Le macromolecole, a loro volta, derivano dall associazione di piccole molecole che risultano formate da atomi. LA MATERIA E GLI ATOMI

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1 7. Biologia 7 La biologia (dal greco bìos vita e lògos discorso) è la scienza della vita; essa comprende tutte le discipline che studiano la forma e la struttura (per esempio l anatomia e la citologia), le attività funzionali (fisiologia e biochimica) e il comportamento degli esseri viventi (etologia). La biologia generale è, invece, una scienza di sintesi che tratta i fenomeni generali e fondamentali relativi a tutti gli esseri viventi. In questa sezione verranno presi in esame i principali argomenti di questa complessa materia, trattando, in particolare, la composizione chimica degli esseri viventi, la struttura generale della cellula, il metabolismo cellulare e le nozioni fondamentali della genetica. Livelli di organizzazione degli esseri viventi Un essere vivente, animale o vegetale, presenta un corpo costituito da parti facilmente rilevabili a occhio nudo per le loro notevoli dimensioni: gli organi (per es.: il cuore in un animale e le foglie in una pianta). L insieme degli organi costituisce i sistemi o apparati (per es.: l apparato circolatorio negli animali, l apparato fogliare nelle piante). Osservando un organo con una lente di ingrandimento esso risulta costituito da tessuti i quali, esaminati al microscopio ottico (M.O.), si rivelano costituiti da cellule. Dall osservazione di una cellula al M.O. si distinguono all interno di essa degli organelli,aventi ciascuno una funzione ben precisa. L esame al microscopio elettronico (M.E.) degli organelli evidenzia che essi sono costituiti dall aggregazione di molecole chimiche di grandi dimensioni: le macromolecole. 109

2 B I O L O G I A Le macromolecole, a loro volta, derivano dall associazione di piccole molecole che risultano formate da atomi. LA MATERIA E GLI ATOMI La materia, ossia tutto ciò che esiste, è costituita da unità elementari: gli atomi. Un atomo è formato da un nucleo centrale contenente i protoni aventi carica positiva e i neutroni elettricamente neutri, e dagli elettroni, carichi negativamente, che ruotano vertiginosamente intorno al nucleo. In ogni atomo il numero dei protoni è sempre uguale a quello degli elettroni per cui esso risulta elettricamente neutro; tale numero è detto numero atomico. Esistono poco più di un centinaio di atomi diversi, corrispondenti ad altrettanti elementi,intendendo per elemento una sostanza costituita da atomi uguali. Gli atomi dei diversi elementi sono ordinati, in base al loro numero atomico crescente, nella tavola periodica degli elementi;infatti, la legge della periodicità indica che le caratteristiche fisiche e chimiche degli elementi variano in funzione del loro numero atomico. In un atomo gli elettroni sono disposti a strati, detti anche gusci o livelli energetici.per ogni strato esistono diversi orbitali che rappresentano le regioni in cui è più probabile che si trovino gli elettroni. Il numero massimo di elettroni che può essere contenuto nello strato più esterno è di 8. Alcuni elementi, come i gas rari, si trovano in condizioni di massima stabilità poiché presentano lo strato esterno completo con 8 elettroni (ottetto completo). Invece, la maggior parte degli atomi presenta lo strato esterno incompleto, cioè con meno di 8 elettroni, per cui tendono a raggiungere la condizione di stabilità cedendo, acquistando o mettendo in comune il numero di elettroni necessario a completare l ottetto. Dall unione di due o più atomi di un solo elemento o di elementi diversi si formano le molecole. Un atomo che ha perso o acquistato elettroni si definisce ione: quando un atomo perde elettroni si carica positivamente e viene detto ione positivo o catione, come per esempio lo ione sodio (Na ); se, invece, un atomo acquista elettroni si carica negativamente e viene detto ione negativo o anione, come per esempio lo ione cloro (Cl ). 110

3 Livelli di organizzazione degli esseri viventi 7 LEGAME CHIMICO Tutti gli atomi che non presentano una configurazione elettronica (disposizione degli elettroni intorno al nucleo) stabile tendono a raggiungerla cedendo, acquistando o mettendo in comune gli elettroni dello strato più esterno, cioè formando legami chimici. Il legame è dunque la forza che mantiene uniti gli atomi. Si distinguono legami chimici forti e legami chimici deboli. Tra i legami chimici forti distinguiamo: il legame ionico che consiste nel trasferimento di elettroni dallo strato esterno di un atomo a quello di un altro atomo; il legame covalente che consiste nella condivisione di una coppia di elettroni (doppietto elettronico) tra due atomi. Tra i legami chimici deboli distinguiamo: il legame dipolo-dipolo si forma tra molecole polari (cioè quelle che presentano una carica positiva o una carica negativa) che si dispongono in modo da opporre l estremità con carica positiva dell una all estremità con carica negativa dell altra; il legame di Van der Waals si forma tra molecole non polari; il legame idrogeno si forma tra molecole polari e precisamente tra l atomo H (parzialmente positivo) di un dipolo e una coppia di elettroni libera di una molecola adiacente. COMPOSIZIONE CHIMICA DEGLI ESSERI VIVENTI Qualsiasi essere vivente, animale o vegetale, presenta gli stessi costituenti chimici la cui proporzione può variare leggermente a seconda della specie. Tali costituenti si distinguono in: inorganici e organici. I costituenti inorganici comprendono: l acqua e i sali minerali. L acqua (H 2 O) è il composto inorganico più abbondante negli organismi viventi (70-80%). Nella cellula l acqua è presente in due forme: libera e legata.l acqua libera (95%) è utilizzata come solvente per gli ioni minerali e come mezzo disperdente delle macromolecole, ed è indispensabile per l attività metabolica cellulare, in quanto, processi come le reazioni enzimatiche avvengono esclusivamente in un mezzo acquoso. 111

4 7 7.1 QUESITI DI BIOLOGIA TEST DI VERIFICA S O L U Z I O N I A P A G I N A La formula generale n (CH 2 O) indica: a un enzima b un acido nucleico c un carboidrato d un acido grasso Gli steroidi sono: a lipidi b proteine c carboidrati d vitamine Gli zuccheri a sei atomi di C sono detti: a saturi b esosi c pentasaccaridi d tetrasaccaridi Il DNA è l unità biochimica di tutti: a gli organismi vegetali b gli organismi animali c gli organismi viventi d non è l unità biochimica Quale fra le seguenti molecole non è contenuta nel DNA? a Ribosio b Timina c Adenina d Tutte le precedenti Gli acidi ribonucleici sono costituiti da: a nucleosidi b nucleotidi monofosfato 143

5 B I O L O G I A c solo basi azotate d nessuna delle precedenti I grassi i cui C presentano doppi legami sono detti: a saturi b insaturi c complessi d aminoacidi Nel nucleo dell atomo sono contenuti: a solo elettroni b elettroni e protoni c protoni e neutroni d protoni, elettroni e neutroni Cosa indica il ph? a L acidità o la basicità di una soluzione b Quanti fra gli idrogeni prodotti si legano con l ossigeno per formare H 2 O c Il peso degli idrogeni prodotti d La radioattività prodotta da una soluzione 10 Qual è il ph di una soluzione in cui prevale la concentrazione di ioni OH? a ph 7 b ph 7 c ph 7 d ph Il glicogeno è: a un alcool b un lipide c una proteina d un polisaccaride Cos è la citologia? a La scienza che studia le diverse specie vegetali b La scienza che studia il comportamento animale c La scienza che studia le specie animali d La scienza che studia la cellula Cosa sono i procarioti? a Organismi unicellulari b Organismi pluricellulari c Organismi costituiti da cellule eucariotiche d Organismi costituiti da almeno due cellule vegetali 144

6 7 Soluzioni Commenti ai quesiti di biologia (pagina 143) 01 c I carboidrati detti anche zuccheri, glucidi o saccaridi presentano una struttura base costituita da atomi di C a cui si legano atomi di H e O nel rapporto di 2 : 1, es.: C 6 H 12 O 6, C 5 H 10 O a Gli steroidi sono lipidi costituiti da quattro anelli di C fusi tra loro e legati talvolta ad altri gruppi laterali. 03 b Tra gli esosi vi sono il glucosio e il fruttosio. 04 c Il DNA (acido deossiribonucleico) è un acido presente nel nucleo cellulare; esso è formato da due catene adiacenti disposte in modo da formare una doppia elica in cui le due catene sono unite tra loro da legami idrogeno. Ciascuna catena è formata dal susseguirsi di basi puriniche e pirimidiniche, acido fosforico e deossiribosio. I cromosmi sono pezzi di DNA. 05 a Il ribosio è lo zucchero presente nell RNA ; nel DNA è invece presente il 2-deossiribosio. 06 b Un nucleotide è l insieme di uno zucchero, una base e un acido fosforico. 07 b Gli acidi grassi o semplicemente i grassi sono tutti composti a catena lineare che varia da tre a diciotto atomi di C. Gli acidi grassi insaturi, come per esempio l acido oleico CH 3 (CH 2 ) 7 CH CH(CH 2 ) 7 COOH, contengono uno o più doppi legami. La presenza dei doppi legami abbassa il loro punto di fusione. 08 c I protoni e i neutroni giacciono nel nucleo dell atomo, mentre gli elettroni gli ruotano intorno. La somma del numero dei protoni (Z) e dei neutroni (n) è detta numero di massa (A). 09 a Il ph corrisponde al logaritmo decimale negativo delle concentrazioni degli ioni H : ph log 10 [H ]. In termini più semplici diremo che il ph è uguale all esponente con segno cambiato, della concentrazione [H ] espressa come potenza di 10. Esempio: se [H ] 10 7 ph 7 (sol. neutra) se [H ] 10 3 ph 3 (sol. acida) se [H ] ph 10 (sol. basica) Una soluzione si definisce quindi neutra quando la [H ] 10 7, basica [H ] 10 7, acida se [H ] c Qualora la [OH ] 10 7 (10 6, 10 5 ecc.) la soluzione è basica e il ph 7 in quanto la [H ] è (10 8, 10 9, ecc.). Il prodotto ionico, infatti, di [OH ] [H ] deve sempre essere uguale a Esempio: [H ] 10 8 [H ] [OH ] [OH ] quindi se [H ] 10 8, la [OH ] d Il glicogeno è un polisaccaride di D-glucosio con struttura simile all amilopectina, ma più ramificato. Si trova nelle cellule animali (fegato e tessuto muscolare) e funge da riserva energetica, essendo all occorrenza capace di scindersi e liberare glucosio. 12 d La citologia è la scienza che studia l unità biologica più elementare, costituita dalla cellula. 13 a Si definiscono procarioti gli organismi unicellulari, costituiti da una cellula procariotica, una cellula che non è in grado di associarsi ad altre dello stesso tipo per formare 149