UNITA'DIDATTICA

A. Il binomio struttura/funzione nella chimica organica e biologica. Biochimica e metabolismi (75 h*).

La chimica delcarbonio

PRE-REQUISITI

Rappresentazione dellesostanze inorganiche edorganiche tramite formulemolecolari e strutturali.Conoscenza dellanomenclatura IUPAC.Proprietà chimico-fisichedella materia (puntofusione, ebollizione,sublimazione, densità).Modello atomico di Bohr:distribuzione elettronica,livelli quantici.Proprietà periodiche deglielementi.Legame covalente, ionico edativo. Ibridizzazioni degliorbitali: caso del carbonio,dell'azoto e dell'ossigeno.Legami (J e 71:.

Interazioni deboli: forze diVan der Waals, dipolo-dipolo, legame idrogeno.Reazioni omolitiche edeterolitiche.Equilibrio di reazione ecostante di equilibrio.Termodinamica chimica.Cinetica delle reazionichimiche.

CONTENUTI IRRINUNCIABILI

- Gli idrocarburi alifatici e aromatici:proprietà chimico-fisiche.

- Gli isomeri conformazionali: larotazione del legame c-c.

- Isomeria di posizione e geometrica.- Reattività degli idrocarburi saturi.- Effetti elettronici, induttivi e di

risonanza.- Reazioni radicaliche.- Principali reazioni di alcheni e

alchini: addizioni.- Concetto di aromaticità.- Reattività dei composti aromatici.

ABILITA' DA ACQUISIRE

• Spiegare le proprietà fisichee chimiche degli idrocarburie dei loro derivati.

• Riconosce gli isomeri diposizione e geometrici.

• Spiegare le causedell' isomeriaconformazionale.

• Riconoscere le principalicategorie di compostialifatici.

• Saper individuare il tipo direazione che avviene infunzione del tipo disubstrato (alcano, alchene,alchino o aromatico) e deireagenti presenti.

• Riconoscere un compostoaromatico.

• Saper definire il concetto diaromaticità e le sueimplicazioni sulla reattivitàdei composti aromatici.

• Spiegare il meccanismo delleprincipali reazioni degliidrocarburi saturi, insaturi earomatici.

COMPETENZE DA ACQUISIRE

• Formulare ipotesi sulla reattivitàdi sostanze organiche in basealle caratteristiche chimico-fisiche fornite.

• Trarre conclusioni o verificareipotesi in base ai risultatiottenuti in esperimenti dilaboratorio opportunamenteprogettati ed eseguiti.

• Comunicare in modo correttoconoscenze, abilità e risultatiottenuti utilizzando unlinguaggio scientifico specifico.

• Saper formulare ipotesisull'impatto di alcunetecnologie industriali, sullasalute dell'uomo esull'ambiente.

Stereoisomeria:relazione trastruttura eattività

Principaligruppifunzionali elororeattività.

Proprietà delle soluzioni.Solubilità.Concentrazioni dellesoluzioni.Cenni di spettroscopia.

Stechiometria delle reazioni.Acidità e basicità.Equilibrio di reazione ecostante di equilibrio.Termodinamica chimica.Entalpia ed entropia di un

-Gli isomeri configurazionali.-Isomeria ottica, chiralità.-Enantiomeri e diastereoisomeri.-Luce polarizzata e attività ottica.-Configurazioni e convenzioni R-S-Proiezioni di Fischer, di Haworth ea cavalletto.

-I gruppi funzionali.-Proprietà chimico-fisiche di:

alogenuri alchilici, alcoli, ammine,composti carbonilici, acidicarbossilici e loro derivati (esteri eammidi).

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• Saper individuare il carboniochirale e descrive le proprietàottiche degli enantiomeri.

• Saper identificare laconfigurazione assoluta Ro Sdi un certo stereoisomero.

• Conoscere il significato di· luce polarizzata.• Saper rappresentare gli

stereoisomeri tramite leproiezioni di Fischer o diHaworth.

• Saper interconvertire glistereoisomeri dalle proiezionidi Fischer a quelle acavalletto e viceversa.

• Saper identificare idiasteroisomeri ecomprendere la differenza traquesti e gli enantiomeri.

• Rappresentare/determinarela configurazione deicomposti chirali.

• Collegare la configurazionecon l'attività dei compostiorganici, comprese lebiomolecole.

• Rappresentare le formula distruttura applicando le regoledella nomenclatura IUPAC.

• Riconoscere i gruppifunzionali e le diverse classi dicomposti organici.

• Classificare e rappresentare lachiralità le sostanze in base allaloro struttura tridimensionaleutilizzando modelli grafici.

• Riconoscere e stabilire lerelazioni spaziali fra gli atomiall'interno delle molecole e framolecole diverse.

• Riconoscere e stabilire relazionifra la presenza di particolarigruppi funzionali e la reattività dimolecole.

• Classificare le sostanze chimichein insiemi basati su

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Lebiomolecole:struttura,caratteristiche chimico-fisiche ereattività.

processo chimico.Cinetica delle reazionichimiche.Metodi analitici diseparazione di miscelecomplesse (distillazione,cristallizzazione,cromatografia).

Equilibrio di reazione ecostante di equilibrio.Relazioni fra struttura dellamateria e le sue proprietàchimico-fisiche.Acidità/basicità. Polarità.Lipofilicità/idrofilia.Interazioni deboli: Van derWaals, dipolo-dipolo,legame idrogeno.

-Principali meccanismi delle reazioniorganiche e fattori che le guidano: -gruppi elettrofili e nucleofili.

-Reazioni di addizione (ai sistemiinsaturi e agli acili). di sostituzione(Sn2, Snl) ed eliminazione (E2, El).

-Cenni sulle reazioni dicondensazione (aldolica, di Claisen).

Carboidrati, lipidi, proteine, acidinucleici: loro struttura, proprietàchimico-fisiche (polarità, legamiidrogeno, idrofilicità e lipofilicità),reattività e funzione biologica.

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• Definire/Spiegare le proprietàfisiche e chimiche deiprincipali gruppi funzionali.

• Collegare le caratteristicheelettroniche dei gruppifunzionali alla loro reattività.

• Riconoscere/applicare iprincipali meccanismi direazione: addizione,sostituzione eliminazione,condensazione.

• Riconosce le principalibiomolecole.

• Saper spiegare la relazione trala struttura delle biomolecole(gruppi funzionali presenti,polarità, idrofilicità elipofilicità) e le loro proprietàe funzioni biologiche.

caratteristiche di reattivitàcomuni.

• Trarre conclusioni o verificareipotesi in base ai risultatiottenuti in esperimenti dilaboratorio opportunamenteprogettati ed eseguiti.

• Formulare ipotesi in base ai datiforniti da un problema.

• Comunicare in modo correttoconoscenze, abilità e risultatiottenuti utilizzando unlinguaggio specifico.

• Saper analizzare da un punto divista "chimico" ciò che cicirconda in modo da potercomprendere come gestiresituazioni di vita reale.

• Osservare, descrivere, analizzaree interpretare fenomeni dellarealtà naturale e artificiale,riconoscendo nelle diverseespressioni i concetti di sistema edi complessità.

• Saper correlare la presenza digruppi funzionali e la strutturatridimensionale dellebiomolecole alle funzione cheesse esplicano a livello biologico.

I

Metabolismoenergetico

Struttura e funzione delmitocondrio e cloroplasto.Bilancio energetico dellereazioni biochimiche

B. Le applicazioni dei processi biologici (45 h*)

Genetica deimicrorganismie tecnologiadel DNAricombinante

Le informazioni genetichesono contenute nel DNA. Ilfattore trasformante diGriffith, l'esperimento diAvery e gli esperimenti diHersheye Chase.Composizione, struttura ereplicazione del DNA (Ilmodello della doppia elica diWatson e Crick, duplicazionesemiconservativa del DNA:esperimento di Meselson-Stahl).

Il metabolismo cellulare autotrofoed eterotrofo.Flusso di energia e significatobiologico della fotosintesi.Il metabolismo dei carboidrati:glicolisi, respirazione aerobica(Ciclo di Krebs, fosforilazioneossidativa e sintesi di ATP), efermentazione.Aspetti fotochimici dellaFotosintesi, foto-fosforilazione,reazioni del carbonio.

Genetica di batteri e virus.-Trasformazione, coniugazione etrasduzione- Batteriofagi: ciclo litico e ciclolisogeno-Retrovirus

La tecnologia del DNA ricombinante:-importanza dei vettori: plasmidi ebatteriofagi-enzimi e siti di restrizione.-tecniche di clonaggio di frammentidi DNA.Reazione a catena della polimerasi.

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• Comprendere il bilancioenergetico delle reazionimetaboliche e del trasportobiologico associate alla sintesio al consumo di ATP.

• Comprendere il ruolo.dell'input energetico dellaluce nei processi fotosintetici.

• Comprendere la differenza fraautotrofia ed eterotrofia

• Conoscere le tappe storichedella genetica molecolare chehanno consentito lo sviluppodella Tecnologia del DNAricombinante

• Comprendere l'importanzadei plasmidi e batteriofagicome vettori di DNA esogenoper la trasformazione diceli ule batteriche.

• Comprendere la tecnologiadel DNA ricombinantedescrivendo l'importanza

• Riconoscere e stabilire relazionifra trasporto biologico econservazione dell'energia.

• Comunicare in modo correttoconoscenze, abilità e risultatiottenuti utilizzando un linguaggiospecifico .

• Analizzare qualitativamente equantitativamente fenomenilegati alle trasformazioni dienergia

• Saper riconoscere, in situazionidella vita reale, le conoscenzeacquisite quali, ad esempio, larelazione fra adattamenti morfo-funzionali delle piante e deglianimali alle caratteristichedell'ambiente o ai predatori.

• Saper disporre in ordinecronologico le conoscenze chehanno reso possibile lo sviluppodelle moderne biotecnologie.

• Saper utilizzare le proceduretipiche di tale disciplinacomprendendo come vieneapplicato il metodo scientifico.

• Saper costruire schemi di sintesiindividuando i concetti chiave edutilizzando il linguaggio formalespecifico della disciplina.

• Saper spiegare le relazioni tra

I '=_

Lebiomolecole:struttura,caratteristiche chimico-fisiche ereattività.

processo chimico.Cinetica delle reazionichimiche.Metodi analitici diseparazione di miscelecomplesse (distillazione,cristallizzazione,cromatografia).

Equilibrio di reazione ecostante di equilibrio.Relazioni fra struttura dellamateria e le sue proprietàchimico-fisiche.Acidità/basicità. Polarità.Lipofilicità/idrofilia.Interazioni deboli: Van derWaals, dipolo-dipolo,legame idrogeno.

-Principali meccanismi delle reazioniorganiche e fattori che le guidano: -gruppi elettrofili e nucleofili.

-Reazioni di addizione (ai sistemiinsaturi e agli acili), di sostituzione(Sn2, Snl) ed eliminazione (E2, El).

-Cenni sulle reazioni dicondensazione (aldolica, di Claisen).

Carboidrati, lipidi, proteine, acidinucleici: loro struttura, proprietàchimico-fisiche (polarità, legamiidrogeno, idrofilicità e lipofilicità),reattività e funzione biologica.

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• Definire/Spiegare le proprietàfisiche e chimiche deiprincipali gruppi funzionali.

• Collegare le caratteristicheelettroniche dei gruppifunzionali alla loro reattività.

• Riconoscere/applicare iprincipali meccanismi direazione: addizione,sostituzione eliminazione,condensazione.

• Riconosce le principalibiomolecole.

• Saper spiegare la relazione trala struttura delle biomolecole(gruppi funzionali presenti,polarità, idrofilicità elipofilicità) e le loro proprietàe funzioni biologiche.

caratteristiche di reattivitàcomuni.

• Trarre conclusioni o verificareipotesi in base ai risultatiottenuti in esperimenti dilaboratorio opportunamenteprogettati ed eseguiti.

• Formulare ipotesi in base ai datiforniti da un problema.

• Comunicare in modo correttoconoscenze, abilità e risultatiottenuti utilizzando unlinguaggio specifico.

• Saper analizzare da un punto divista "chimico" ciò che cicirconda in modo da potercomprendere come gestiresituazioni di vita reale.

• Osservare, descrivere, analizzaree interpretare fenomeni dellarealtà naturale e artificiale,riconoscendo nelle diverseespressioni i concetti di sistema edi complessità.

• Saper correlare la presenza digruppi funzionali e la strutturatridimensionale dellebiomolecole alle funzione cheesse esplicano a livello biologico.

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Codice genetico e sintesidelle proteine: relazione trageni e proteine (esperimentidi Beadle e Tatum).Decifrazione del codicegenetico: il rapporto tra le64 triplette possibili apartire dalle 4 basinucleotidiche del DNA e i 20aminoacidi. Esperimenti diMatthaei e Nirenberg.La sintesi proteica.Le mutazioni.Controllo dell' espressionegenica nei procarioti e neglieucarioti

-Applicazione e potenzialità dellebiotecnologie a livello agro-alimentare, ambientale e medico.

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degli enzimi di restrizione e latecnica utilizzata per separarei frammenti di restrizione.

• Descrivere il meccanismodella reazione a catena dellapolimerasi (PCR)evidenziandone lo scopo.

• Acquisire le conoscenzenecessarie per valutare leimplicazioni pratiche edetiche delle biotecnologie perporsi in modo critico econsapevole di fronte allosvilupposcientifico/tecnologico delpresente e dell'immediatofuturo.

struttura e funzione dellemolecole di DNA.

• Comprendere l'importanza delladuplicazione semiconservativadel DNA evidenziando lacomplessità del fenomeno e lerelazioni con la vita della cellula.

• Saper spiegare come leconoscenze acquisite nel campodella biologia molecolarevengono utilizzate per mettere apunto le biotecnologie.

• Effettuare un'analisi critica deifenomeni considerati ed unariflessione metodologica sulleprocedure sperimentali utilizzateal fine di trarre conclusionibasate sui risultati ottenuti esulle ipotesi verificate

• Cogliere la logica dello sviluppodella ricerca scientifica etecnologica anche in riferimentoalla relazione che le lega aibisogni e alle domande diconoscenza dei diversi contesti.

• Riconoscere le conoscenzeacquisite in situazioni di vitareale: l'uso e l'importanza dellebiotecnologie per l'agricoltura,l'allevamento e la diagnostica ecura delle malattie.

• Comprendere come si ottengonoorganismi genetica mente

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C. Il Pianeta Terra come sistema integrato (45 h*)

Il pianetacome sistemaintegrato dibiosfera,litosfera,idrosfera,criosfera eatmosfera.

La temperatura dell'aria.La degradazione meteorica.

Gli agenti morfogenetici(gravità, acqua, ghiaccio,vento)

Composizione, suddivisione elimite dell'atmosfera.L'atmosfera nel tempo geologico.Il bilancio termico del PianetaTerra.La pressione atmosferica e i venti.La circolazione atmosfericagenerale: circolazione nella bassa enell'alta troposfera.L'umidità atmosferica e leprecipitazioni.Stabilità atmosferica e saturazione.Come si formano le precipitazioni:accrescimento per sublimazione oper coalescenza.Le perturbazioni atmosferiche.Masse d'aria e fronti.Dalla meteorologia allaclimatologia.Processi climatici e le lorointerazioni con la litosfera ebiosfera (i suoli).Distribuzione geografica dei diversiclimi (interazione atmosfera-idrosfera marina).

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• Saper indicare i fattori cheinfluenzano la pressioneatmosferica.

• Saper descrivere le areecicloniche ed anticicloniche.

• Saper spiegare la circolazionenella bassa (modello dicircolazione a tre celle:polare, Ferrei, Hadley) enell'alta troposfera (correnti agetto subtropicali e polari,correnti occidentali eorientali)

• Saper definire il concetto distabilità dell'aria.

• Saper spiegare come siformano le precipitazioni, persublimazione o percoalescenza.

• Saper definire le masse d'ariae le loro zone di origine.

• Saper definire i fronti.• Saper indicare gli elementi ed

i fattori del clima.• Saper indicare la

modificati e acquisire leconoscenze necessarie pervalutare le implicazioni praticheed etiche delle biotecnologie

• Saper visualizzare il Pianeta Terracome un sistema integrato nelquale ogni singola sfera (Iitosfera,atmosfera, idrosfera, criosfera,biosfera) è intimamenteconnessa all'altra.

• Applicare le conoscenze acquisiteai contesti reali, con particolareriguardo al rapporto uomo-ambiente.

IIl riscaldamento globale(interazione atmosfera-idrosfera-criosfera-biosfera).

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classificazione dei climisecondo Koppen.

• Saper indicare le causenaturali del cambiamentoclimatico: ruolo dell'attivitàvulcanica e la variabilitàsolare.

• Saper valutare l'impatto delleattività umane sul climaglobale. Il ruolo della C02come interruttore dei gasserra.

• Saper leggere ed analizzare igrafici dell'lPCC e descrivere idiversi scenari per ilriscaldamento globale.

• Saper indicare le possibiliconseguenze delle variazionidei regimi climatici inrelazione alle risorse idriche,all'agricoltura, agli oceani,alla riduzione del ghiacciomarino e del permafrost.

I modelli dellatettonicaglobale

Litogenesi e ciclo litogenetico

(rocce).

Ciclo geologico (crosta).

Attività sismica e vulcanica.

La struttura interna dellaTerra:-calore terrestre-il campo magneticoterrestre.

Teorie interpretative:deriva dei continenti (Wegener1913)tettonica a zolle (Hess, Vine,Wilson ...)

Principali processi geologici aimargini delle placche.Verifica del modello globale: ilpaleomagnetismo, i punti caldi.Strutture geografiche: continentali(tavolati, cratoni, orogeni, rift),oceaniche (piattaformacontinentale, scarpata, archiinsulari, dorsali)

• Saper descrivere i meccanismia sostegno delle teorieinterpretative.

• Saper correlare le zone di altasismicità e di vulcanismo aimargini delle placche.

• Saper distinguere i marginicontinentali passivi da quellitrasformi.

• Saper distinguere la crostacontinentale da quellaoceanica.

• Saper descrivere le principalistrutture della crostacontinentale, come cratoni etavolati, e il concetto diisostasia.

• Saper descrivere le principalistrutture della crostaoceanica: margini continentaliattivi e passivi, bacini oceanici 'profondi, dorsali oceaniche,sedimenti dei fondi oceanici.

• Saper descrivere il processoorogenetico legato allasubduzione di litosferaoceanica o alla collisione traplacche continentali.

• Le ore indicate sono quelle suggerite per il completamento del modulo.

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• Essere in grado di scegliere eutilizzare modelli esistentiappropriati per descriveresituazioni geologiche reali.