Claudia Borgioli Sandra von Borries GENESIS. Scienze della Vita

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1 Claudia Borgioli Sandra von Borries GENESIS Scienze della Vita

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18 UNITÀ 1 La chimica e la cellula elettroni si dispongono prima nei gusci più vicini al nucleo e poi in quelli più lontani. Un atomo è stabile solo quando ha tutti i suoi gusci completi di elettroni. Se il guscio esterno non è completo, invece, l atomo è instabile e ha la tendenza a reagire con altri atomi per completare il suo livello più esterno. Atomi che hanno perso o acquistato elettroni vengono denominati ioni: quando un atomo acquista uno o più elettroni non è più elettricamente neutro e si trasforma in uno ione negativo; se un atomo perde uno o più elettroni si trasforma in uno ione positivo. Ioni dotati di cariche opposte si attraggono. Gli atomi possono essere ordinati secondo il valore crescente del numero atomico (Z) in una tavola chiamata sistema periodico. Nel sistema periodico gli elementi sono disposti in sette serie orizzontali, i periodi, e otto serie verticali, i gruppi. Gli elementi che appartengono al medesimo gruppo hanno le stesse proprietà chimiche. Ogni atomo di un determinato elemento chimico è indicato con un simbolo di una o due lettere: Li è il litio, H è l idrogeno, O l ossigeno e così via. 3 Legami ionici e legami covalenti Fra tutti gli elementi solo i cosiddetti gas nobili sono stabili, perché posseggono il livello più esterno di elettroni completo. Il guscio più esterno di tutti gli altri elementi è invece incompleto e questa situazione li rende instabili. Questi atomi hanno la tendenza a completare i loro gusci esterni e lo fanno interagendo tra loro mediante reazioni chimiche. Le interazioni tra atomi dipendono dalla loro configurazione elettronica. Elementi semplici si combinano a formare molecole con caratteristiche chimiche proprie, che possono a loro volta interagire con altre molecole formando composti più complessi. Esistono due tipi di legame: il legame ionico si forma tra ioni positivi e ioni negativi, che si attraggono e formano un composto con carica neutra. Il cloruro di sodio (NaCl), il sale da cucina, è un esempio di composto ionico. I composti ionici formano spesso strutture regolari chiamate reticoli cristallini D 3 a; il legame covalente, in cui uno o più atomi condividono con altri atomi gli elettroni più esterni, fa sì che gli elettroni ruotino intorno ai due nuclei. Due o più atomi uniti da legami covalenti formano una molecola. In una molecola gli atomi si trovano in condizioni di maggiore stabilità D 3 b. Nei legami covalenti le molecole sono complessivamente neutre, perché presentano lo stesso numero di protoni e di elettroni. Nel linguaggio della chimica un composto è indicato con una formula chimica, che riporta simboli e numeri con uno specifico significato: i simboli sono gli elementi, i numeri indicano la quantità di atomi presenti nella molecola. La molecola dell idrogeno ha come formula H 2 ; quella del fosforo, formata da quattro atomi, P 4 (P è il simbolo del fosforo); l idrossido di sodio è NaOH. 3 a Il legame ionico elettrone Na Cl + Na Cl ione sodio ione cloro reticolo cristallino Cl Na + atomo di sodio 3 b Il legame covalente atomo di cloro cloruro di sodio (NaCl) O O O O 2 In conclusione... molecola di ossigeno(o 2 ) ΩLa materia è formata da atomi. ΩGli atomi sono costituiti da protoni, elettroni e neutroni. ΩGli atomi instabili tendono a legarsi tra loro formando legami di diversa natura. IL LINGUAGGIO SCIENTIFICO Completa. 1. I... dell atomo hanno carica neutra. 2. Nella nube elettronica esistono livelli chiamati Uno ione... ha perso uno o più elettroni. 4. Gli atomi reagiscono tra loro mediante... chimiche. 5. Il legame... si forma tra ioni con carica... ATTIVITÀ L atomo di idrogeno. Fai un disegno schematico di un atomo di idrogeno, con un protone, un elettrone e un neutrone. 7 AREA OPERATIVA Genesis Scienze della Vita 2009 De Agostini Scuola S.p.A. - Novara

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22 UNITÀ 1 La chimica e la cellula 2 b testo/immagine I lipidi I lipidi sono costituiti da atomi di carbonio, ossigeno e idrogeno; sono composti insolubili in acqua, ma solubili in solventi apolari come l alcol. Carboidrati e lipidi sono formati dallo stesso tipo di atomi, ma hanno caratteristiche diverse dovute alla differente disposizione degli atomi nelle molecole. Negli esseri viventi i lipidi sono utilizzati sia come componenti strutturali di un organismo, sia come riserva di energia. La loro resa energetica è doppia rispetto a quella dei glucidi e poiché hanno un peso inferiore rappresentano la riserva ideale per gli animali, che hanno necessità di muoversi. Un esempio di lipidi sono i trigliceridi, formati da una molecola di glicerolo e tre molecole di acidi grassi. 2 c testo/immagine Le proteine amminoacido gruppo aminico H N H H H N CH 3 H 3 C CH C H R C H C O gruppo R (differente per ogni amminoacido) gruppo carbossilico O C OH legame peptidico H N CH 3 C H CH 2 O OH valina alanina fenilalanina Le proteine, dopo l acqua, rappresentano le molecole più abbondanti negli esseri viventi. Nelle proteine, più unità, gli amminoacidi, si uniscono mediante il legame peptidico a formare lunghe catene. Esistono 20 tipi di amminoacidi: la natura, il numero e l ordine con cui gli amminoacidi sono disposti nella catena proteica determinano le differenze tra una proteina e l altra. Le proteine possono avere dimensioni diverse: quelle più piccole sono costituite da poche decine di amminoacidi, mentre quelle di maggiori C O H N C H C catena proteica glicerolo H O C O C O dimensioni ne contengono fino a qualche migliaio e sono spesso formate da più catene di amminoacidi collegate tra loro. Una volta formatasi, la catena proteica tende a ripiegarsi assumendo configurazioni tridimensionali complesse, diverse tra loro e di elevata specificità. Le proteine svolgono differenti e importanti funzioni: alcune formano strutture di sostegno, altre, gli enzimi, accelerano e controllano le reazioni chimiche; altre ancora permettono la contrazione dei muscoli o difendono l organismo dalle infezioni. H H H C C C H O O O C trigliceride acido grasso 2 d testo/immagine Gli acidi nucleici Gli acidi nucleici sono molecole molto grandi, costituite da unità di base denominate nucleotidi. Essi contengono le istruzioni necessarie allo svolgimento delle reazioni chimiche. Gli acidi nucleici sono di due tipi: l acido desossiribonucleico (o DNA) e l acido ribonucleico (o RNA), e svolgono un ruolo differente: il primo è la sede delle informazioni per la sintesi delle proteine; il secondo copia e trasferisce queste informazioni dal DNA ai centri deputati alla produzione delle proteine. DNA 2 In conclusione... ΩLe molecole biologiche sono formate da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Talvolta sono presenti anche zolfo e fosforo. ΩI numerosi atomi che formano le molecole biologiche sono uniti tra loro mediante legami covalenti stabili. IL LINGUAGGIO SCIENTIFICO Scegli, tra quelli elencati, il termine corretto. 1. I glucidi costituiti da una sola molecola sono chiamati: A monosaccaridi. B disaccaridi. 2. La sigla dell acido ribonucleico è: A DNA. B RNA. 3. I lipidi sono costituiti da molecole di carbonio, ossigeno e A idrogeno. B zolfo. ΩAlle molecole biologiche appartengono glucidi, lipidi, proteine e acidi nucleici. ΩTutti gli organismi sono costituiti da queste molecole. 4. Gli aminoacidi sono le unità di base di: A polisaccaridi. B proteine. 5. Le molecole biologiche sono formate da atomi uniti mediante: A legami covalenti. B legami ionici. ATTIVITÀ Olio e zucchero Prendi due tazze con dell acqua e versa in una alcune gocce di olio, nell altra mezzo cucchiaino di zucchero: che cosa accade? Dopo aver studiato le molecole polari e apolari, riesci a dare una spiegazione al diverso comportamento di queste due sostanze in acqua? 11 AREA OPERATIVA Genesis Scienze della Vita 2009 De Agostini Scuola S.p.A. - Novara

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28 UNITÀ 1 La chimica e la cellula muscoli, cellule ramificate nel sistema nervoso. A livello chimico, inoltre, in ogni tipo cellulare avvengono quelle reazioni che servono a svolgere la propria funzione. Le cellule che costituiscono animali e piante sono tutte eucariote. Ma l aspetto e il funzionamento di animali e piante sono profondamente diversi e questo si riflette anche a livello delle loro cellule. La cellula animale D 1 a è una tipica cellula eucariote dotata di membrana, nucleo e citoplasma, nel quale si trovano immersi numerosi organuli (mitocondri, ribosomi, reticolo endoplasmatico ecc.; vedi pagine successive.). La cellula vegetale D 1 b, benché abbia fondamentalmente la stessa struttura della cellula animale, differisce da essa per alcune caratteristiche. Esternamente alla membrana plasmatica è presente una parete cellulare rigida, costituita da una sostanza presente solo nelle piante e chiamata cellulosa. La parete cellulare presenta alcune aperture che consentono il passaggio di molecole. Nel citoplasma una grossa vescicola, il vacuolo, occupa un ampio spazio (fino all 80% del volume cellulare) e contiene acqua, sostanze di riserva e materiale di rifiuto. Nel citoplasma della cellula vegetale sono presenti numerosi organuli di piccole dimensioni, i cloroplasti, assenti nella cellula animale. Queste strutture hanno un ruolo centrale nella fotosintesi clorofilliana, cloroplasto parete cellulare vacuolo un importantissimo processo utilizzato dalle piante per costruire gli zuccheri. reticolo endoplasmatico liscio microtubulo microfilamento citoscheletro 1 b La cellula vegetale nucleo nucleolo mitocondrio reticolo endoplasmatico ruvido vescicola membrana plasmatica ribosomi apparato di Golgi 2 In conclusione... ΩAnimali, piante, funghi e organismi unicellulari (eccetto i batteri) sono costituiti da cellule eucariote. ΩLa cellula animale è l unità di base degli animali. ΩLa cellula vegetale è l unità di base delle piante e presenta alcune differenze strutturali e funzionali rispetto alla cellula animale. IL LINGUAGGIO SCIENTIFICO Completa. 1. Nella cellula vegetale la... si trova esternamente alla membrana plasmatica. 2. Nei cloroplasti si svolge un processo molto importante chiamato I... sono gli organuli cellulari addetti allo smaltimento dei rifiuti. 4. La cellula... è tipica di animali, piante, funghi e organismi unicellulari, eccetto i batteri. 5. Nella cellula animale la membrana plasmatica racchiude il.... ATTIVITÀ La cellula vegetale e la cellula animale. Sottolinea, tra le strutture elencate, in blu quelle che appartengono sia alla cellula animale sia alla cellula vegetale, e in rosso quelle presenti solo in quella vegetale. cloroplasto π mitocondrio π reticolo endoplasmatico π nucleo π vacuolo π parete cellulare π membrana plasmatica AREA OPERATIVA 17 Genesis Scienze della Vita 2009 De Agostini Scuola S.p.A. - Novara

29 lezione 7 La membrana plasmatica e il nucleo 3 Le domande del biologo Vista al microscopio elettronico, la membrana plasmatica sembra una barriera ininterrotta, una specie di «muraglia cinese» che separa l ambiente cellulare dall ambiente esterno. Ma è veramente così? La realtà delle cose è molto più complessa e gli scienziati hanno dovuto ipotizzare vari modelli prima di arrivare a quello definitivo. 1 La membrana plasmatica, 1 a Il doppio strato fosfolipidico un mosaico di fosfolipidi La membrana plasmatica non è una struttura rigida, ma è caratterizzata da una certa fluidità; questa fluidità fa sì che molte sostan- teste idrofile ze possano attraversarla per passare dal citoplasma all ambiente extracellulare e viceversa. La membrana plasmatica è definita «selettivamente permeabile», proprio perché consente il passaggio di alcune molecole ma non di tutte. La fluidità della membrana è dovuta alla presenza di fosfolipidi. Questi sono costituiti da un estremità polare idrofila (la «testa») e da un estremità apolare idrofoba (la «coda»). La testa è formata da un gruppo fosfato, mentre la coda da acidi grassi. Nella membrana plasmatica i fosfolipidi si dispongono su un doppio strato in cui le teste sono rivolte verso l esterno della cellula e verso il citoplasma, a contatto con ambienti acquosi; invece le code, che respingono 1 b Struttura della membrana plasmatica l acqua, si «fronteggiano» internamente alla membrana stessa. Questa disposizione prende il nome di doppio strato fosfolipidico e caratterizza tutte le membrane cellulari D 1 a. Oltre ai fosfolipidi nella membrana sono presenti proteine, le proteine di membrana, che possono attraversare da una parte all altra il doppio strato, oppure sporgere da un lato o dall altro della membrana stessa. Queste proteine hanno svariate funzioni: le proteine di trasporto formano canali attraverso la membrana e consentono o facilitano il passaggio di alcune sostanze; i recettori legano determinate molecole, dando così il via a specifici processi cellulari; le proteine di adesione, presenti negli organismi pluricellulari, consentono alle cellule di uno stesso tessuto di legarsi le une alle altre D b. 1 proteina di trasporto proteina code idrofobe fosfolipidi spazio esterno alla cellula proteina enzima interno della cellula (citoplasma) 18 Genesis Scienze della Vita 2009 De Agostini Scuola S.p.A. - Novara

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31 8 Gli organuli cellulari lezione 3 Le domande del biologo Dov è collocato il «motore» di una cellula? Da dove la cellula ricava l energia necessaria a svolgere tutte le sue funzioni? Come elimina i rifiuti? Nella cellula sono presenti svariati «operai specializzati»: ognuno svolge la sua specifica mansione e tutto funziona come in una complessa catena di montaggio. 1 Le strutture citoplasmatiche Nel citoplasma della cellula sono presenti alcuni organuli delimitati da membrana che, come in una catena di montaggio, hanno la funzione di sintetizzare e modificare proteine e lipidi, per poi traspor- 1. Ribosomi tarli in specifiche zone del citoplasma o espellerli al di fuori della cellula. Ci sono poi organuli deputati alla produzione di energia, allo smaltimento dei rifiuti, al sostegno della cellula. Vediamoli singolarmente. L informazione per la sintesi delle proteine è scritta sulla molecola di DNA, contenuta nel nucleo. Dal nucleo l informazione passa al citoplasma e, a livello dei ribosomi, viene utilizzata per sintetizzare le proteine. I ribosomi sono piccoli organuli tondeggianti costituiti da proribosomi teine e RNA. 2. Reticolo endoplasmatico reticolo endoplasmatico rugoso ribosomi reticolo endoplasmatico liscio 3. Apparato di Golgi Dal RE le proteine e i lipidi passano all apparato di Golgi all interno di vescicole, «sacchetti» delimitati da una membrana, che hanno funzione di trasporto all interno della cellula. L apparato di Golgi è un organulo costituito da numerose sacche appiattite, impilate una sull altra. Qui le sostanze subiscono un ulteriore modificazione e sono quindi pronte a raggiungere la loro sede definitiva. Dal complesso di Golgi si staccano vescicole che racchiudono le singole molecole e le trasportano in altre zone del citoplasma oppure alla periferia della cellula, dove, fondendosi con la membrana plasmatica, consentono la loro fuoriuscita. vescicola membrana 4. Lisosomi Nel citoplasma i ribosomi si trovano liberi o ancorati al reticolo endoplasmatico (RE), un sistema di tubuli e cavità comunicanti tra loro e delimitati da membrana. Il reticolo con i ribosomi associati prende il nome di reticolo endoplasmatico rugoso e partecipa attivamente alla «lavorazione» delle proteine: alcune delle proteine assemblate nei ribosomi passano all interno del reticolo endoplasmatico rugoso, dove specifici enzimi lavorano per modificarle, attaccando alle estremità catene di zuccheri o altre molecole. Il reticolo privo di ribosomi è detto reticolo endoplasmatico liscio e ha come compito principale la sintesi dei lipidi, destinati a rimanere nella cellula o a essere espulsi. enzimi digestivi Dall apparato di Golgi prendono origine anche i lisosomi, vescicole circondate da membrana che contengono enzimi in grado di demolire proteine, carboidrati, acidi nucleici e alcuni lipidi. 5. Mitocondri membrana esterna membrana interna 6. Citoscheletro, ciglia, flagelli 7. Vacuolo e cloroplasti stroma grani 20 Genesis Scienze della Vita 2009 De Agostini Scuola S.p.A. - Novara

32 2 In conclusione... ΩGli organuli cellulari si trovano nel citoplasma. ΩTutti gli organuli sono delimitati da membrane proprie e hanno funzioni diverse nella cellula. ΩLa cellula vegetale ha alcuni organuli cellulari, come i cloroplasti, che sono assenti nella cellula animale. UNITÀ 1 La chimica e la cellula IL LINGUAGGIO SCIENTIFICO Completa. 1. Nei mitocondri la membrana interna si piega numerose volte a formare le I... sono associati alle membrane del reticolo endoplasmatico. 3. I... sono più lunghi delle ciglia e hanno funzione motoria. 4. I cloroplasti contengono un pigmento chiamato Dall... lipidi e proteine vengono trasportati in vescicole o in altre zone della cellula o verso la membrana plasmatica per essere espulsi. ATTIVITÀ Storia di una proteina. Considera che la cellula debba costruire una determinata proteina da espellere. Scrivi un breve racconto del suo percorso, seguendo le indicazioni: a. in quale molecola è scritta l informazione per la proteina; b. dove viene sintetizzata la proteina; c. dove subisce modificazioni; d. dove viene ulteriormente modificata e racchiusa in vescicole; e. come viene espulsa. AREA OPERATIVA membrana interna matrice La cellula accumula la propria energia in molecole di ATP (adenosintrifosfato). Per utilizzare questa energia è sufficiente spezzare la molecola di ATP a livello dei gruppi fosfato. Ma dove vengono prodotti questi importantissimi «pacchetti» di energia? Gli organuli che hanno il compito di produrre molecole di ATP sono i mitocondri, e svolgono questa funzione, con consumo di ossigeno, attraverso la demolizione dei carboidrati. I mitocondri rappresentano quindi la centrale energetica della cellula. I mitocondri sono organuli a forma di fagiolo lunghi da 1 a 10 μm, presenti nel citoplasma della cellula eucariote in numero variabile: le cellule che hanno maggior bisogno di energia, come quelle muscolari, hanno un numero elevato di mitocondri. I mitocondri sono circondati da due membrane separate da uno spazio: quella esterna è rivolta verso il citoplasma, quella interna forma numerose introflessioni, le creste mitocondriali. Nei mitocondri si trova una molecola circolare di DNA e ribosomi più piccoli rispetto a quelli citoplasmatici. Questi organuli sono quindi in grado di costruire alcune proteine. Ciascun mitocondrio ha la capacità di dividersi dando origine a due nuovi mitocondri. Queste caratteristiche (presenza di DNA e capacità di dividersi) sono assenti negli altri organuli, fatta eccezione per i cloroplasti, e sono proprie di organismi unicellulari primitivi. microfilamenti microtubuli Gli organuli cellulari sono ancorati a una struttura che conferisce una forma (ovale, sferica, appiattita) alla cellula e che viene denominata citoscheletro. Il citoscheletro, però, non è una struttura rigida: i microfilamenti e i microtubuli che lo costituiscono possono muoversi e, entro certi limiti, consentono agli organuli di spostarsi da una zona a un altra del citoplasma. I microfilamenti sono costituiti da una proteina, l actina, che forma con le sue subunità due catene avvolte a spirale. I microtubuli sono invece formati da subunità di tubulina, una proteina che si dispone a formare cilindri cavi. Alcune cellule sono dotate di numerose e sottilissime appendici, le ciglia, che si muovono sulla superficie cellulare. Le ciglia sono costituite esternamente da estroflessioni della membrana plasmatica e internamente da fasci di microtubuli. Il movimento delle ciglia crea correnti nel liquido extracellulare e può essere utile in vari modi. Le cellule dell apparato respiratorio sono dotate di ciglia che, con il loro ondeggiare, spingono il muco, con le sostanze e i microrganismi estranei in esso intrappolati, indietro, verso la gola, da dove poi verrà deglutito. Anche i flagelli sono estroflessioni della membrana plasmatica e hanno un impalcatura di microtubuli. Generalmente è presente un unico flagello molto più lungo rispetto alle ciglia. I flagelli hanno una funzione motoria, poiché muovendosi come lunghe code consentono alla cellula di spostarsi in ambiente liquido. Nell uomo le uniche cellule dotate di un flagello sono le cellule riproduttive maschili, gli spermatozoi, che lo utilizzano per muoversi verso la cellula uovo. Uno o più flagelli si ritrovano con frequenza in organismi unicellulari acquatici, che sfruttano queste strutture per nuotare. membrana esterna membrana interna tilacoidi La cellula vegetale ha alcuni organuli che non si ritrovano nella cellula animale come i cloroplasti e il vacuolo. I cloroplasti sono grandi e hanno un colore verde che è dato dalla presenza di clorofilla, un pigmento in grado di assorbire la luce del Sole. L energia luminosa viene utilizzata dai cloroplasti per la fotosintesi clorofilliana, il processo che consente alla cellula vegetale di costruire zuccheri e quindi nutrimento per la pianta. Tipico delle cellule vegetali è anche un grosso vacuolo che svolge la funzione di «spazzino» al posto dei lisosomi, assenti nelle piante. Il vacuolo, inoltre, serve ad accumulare sostanze utili alla cellula. La sua notevole dimensione, che talvolta riduce il citoplasma a una sottile striscia, è dovuta soprattutto alla presenza di acqua al suo interno; è proprio la grande quantità di acqua presente nei vacuoli delle cellule vegetali che crea una pressione verso l esterno e fornisce così alle cellule la rigidità necessaria per consentire alla pianta di sostenersi. 21 Genesis Scienze della Vita 2009 De Agostini Scuola S.p.A. - Novara