Ripassiamo la cellula

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1 Ripassiamo la cellula 3ASA AO/09_2016 1

2 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

3 Le biomolecole e 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. 4

5 I carboidrati formano legami glicosidici Monosaccaridi Disaccaridi Polisaccaridi 5

6 Il glucosio e i suoi derivati Glucosio Saccarosio Amido e glicogeno Cellulosa 6

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. 7

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. 8

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. 9

10 Gli acidi grassi Gli acidi grassi possono essere saturi o insaturi, in base alla presenza o meno di doppi legami che piegano la catena carboniosa. 10 Sadava et al. La nuova biologia.blu Zanichelli 2015

11 I fosfolipidi e le membrane I fosfolipidi possiedono un estremità idrofila e due lunghe code idrofobiche; formano un doppio strato che costituisce le membrane cellulari. 11

12 Altri tipi di lipidi I carotenoidi, gli steroidi, le vitamine e le cere sono lipidi che svolgono compiti di conversione di energia, regolazione e protezione. β-carotene Steroidi 12

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 13

14 Le proteine svolgono molte funzioni 14

15 Gli amminoacidi gruppo amminico (NH 3+ ) gruppo carbossilico (COO - ) catena laterale atomo di idrogeno 15 Sadava et al. La nuova biologia.blu Zanichelli 2015

16 La struttura primaria La sequenza di amminoacidi nella catena polipeptidica costituisce la struttura primaria di una proteina. 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. 16

17 La struttura secondaria 17

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. 18

19 La struttura quaternaria La struttura quaternaria è il risultato del modo in cui le subunità polipeptidiche si legano insieme e interagiscono fra loro. 19

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. 20

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. 21

22 I monomeri: le basi azotate 22

23 I polimeri: DNA e RNA 23

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. 24

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. 25

26 L accoppiamento energetico 26

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. 27

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. 28

29 Esperimento di Miller-Urey 29

30 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. 31

32 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. 33

34 Caratteristiche di un procariote Parete cellulare e capsula Membrane interne Flagelli e pili Citoscheletro 34

35 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. 35

36 La cellula eucariotica animale 36

37 La cellula eucariotica vegetale 37

38 Organuli per sintesi e assemblaggio Nucleo Sintesi: acidi nucleici Assemblaggio: ribosomi Reticolo endoplasmatico ruvido e liscio Sintesi: proteine; lipidi Apparato di Golgi - Modifica delle proteine 38

39 Organuli per la demolizione Lisosoma Perossisoma Vacuolo 39

40 Organuli che trasformano l energia Cloroplasto Mitocondrio 40

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. 41

42 Ciglia e flagelli 42

43 Le strutture extracellulari Matrice extracellulare Parete cellulare Le strutture extracellulari sono responsabili della protezione, del sostegno e del fissaggio delle cellule. 43

44 L origine degli organuli 44

45 Le membrane cellulari 45

46 La struttura della membrana Le membrane biologiche hanno una struttura a mosaico fluido.

47 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.

48 La dinamicità della membrana Le membrane cellulari si formano, si spostano, si fondono e si spezzano costantemente. 48

49 L adesione cellulare 49

50 Lo scambio di sostanze attraverso la membrana 13/11/11 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. 51

52 L osmosi L osmosi è la diffusione dell acqua attraverso una membrana semipermeabile, da una soluzione ipotonica a una soluzione ipertonica. 52

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. 53

54 Il trasporto attivo Quando una sostanza si sposta contro il suo gradiente di concentrazione, il trasporto richiede un consumo di energia. 54

55 Endocitosi ed esocitosi Endocitosi 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. 55

56 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. 57

58 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. 58

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. 59

60 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. 60

61 Il bilancio energetico della glicolisi Glucosio + 2 ATP + 4 ADP + 2 P i + 2 NAD + 2 piruvato + 4 ATP + 2 NADH + 2 H H 2 O 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. 61

62 La fermentazione 62

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. 63

64 Il ciclo di Krebs 64

65 La catena di trasporto degli elettroni

66 Il bilancio energetico della respirazione cellulare In 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. 66

67 La fotosintesi: energia dal Sole 67

68 La comparsa dell ossigeno sulla Terra La variazione della quantità di ossigeno nell atmosfera ha influenzato l evoluzione dei viventi e la morfologia del pianeta nelle diverse ere geologiche. Sadava et al. La nuova biologia.blu Zanichelli

69 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. 70

71 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. 71

72 La scissione binaria nei procarioti Questo processo implica quattro eventi: dei segnali riproduttivi; la duplicazione del DNA; la segregazione del DNA; la citodieresi. 72

73 Il ciclo cellulare 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: interfase; fase mitotica. 73

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. 74

75 La spiralizzazione del DNA 75

76 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. 76

77 Le fasi del ciclo cellulare: l interfase Questo momento comprende tre sottofasi: la sottofase G 1, o preparazione alla duplicazione; la sottofase S, o duplicazione del DNA e del centrosoma; la sottofase G 2, o preparazione alla mitosi.

78 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.

79 La profase La cromatina si avvolge diventando progressivamente più compatta e condensandosi in cromosomi.

80 La prometafase L involucro nucleare si frammenta. Compaiono i microtubuli che connettono i cinetocori ai due poli e formano il fuso mitotico.

81 Il fuso mitotico È la struttura, formata da microtubuli, che dirige il movimento dei cromosomi.

82 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.

83 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. 83

84 La telofase Si formano i nuovi nuclei cellulari. La cromatina diventa meno compatta e la cellula entra in una nuova interfase.

85 La citodieresi Conclusa 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 animale Cellula vegetale

86 Gli eventi del ciclo cellulare 86

87 La riproduzione asessuata La riproduzione asessuata si basa sulla divisione mitotica del nucleo. La prole è costituita da un clone dell organismo di partenza. Un cactus Uno lievito 87

88 La riproduzione sessuata La riproduzione sessuata produce organismi che non sono geneticamente identici ai genitori e sfrutta il processo della meiosi.

89 La meiosi 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.

90 La meiosi 90

91 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. 91

92 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. 92

93 Il cariotipo Il 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 93

94 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