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Ripassiamo la cellula 3ASA AO/09_2016 1
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Ripassiamo la cellula
3ASA
AO/09_2016
1
Sommario
1. Le Biomolecole e l’energia
2. La Cellula- strutture e organuli
3. Le membrane cellulari
4. Il metabolismo energetico
5. La divisione cellulare – Mitosi e meiosi
Le biomolecolee l’energia
3
4
Le caratteristiche dei carboidrati
I carboidrati sono una fonte
di energia per le cellule e i
tessuti.
Sono composti di carbonio
e possono essere utilizzati
per formare altre molecole.
Costituiscono il materiale
di sostegno e di rivestimento
cellulare.
5
I carboidrati formano legami glicosidici
Disaccaridi
Polisaccaridi
Monosaccaridi
6
Il glucosio e i suoi derivati
Glucosio
Saccarosio
Cellulosa
Amido e glicogeno
7
Le forme dei carboidrati
I monosaccaridi sono gli zuccheri più semplici;
comprendono i pentosi come il ribosio (a 5 atomi
di carbonio) e gli esosi come il glucosio e il fruttosio
(a 6 atomi di carbonio).
I polisaccaridi sono polimeri di grandi dimensioni
formati da monosaccaridi uniti da legami glicosidici;
comprendono amido, glicogeno e cellulosa.
8
I lipidi: struttura e funzioni
I lipidi sono molecole insolubili in acqua composte
da carbonio e idrogeno; sono i costituenti delle
membrane cellulari e hanno funzioni isolanti, di
regolazione o di riserva.
9
I trigliceridi: grassi e oli
I trigliceridi sono
composti da acidi
grassi e glicerolo;
se a temperatura
ambiente sono solidi
vengono detti
grassi, se sono liquidi
si chiamano oli.
Costituiscono
importanti fonti di
energia per le cellule.
10
Gli acidi grassi possono
essere saturi o insaturi,
in base alla presenza o
meno di doppi legami che
piegano la catena
carboniosa.
Gli acidi grassi
Sadava et al. La nuova biologia.blu © Zanichelli 2015
11
I fosfolipidi e le membraneI fosfolipidi possiedono un’estremità idrofila e due
lunghe code idrofobiche; formano un doppio strato
che costituisce le membrane cellulari.
12
β-carotene
Steroidi
Altri tipi di lipidiI carotenoidi, gli steroidi, le vitamine e le cere
sono lipidi che svolgono compiti di conversione
di energia, regolazione e protezione.
13
Le proteine: cosa sono
Le proteine sono polimeri
di amminoacidi.
Gli amminoacidi sono 20.
Gli amminoacidi si uniscono
per formare lunghe catene
polipeptidiche.
L’emoglobina è una proteina presente nei globuli rossi
14
Le proteine svolgono
molte funzioni
15
Gli amminoacidi
gruppo amminico
(NH3+)
gruppo carbossilico
(COO-)
catena laterale
atomo di idrogeno
Sadava et al. La nuova biologia.blu © Zanichelli 2015
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I gruppi funzionali di due
amminoacidi reagiscono tra
loro dando origine a un
legame peptidico.
L’ossatura di una catena
polipeptidica è formata dalla
successione regolare di
–N–C–C–N–.
La struttura primariaLa sequenza di amminoacidi nella catena polipeptidica
costituisce la struttura primaria di una proteina.
17
La struttura secondaria
18
La struttura terziaria
La struttura terziaria produce una macromolecola
con una precisa forma tridimensionale, la cui
superficie esterna presenta gruppi funzionali
capaci di svolgere particolari reazioni chimiche con
altre molecole specifiche.
I responsabili della struttura terziaria sono le
interazioni tra i gruppi R.
19
La struttura quaternaria
La struttura quaternaria è il risultato del modo
in cui le subunità polipeptidiche si legano
insieme e interagiscono fra loro.
20
Proprietà e funzioni delle proteine
La forma e le proprietà chimiche delle proteine
determinano la loro funzione.
L’alterazione della struttura
tridimensionale di una proteina
è detta denaturazione ed è
spesso accompagnata dalla
perdita della sua normale
funzionalità biologica.
21
Gli acidi nucleici: cosa sono
Gli acidi nucleici sono polimeri formati da nucleotidi.
Esistono due tipi di acidi nucleici: il DNA e l’RNA.
L’informazione genetica contenuta nel DNA risiede
nella sequenza dei nucleotidi che costituiscono la
doppia elica.
22
I monomeri: le basi azotate
23
I polimeri: DNA e RNA
24
L’energia e il metabolismo
Gli organismi ricavano energia dall’ambiente e la
trasformano all’interno delle cellule per utilizzarla
secondo le proprie esigenze.
Le reazioni anaboliche
sintetizzano molecole
complesse, le reazioni
cataboliche le scindono in
molecole più semplici;
anabolismo e catabolismo
costituiscono il metabolismo.
25
La molecola dell’energia: l’ATP
Le cellule sintetizzano
molecole di ATP
utilizzando l’energia
prodotta dalle reazioni
cataboliche, e poi le
idrolizzano per attivare
le reazioni anaboliche.
26
L’accoppiamento energetico
27
Gli enzimi
Gli enzimi sono proteine che accelerano le reazioni
cellulari. Ogni reazione è catalizzata da uno
specifico enzima, che lega il substrato nel proprio
sito attivo.
28
L’origine delle biomolecole
Gli esperimenti di Francesco Redi e Louis Pasteur
provarono che non esiste la generazione
spontanea della vita.
Secondo l’ipotesi dell’origine extraterrestre,
le prime biomolecole sarebbero giunte sulla Terra
trasportate da comete e meteoriti.
Secondo l’ipotesi dell’evoluzione chimica,
le condizioni presenti sulla Terra primordiale
condussero alla formazione di biomolecole semplici,
che diedero origine alle prime forme di vita.
29
Esperimento di Miller-Urey
13/11/11
La Cellula
31
L’unità elementare della vita
Le dimensioni ridotte delle cellule dipendono
dalla necessità di mantenere un adeguato
rapporto tra superficie e volume.
32
33
La cellula procariotica
Le cellule procariotiche possiedono una struttura
comune: una membrana che racchiude il citoplasma,
all’interno del quale si trova il nucleoide.
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Caratteristiche di un procariote
• Parete cellulare
e capsula
• Membrane interne
• Flagelli e pili
• Citoscheletro
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Eucarioti e procarioti
Le cellule procariotiche caratterizzano batteri
e archei.
Le cellule eucariotiche si trovano in protisti, funghi,
piante e animali.
Nelle cellule eucariotiche sono presenti
compartimenti interni delimitati da membrane
chiamati organuli, ognuno dei quali svolge
una funzione specifica.
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La cellula eucariotica animale
37
La cellula eucariotica vegetale
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Nucleo
Sintesi: acidi nucleici
Assemblaggio: ribosomi
Apparato di Golgi - Modifica delle proteine
Reticolo endoplasmatico ruvido e liscio
Sintesi: proteine; lipidi
Organuli per sintesi e assemblaggio
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Organuli per la demolizione
Lisosoma
Vacuolo
Perossisoma
40
Organuli che trasformano l’energia
Cloroplasto Mitocondrio
41
Il movimento delle cellule
Il citoscheletro svolge varie funzioni:
• sostiene la cellula e ne mantiene la forma;
• è alla base del movimento cellulare;
• provvede a posizionare gli organuli nel citoplasma;
• mantiene la cellula nella giusta posizione.
42
Ciglia e flagelli
43
Le strutture extracellulari
Le strutture extracellulari sono responsabili della
protezione, del sostegno e del fissaggio delle cellule.
Parete cellulare
Matrice extracellulare
44
L’origine degli organuli
Le membrane cellulari
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La struttura della membrana
Le membrane biologiche hanno una struttura
a mosaico fluido.
Le componenti della membrana
I lipidi costituiscono la parte idrofobica della
membrana e le conferiscono stabilità e fluidità.
Le proteine di membrana possono essere
integrali, se sono immerse nel doppio strato
fosfolipidico, oppure periferiche, se si trovano solo
su uno dei due lati della membrana.
Sulla membrana sono presenti carboidrati,
associati a lipidi o a proteine, che permettono
il riconoscimento e l’adesione tra cellule.
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La dinamicità della membranaLe membrane cellulari si formano, si spostano, si
fondono e si spezzano costantemente.
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L’adesione cellulare
13/11/11
Lo scambio di sostanze
attraverso la membrana
Sadava et al. La nuova biologia.blu © Zanichelli 2015
51
La diffusione semplice
Le membrane cellulari si lasciano attraversare da
alcune sostanze in maniera selettiva: il trasporto
attraverso la membrana può essere passivo, se non
richiede l’impiego di energia, oppure attivo.
Le molecole più piccole, come l’acqua, e quelle
solubili nei lipidi attraversano facilmente la
membrana per diffusione semplice; le molecole
grandi o dotate di carica elettrica diffondono con
difficoltà.
52
L’osmosi
L’osmosi è la diffusione dell’acqua attraverso una
membrana semipermeabile, da una soluzione
ipotonica a una soluzione ipertonica.
53
La diffusione facilitata
I canali proteici e le proteine di trasporto aiutano
la diffusione degli ioni e delle molecole polari, per
esempio gli zuccheri.
54
Il trasporto attivoQuando una sostanza si sposta contro il suo
gradiente di concentrazione, il trasporto richiede
un consumo di energia.
55
Endocitosi ed esocitosi
Le molecole di grandi
dimensioni (come
proteine e polisaccaridi)
possono attraversare
la membrana
plasmatica in entrata
e in uscita grazie
all’endocitosi oppure
grazie all’esocitosi.
Endocitosi
Esocitosi
Il metabolismo energetico
56
57
Le strategie per procurarsi energia
autotrofi
eterotrofi
Sia gli autotrofi sia gli eterotrofi usano come
combustibile principale il glucosio,
che demoliscono attraverso una serie di reazioni
organizzate in diverse vie metaboliche.
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Un tipo di reazione chimica:
l’ossidoriduzione
Molte reazioni chimiche nel metabolismo sono
reazioni di ossidoriduzione (o redox), in cui uno
o più elettroni sono trasferiti da una sostanza all’altra.
59
Il ruolo del NAD
Il nicotinammide adenin difosfato (NAD) è un
coenzima, ovvero una molecola che partecipa
a una via metabolica e favorisce il trasferimento
degli elettroni.
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Il metabolismo del glucosio
I processi metabolici più
importanti per il rilascio
dell’energia del glucosio
sono la glicolisi, la
fermentazione e la
respirazione cellulare.
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Glucosio + 2 ATP + 4 ADP + 2 Pi + 2 NAD+
2 piruvato + 4 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O
Il bilancio energetico della glicolisi
Nel citoplasma una molecola di glucosio è scissa
in due molecole di piruvato, con liberazione di 2
molecole di ATP e 2 molecole di NADH + H+
attraverso il processo della glicolisi.
62
La fermentazione
63
La produzione di energia
nei mitocondri
La produzione di acetil-CoA e il ciclo di Krebs
avvengono nella matrice dei mitocondri, mentre la
fosforilazione ossidativa si svolge sulle creste della
membrana interna.
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Il ciclo di Krebs
La catena di trasporto degli elettroni
66
Il bilancio energetico
della respirazione
cellulareIn presenza di ossigeno la
glicolisi è seguita dalla
respirazione cellulare e il
rendimento energetico
della
molecola di glucosio arriva
a 32 molecole di ATP
perché il glucosio viene
ossidato completamente.
67
La fotosintesi: energia dal Sole
68
La comparsa dell’ossigeno
sulla Terra
Sadava et al. La nuova biologia.blu © Zanichelli 2015
La variazione della quantità di ossigeno nell’atmosfera
ha influenzato l’evoluzione dei viventi e la morfologia del
pianeta nelle diverse ere geologiche.
La divisione cellulare e la riproduzione
70
La divisione cellulare
La divisione cellulare
è il processo grazie al
quale una cellula si divide
in due cellule figlie.
Permette agli organismi
di accrescersi e sostituire
le cellule morte ed è alla
base della riproduzione.
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Negli organismi procarioti
Nei batteri la divisione
cellulare avviene per
scissione binaria: la cellula
cresce di dimensioni, duplica
il proprio DNA e poi si divide,
producendo due cellule
identiche.
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La scissione binaria nei procarioti
Questo processo implica
quattro eventi:
• dei segnali riproduttivi;
• la duplicazione del DNA;
• la segregazione del DNA;
• la citodieresi.
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Il ciclo cellulare
• interfase;
• fase mitotica.
Il ciclo cellulare è
l’insieme degli eventi
compresi tra la
formazione di una
cellula e la sua divisione
in due cellule figlie, e
prevede due fasi:
74
Il controllo del ciclo cellulare
Il passaggio tra una
fase e l’altra del ciclo
cellulare dipende
dall’attivazione di alcuni
enzimi chiamati Cdk
che catalizzano il
trasferimento di un
gruppo fosfato dall’ATP
a una proteina
bersaglio.
75
La spiralizzazione del DNA
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La duplicazione del DNA
Prima della sottofase S il
DNA non è spiralizzato e si
trova sotto forma di
cromatina; alla fine della
sottofase S è duplicato e
all’inizio della fase M si
condensa a formare
i cromosomi, ciascuno
composto da due cromatidi
fratelli.
Le fasi del ciclo cellulare:
l’interfase
Questo momento comprende tre sottofasi:
• la sottofase G1, o preparazione
alla duplicazione;
• la sottofase S, o duplicazione
del DNA e del centrosoma;
• la sottofase G2, o preparazione
alla mitosi.
Le fasi del ciclo cellulare:
la mitosi
Questo momento comprende cinque sottofasi:
• la profase;
• la prometafase;
• la metafase;
• l’anafase;
• la telofase.
La mitosi è seguita dalla citodieresi.
La profase
La cromatina si avvolge diventando progressivamente
più compatta e condensandosi in cromosomi.
La prometafase
L’involucro nucleare si
frammenta.
Compaiono i microtubuli
che connettono i cinetocori
ai due poli e formano il fuso
mitotico.
Il fuso mitotico
È la struttura, formata da microtubuli, che dirige
il movimento dei cromosomi.
La metafase
I centromeri dei cromosomi
sono allineati al centro della
cellula, lungo la piastra
metafasica (o piastra
equatoriale).
È il momento migliore per
osservare forma e dimensione
dei cromosomi.
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L’anafase
I cromatidi fratelli si
separano in due
cromosomi figli che si
spostano verso i poli
opposti della cellula.
Ogni cellula figlia riceve un
corredo genetico identico a
quello della cellula madre.
La telofase
Si formano i nuovi nuclei cellulari.
La cromatina diventa meno compatta e la cellula
entra in una nuova interfase.
La citodieresiConclusa la divisione del nucleo, inizia quella
del citoplasma che avviene per strozzatura nelle
cellule animali e per deposizione di nuova parete
in quelle vegetali.
Cellula vegetale
Cellula animale
86
Gli eventi del ciclo cellulare
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La riproduzione asessuata si basa sulla divisione
mitotica del nucleo. La prole è costituita da un clone
dell’organismo di partenza.
Un cactusUno lievito
La riproduzione asessuata
La riproduzione
sessuata produce
organismi che non
sono geneticamente
identici ai genitori
e sfrutta il processo
della meiosi.
La riproduzione sessuata
Ogni evento meiotico comprende due divisioni
nucleari:
• meiosi I
• meiosi II
che riducono il numero di cromosomi da diploide
(2n) ad aploide (n); il nucleo si divide due volte ma
il DNA si duplica una volta sola.
Alla fine di questo processo si generano quattro
cellule figlie chiamate gameti.
La meiosi
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La meiosi
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Il crossing-over
Durante la profase I, lo
scambio di DNA
mediante crossing-over
dà origine a cromosomi
geneticamente diversi,
e quindi a nuove
combinazioni del
materiale genetico nei
cromatidi ricombinanti.
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Mitosi e meiosi a confronto
Alla fine della mitosi le due cellule figlie
hanno lo stesso numero di coppie di
cromosomi omologhi della cellula madre.
Alla fine della meiosi le quattro cellule
figlie contengono la metà del corredo
cromosomico della cellula madre.
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Il cariotipoIl cariotipo di un individuo rappresenta l’insieme
delle caratteristiche dei cromosomi di un
organismo, fotografati durante la metafase di una
divisione mitotica.
Il cariotipo umano femminile
L’importanza della variabilità La riproduzione sessuata induce variabilità
intraspecifica tra gli organismi di una specie grazie
all’assortimento indipendente dei cromosomi
omologhi, al crossing-over e alla fecondazione.
Il cariotipo umano femminile
