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H. Curtis, N.S. Barnes, A. Schnek, A. Massarini

Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020

Invito alla biologia.azzurro

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Capitolo 4 Il metabolismo cellulare

Lezione 1. Le cellule e l’energia Lezione 2. L’ossidazione del glucosio Lezione 3. La fotosintesi produce il glucosio Lezione 4. Gli scambi tra le cellule e l’ambiente


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Il metabolismo cellulare Il metabolismo cellulare consiste in un insieme di reazioni chimiche che comprendono:

•  le reazioni cataboliche, che demoliscono le molecole complesse in altre più semplici e sono esoergoniche, quindi liberano energia;

•  le reazioni anaboliche, che sintetizzano molecole complesse a partire da molecole più semplici e sono

endoergoniche, cioè richiedono energia.


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Gli enzimi sono proteine che svolgono il ruolo di catalizzatori biologici: grazie ad essi le cellule svolgono le reazioni biochimiche a temperature e velocità compatibili con la vita.

In una reazione catalizzata da un enzima:

Struttura e funzione degli enzimi

•  i reagenti sono detti substrati; •  il sito dell’enzima dove avviene la

reazione è il sito attivo; •  il legame di un substrato al sito attivo

forma il complesso enzima-substrato, che dà origine al prodotto.


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Le reazioni di ossidoriduzione Nelle reazioni di ossidoriduzione, o reazioni redox, uno o più elettroni vengono trasferiti da un composto (l’agente riducente) a un altro (l’agente ossidante).

Le reazioni redox sono importanti per il metabolismo cellulare.

Agente riducente

Agente ossidante


6 Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020

FISSA I CONCETTI •  Cosa sono le reazioni cataboliche? Richiedono energia?

•  Cosa sono le reazioni anaboliche? Richiedono energia?

•  A quale classe di biomolecole appartengono gli enzimi e qual è la loro funzione?

•  Spiega come avviene una reazione catalizzata da un enzima specificando cos’è il sito attivo, il substrato e il

prodotto.

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La glicolisi La glicolisi avviene nel citoplasma ed è il primo passaggio dell’ossidazione del glucosio, al quale segue la respirazione cellulare (in presenza di ossigeno) o la fermentazione (in

assenza di ossigeno).

La glicolisi:

•  non richiede ossigeno; •  scinde il glucosio in due

molecole di piruvato;

•  porta alla produzione di due molecole di ATP e due di NADH.

NADH

GLICOLISI

FERMENTAZIONE ALCOLICA

2 Piruvato

2 NAD+

2 2

2

2 2+ Pi

2 NAD+

Glucosio

2 Alcol etilico

2 CO2

2 Acetaldeide

Riassunto dei reagenti e dei prodotti:C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi 2 alcol etilico + 2 CO2 + 2

ADP

NADH

ATP

ATP

ATP

GLICOLISI

FERMENTAZIONE LATTICA

2 Acido lattico

2 Piruvato

Glucosio

2 NAD+

2 2

2

2 2+ Pi

2 NAD+

Riassunto dei reagenti e dei prodotti:C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi 2 acido lattico + 2

ADP

NADH

NADH

ATP


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La fermentazione In mancanza di ossigeno alla glicolisi può seguire la

fermentazione:

•  La fermentazione alcolica produce alcol etilico, ossida l’NADH in NAD+ e libera CO2;

•  La fermentazione lattica produce acido lattico e ossida l’NADH in NAD+ ma non libera CO2 .

GLICOLISI E FERMENTAZIONEC6H12O6 2 lattato (o 2 etanolo + 2 CO2) + 2

GLICOLISI E RESPIRAZIONE CELLULAREATPATP C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 32


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La respirazione cellulare In presenza di ossigeno alla glicolisi segue la respirazione cellulare, che avviene nei mitocondri. Questa via metabolica produce la maggior parte dell’ATP utilizzato dalla cellula.

La respirazione cellulare comprende tre fasi:

•  ossidazione e decarbossilazione dell’acido piruvico; •  ciclo di Krebs; •  catena respiratoria degli elettroni.

GLICOLISI E FERMENTAZIONEC6H12O6 2 lattato (o 2 etanolo + 2 CO2) + 2

GLICOLISI E RESPIRAZIONE CELLULAREATPATP C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 32


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Il ciclo di Krebs Il ciclo di Krebs è costituito da una serie di tappe che si ripetono ciclicamente.

Per completare l’ossidazione di una molecola di glucosio

occorrono due cicli completi.

Il guadagno energetico per

ogni molecola di glucosio è di:

•  2 molecole di ATP; •  6 molecole di NADH; •  2 molecole di FADH2.

ADP

NAD+NADH

NAD+NADH

NAD+NADHCO2

CO2

H2OIL CICLO DI KREBS

CitratoOssalacetato

Acetil-CoA

6C

CoA

4C

6C4C

5C

4C4C

4C

FADH2FAD

ATP


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La catena respiratoria La catena respiratoria è costituita da una serie di proteine che hanno la funzione di trasportatori di elettroni:

•  complessi proteici I, II, III e IV •  citocromo •  ubichinone 50

40

30

20

10

0O2

H2O

I

III

IV

II

NADH

FADH2

e–

e–

e–

e–

e–

e–

Energia

Durante la catena

respiratoria, per ogni

molecola di glucosio

vengono prodotte 28

molecole di ATP. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020


FISSA I CONCETTI •  Quali sono le tappe dell’ossidazione del glucosio?

•  Quali di queste tappe richiedono ossigeno e quali no?

•  Quanto ATP si forma durante la glicolisi per una molecola di glucosio?

•  In cosa differiscono fermentazione alcolica e lattica?

•  Nella respirazione cellulare, il ciclo di Krebs precede o segue la catena respiratoria?

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Il ruolo dei cloroplasti I cloroplasti contengono pigmenti fotosintetici, molecole che assorbono la luce e innescano le reazioni della fotosintesi.

Nei cloroplasti si trovano: •  clorofilla a, che assorbe la luce rossa; •  clorofilla b, che assorbe la luce blu; •  carotenoidi, che assorbono la luce verde.


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Le fasi della fotosintesi Attraverso la fotosintesi piante e alghe convertono l’energia luminosa del Sole in energia chimica, utilizzando l’anidride

carbonica dell’aria e l’acqua del terreno e producendo glucosio.

La fotosintesi si svolge in due fasi:

•  la fase luminosa, le cui reazioni dipendono dalla luce; •  la fase oscura, detta ciclo di Calvin, le cui reazioni sono

indipendenti dalla luce.


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La fase luminosa della fotosintesi

Nelle piante esistono due

fotosistemi che catturano

l’energia luminosa:

•  Il fotosistema II; •  Il fotosistema I.

Le reazioni dipendenti dalla luce hanno luogo sulle membrane

dei tilacoidi.

L’ATP e l’NADH prodotti

durante questa fase sono

impiegati nella fase oscura. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020

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La fase oscura della fotosintesi

Per produrre una molecola di

glucosio occorrono sei molecole

di CO2.

A seconda delle necessità,

la cellula vegetale può:

•  demolire il glucosio per ricavare energia; •  utilizzare il glucosio per sintetizzare carboidrati più complessi.

Durante il ciclo di Calvin vengono prodotte nuove biomolecole, soprattutto zuccheri.



FISSA I CONCETTI •  Definisci cos’è un pigmento fotosintetico.

•  Come si chiamano le due fasi della fotosintesi e perché hanno questi nomi?

•  In quale parte del cloroplasto avvengono le reazioni della prima fase della fotosintesi?

•  Durante quale fase della fotosintesi vengono prodotte nuove biomolecole?

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Il trasporto cellulare passivo e attivo La membrana cellulare è selettivamente permeabile, può essere quindi attraversata solo da alcune particelle.

Il movimento attraverso la membrana cellulare può avvenire in due modi:

•  trasporto passivo, che avviene secondo gradiente di concentrazione e non richiede energia;

•  trasporto attivo, che avviene contro gradiente di concentrazione e richiede energia.


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La diffusione semplice e facilitata Esempi di trasporto passivo sono: •  diffusione semplice, quando il passaggio delle particelle

attraverso la membrana cellulare è diretto;

•  diffusione facilitata, quando il passaggio delle particelle richiede l’intervento di proteine di membrana (canali

proteici e proteine

di trasporto).


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L’osmosi L’acqua attraversa la membrana cellulare attraverso un un tipo

particolare di diffusione detto osmosi. Le molecole d’acqua di muovono da una regione a potenziale idrico maggiore (cioè da una soluzione meno concentrata o ipotonica) verso una regione a potenziale idrico minore (cioè verso una soluzione più concentrata o ipertonica).


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Il trasporto cellulare attivo Il trasporto attivo avviene grazie a speciali proteine (pompe) e si distingue in:

•  uniporto, cioè il trasporto di una sostanza in una direzione; •  simporto, cioè il trasporto di due sostanze in una direzione; •  antiporto, cioè il trasporto di due sostanze in direzioni opposte.


uniporto simporto antiporto

IoneESTERNODELLA CELLULA

INTERNODELLA CELLULA

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Esocitosi ed endocitosi Per introdurre o espellere sostanze di grandi dimensioni la

cellula ricorre al trasporto mediante vescicole: •  attraverso l’esocitosi le molecole vengono espulse; •  attraverso l’endocitosi le molecole vengono introdotte;

A sua volta l’endocitosi è chiamata:

•  fagocitosi, nel caso di sostanze solide; •  pinocitosi, nel caso di sostanze liquide.



FISSA I CONCETTI •  Descrivi i meccanismi di trasporto passivo e attivo.

•  Quali tipi di trasporto passivo esistono? Descrivili.

•  Una soluzione diluita ha un potenziale idrico minore o maggiore di una soluzione concentrata?

•  Quali tipi di trasporto attivo esistono? Descrivili.

•  In quali processi le vescicole sono coinvolte nel trasporto di sostanze dentro e fuori le cellule?

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