darwin: la teoria sintetica Le questioni lasciate aperte da Darwin: le lacune nella documentazione fossile e l ereditarietà del cambiamento Il pool genico e la genetica di popolazioni La legge di Hardy-Weinberg Spiegare perché la teoria di Darwin fu messa in discussione Spiegare perché la genetica di popolazioni risolve i conflitti tra genetisti e teoria darwiniana Descrivere la legge di Hardy-Weinberg e le condizioni necessarie affinché si realizzi Conoscere la legge di Hardy- Weinberg I fattori che modificano la stabilità genetica di una popolazione Le mutazioni Il flusso genico La deriva genetica L accoppiamento non casuale Spiegare in che modo le mutazioni e la ricombinazione intervengono nel processo evolutivo Descrivere la deriva genetica e le modalità attraverso cui si può realizzare: collo di bottiglia ed effetto del fondatore Spiegare come l accoppiamento non casuale modifica le frequenze genotipiche Conoscere i principali fattori che modificano le popolazioni La selezione naturale L adattamento Il successo riproduttivo La selezione stabilizzante La selezione direzionale La selezione divergente La selezione sessuale Spiegare l adattamento come risultato della selezione naturale Illustrare i diversi effetti della selezione naturale Spiegare in che modo la selezione sessuale influenza il successo riproduttivo Conoscere la teoria della selezione naturale I fattori che influiscono sulla selezione naturale Le mutazioni neutrali La selezione dipendente dalla frequenza Clini ed ecotipi Instabilità ambientale e variabilità genetica I vincoli dell evoluzione Illustrare la teoria neutralista Mettere in relazione la selezione dipendente dalla frequenza, l instabilità ambientale e la diversa distribuzione geografica delle popolazioni con la variabilità Spiegare in che cosa consistono i vincoli dell evoluzione

10 L ORIGINE DELLE SPECIE Saper interpretare i complessi processi evolutivi che portano alla comparsa di nuove specie Comprendere come il successo evolutivo di una specie sia in relazione con il suo grado di adattamento all ambiente e con la sua capacità di modificarsi insieme a esso La teoria evolutiva e il concetto di specie Specie morfologica e specie biologica Il processo di speciazione Definire il concetto di specie Indicare il criterio adottato per definire una specie biologica Individuare nell isolamento riproduttivo il criterio più importante per il riconoscimento di una specie Conoscere il significato di specie La speciazione può avvenire in diversi modi La speciazione allopatrica La speciazione simpatrica Descrivere le modalità di speciazione allopatica e simpatrica Evidenziare le differenze tra la speciazione allopatica e la speciazione simpatrica Conoscere le principali modalità di speciazione La speciazione richiede l isolamento riproduttivo Le barriere riproduttive prezigotiche Le barriere riproduttive postzigotiche L isolamento riproduttivo incompleto Illustrare i principali meccanismi di isolamento prezigotico Spiegare in che modo le barriere riproduttive postzigotiche possono impedire lo scambio di geni tra popolazioni diverse Spiegare i casi in cui si può formare una zona ibrida La macroevoluzione e la storia della vita La macroevoluzione Il tasso di speciazione La coevoluzione Il tasso di estinzione La radiazione adattativa Gli equilibri intermittenti Distinguere la microevoluzione dalla macroevoluzione Individuare i fattori da cui dipende la velocità di speciazione Spiegare il concetto di coevoluzione Spiegare l importanza evolutiva dell estinzione di specie Spiegare come avvengono le radiazioni adattative Delineare gli aspetti principali della teoria degli equilibri intermittenti

11 L EVOLUZIONE DELLA SPECIE UMANA Individuare le linee evolutive che negli ultimi quattro milioni di anni hanno portato alla comparsa dei caratteri distintivi degli ominidi Saper collegare alle principali specie appartenenti al genere Homo le innovazioni culturali che hanno creato le condizioni per l affermazione di ciascuna di esse L evoluzione dei primati: verso gli ominoidei La comparsa degli ominidi: i nostri antenati fossili I caratteri comuni dei mammiferi La comparsa dei primati Le tendenze evolutive dei primati L aumento delle dimensioni cerebrali in rapporto alle dimensioni corporee Le cure parentali Gli ominoidei Le caratteristiche degli ominidi Le australopitecine Il genere Homo Homo erectus Da Homo erectus all uomo di Neanderthal L origine dell uomo moderno L origine africana e l ipotesi multiregionale Descrivere i caratteri comuni a tutti i mammiferi Individuare gli adattamenti tipici dei primati Individuare nell aumento delle dimensioni cerebrali la tendenza evolutiva più importante dei primati Correlare le cure parentali con l instaurarsi di nuclei sociali complessi Descrivere gli ominoidei Evidenziare le caratteristiche che distinguono le specie di ominidi dalle scimmie antropomorfe Percorrere le tappe evolutive che, dalla comparsa del genere Homo, hanno portato all uomo moderno Confrontare l ipotesi dell origine africana dell uomo moderno con quella multiregionale

12 IL CORPO UMANO L ORGANIZZAZIONE DEL CORPO UMANO Comprendere che il corpo umano è un unità integrata formata da sistemi autonomi ma strettamente correlati Saper mettere in relazione il buon funzionamento del proprio corpo con il mantenimento di condizioni fisiologiche costanti Il corpo umano presenta un organizzazione gerarchica L organizzazione dei tessuti La funzione degli epiteli I principali tipi di tessuti epiteliali La funzione del tessuto muscolare Il tessuto muscolare liscio e striato Le funzioni del tessuto connettivo I connettivi propriamente detti I connettivi specializzati Il tessuto nervoso Descrivere l organizzazione strutturale dei tessuti Elencare i tipi e le rispettive funzioni dei tessuti presenti nel corpo umano Distinguere gli epiteli di rivestimento da quelli ghiandolari e sensoriali Distinguere le ghiandole esocrine da quelle endocrine Descrivere e distinguere i tre tipi di tessuto muscolare Classificare i tessuti connettivi in base alla loro funzione e alla composizione della matrice Descrivere il tessuto nervoso distinguendo i neuroni dalle cellule gliali Conoscere le principali caratteristiche dei tessuti umani Organi, sistemi e apparati: uno sguardo d insieme Gli organi e i sistemi che formano il corpo umano I sistemi di coordinamento del corpo umano: nervoso ed endocrino Le membrane interne La cute Descrivere l organizzazione strutturale del corpo umano Elencare i diversi tipi di sistemi che compongono l organismo umano indicandone le funzioni Indicare le diverse modalità con cui il sistema nervoso e quello endocrino garantiscono l equilibrio interno e l adattamento alle condizioni ambientali Illustrare le funzioni delle membrane interne distinguendo le sierose da quelle mucose Descrivere la struttura e le funzioni svolte dalla cute La comunicazione tra le cellule e la regolazione dell attività cellulare Le modalità di comunicazione tra cellule Recettori e molecole segnale La trasduzione del segnale Le giunzioni serrate Le cellule staminali Le cellule tumorali Illustrare come si svolge la comunicazione tra cellule Spiegare la trasduzione del segnale Descrivere le giunzioni serrate Classificare le cellule staminali in base alle loro caratteristiche Distinguere le staminali embrionali da quelle adulte Illustrare le caratteristiche delle cellule tumorali Distinguere i tumori benigni da quelli maligni Spiegare che cosa s intende per metastasi

13 Laboratorio Uso del microscopio ottico Estrazione e cromatografia di pigmenti fogliari Germinazione di semi Sezioni di fusto, foglia, radice con la tecnica verde iodio-rosso congo Mitosi in apici di cipolla. Estrazione del DNA dalla frutta. Allevamento di Drosophila melanogaster Osservazione di un cariotipo Costruzione di alberi genealogici Osservazione al M.O. di tessuti animali Classificazione dei macroinvertebrati della lettiera