Cristina Cavazzuti Daniela Damiano Biologia Cavazzuti Damiano Biologia

Cristina Cavazzuti Daniela Damiano Biologia Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

Capitolo 2 Il mondo della cellula 1. Le caratteristiche generali delle cellule 2. La membrana plasmatica 3. Il sistema delle membrane interne 4. Gli organuli dell’energia: mitocondri e cloroplasti 5. La cellula in movimento: citoscheletro, ciglia e flagelli Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

Lezione 1 Le caratteristiche generali delle cellule Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

1. La cellula è la più piccola unità di materia in cui è organizzato un essere vivente Nella seconda metà del Seicento Hooke poté osservare al microscopio delle fettine di sughero e notò che erano costituite da tante piccole cellette separate tra loro. Egli chiamò queste singole unità cellule. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

1. La cellula è la più piccola unità di materia in cui è organizzato un essere vivente Le strutture fondamentali della cellula sono • la membrana plasmatica, delimita la cellula separandola dalle altre e dall’ambiente circostante; • il citoplasma, è una soluzione gelatinosa nella quale si compiono gran parte delle funzioni cellulari; • il materiale genetico, è la sostanza in cui sono immagazzinate tutte le informazioni per la regolazione delle attività cellulari. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

1. La cellula è la più piccola unità di materia in cui è organizzato un essere vivente In base all’organizzazione del materiale genetico e alla presenza di comparti cellulari chiamati organuli si distinguono: • le cellule procariotiche, tipiche di microrganismi come batteri e archei; • le cellule eucariotiche, costituiscono tutti gli esseri viventi. Le cellule hanno dimensioni molto varie. La cellula uovo umana ha un diametro di circa 0, 1 mm, mentre un virus misura circa 100 nm. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

2. Le cellule più semplici e più antiche sono procariotiche Nella cellula procariotica il materiale genetico è presente sottoforma di un’unica molecola circolare, il cromosoma batterico. La zona del citoplasma in cui si trova il DNA è detto nucleoide. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

2. Le cellule più semplici e più antiche sono procariotiche La parete cellulare I flagelli consentono il ha un rivestimento rigido. movimento. DNA I pili consentono di aderire alle superfici o ad altre cellule. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

3. La cellula eucariotica ha una struttura molto più complessa di quella procariotica Le cellule eucariotiche posseggono un vero nucleo, circondato da una membrana nucleare. Il citoplasma è suddiviso in compartimenti chiamati organuli, ciascuno dotato di membrana che lo separa dall’ambiente circostante. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

3. La cellula eucariotica ha una struttura molto più complessa di quella procariotica Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

4. Alcuni organuli sono tipici delle cellule animali, mentre altri si trovano solo in quelle vegetali Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

Lezione 2 La membrana plasmatica Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

5. La membrana plasmatica è presente in tutte le cellule sia procariotiche sia eucariotiche È costituita da un doppio strato di fosfolipidi, nel quale sono inserite le molecole proteiche. Viene descritta come un mosaico fluido. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

6. La membrana plasmatica è selettivamente permeabile La diffusione è un meccanismo mediante cui delle particelle che si muovono all’interno di un ambiente liquido o gassoso, si distribuiscono uniformemente. Si distribuiscono secondo il proprio gradiente di concentrazione. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

6. La membrana plasmatica è selettivamente permeabile Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili, cioè si lasciano attraversare da alcune molecole ma sono impermeabili ad altre. Esistono due tipologie di meccanismi che permettono il passaggio di sostanze dall’interno all’esterno della membrana e viceversa: il trasporto attivo, con dispendio di energia, e il trasporto passivo, che con comporta consumo energetico. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

7. Il trasporto passivo: diffusione e osmosi Nella diffusione semplice le particelle tendono a transitare dalla zona dove sono più concentrate a quella in cui sono meno concentrate. Dunque la diffusione semplice è regolata dal gradiente di concentrazione che permette di raggiungere l’equilibrio. L’ossigeno e il diossido di carbonio, molecole piccole e prive di carica, attraversano le membrane per diffusione semplice. Non tutte le molecole riescono ad attraversare la membrana plasmatica per diffusione semplice. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

7. Il trasporto passivo: diffusione e osmosi Grazie all’intervento delle proteine di membrana che hanno la funzione di trasporto si formano dei canali che consentono il passaggio delle molecole più grandi. Questo processo è chiamato diffusione facilitata ed un tipo di trasporto passivo. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

7. Il trasporto passivo: diffusione e osmosi Il processo di diffusione dell’acqua attraverso una membrana semipermeabile è detto osmosi. Qui sotto, un globulo rosso posto in soluzioni acquose a diversa concentrazione. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

8. La parete vegetale limita l’afflusso di acqua per osmosi Il comportamento delle cellule vegetali in presenza di soluzioni acquose a concentrazione diversa è differente rispetto a quello delle cellule animali. In ambiente isotonico la cellula vegetale tende a diventare flaccida. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

9. Il trasporto di sostanze attraverso la membrana può comportare dispendio di energia da parte della cellula Il trasporto attivo comporta dispendio di energia da parte della cellula e avviene contro il gradiente di concentrazione, per mezzo di speciali proteine di trasporto, chiamate pompe. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

10. Le macromolecole o i frammenti cellulari entrano ed escono dalla cellula tramite vescicole Le particelle di grosse dimensioni a contatto con la membrana plasmatica vengono inglobate in una vescicola (endocitosi). Le vescicole con i materiali da portare all’esterno si fondono con la membrana plasmatica (esocitosi). Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

11. Le proteine di membrana svolgono anche funzione di enzimi e recettori di segnali Le impronte molecolari conferiscono alla cellula una speciale identità e sono caratteristiche di ogni individuo. Gli enzimi di membrana velocizzano le reazioni. I recettori sono piccole antenne molecolari che riconoscono i segnali provenienti dall’esterno. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

Lezione 3 Il sistema delle membrane interne Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

12. Il nucleo contiene l’informazione genetica Il nucleo è circondato da una doppia membrana attraversata da pori che permettono l’ingresso e l’uscita del materiale. Il nucleo contiene l’informazione genetica della cellula, il DNA. Nei cromosomi risiedono tutte le informazioni per dirigere le attività cellulari. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

13. Le biomolecole sintetizzate nel reticolo endoplasmatico vengono elaborate nell’apparato di Golgi Il reticolo endoplasmatico è costituito da una serie di sacchetti membranosi collegati tra loro; consente il trasferimento delle sostanze. Il RER sintetizza le proteine. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015 Il REL sintetizza fosfolipidi e ormoni steroidei.

13. Le biomolecole sintetizzate nel reticolo endoplasmatico vengono elaborate nell’apparato di Golgi L’apparato del Golgi modifica le molecole prodotte dal reticolo endoplasmatico. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

14. I vacuoli possono immagazzinare sostanze nutritive I vacuoli sono delle cavità circondate da membrane e ripiene di liquido. Sono particolarmente evidenti nelle cellule vegetali. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

15. I lisosomi e i perossisomi demoliscono le sostanze alimentari e di rifiuto delle cellule I lisosomi sono organuli ricchi di enzimi digestivi in grado di scomporre le macromolecole in molecole semplici. I perossisomi demoliscono le sostanze nocive per la cellula. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

Lezione 4 Gli organuli dell’energia: mitocondri e cloroplasti Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

16. L’origine dei mitocondri e dei cloroplasti Mitocondri e cloroplasti trasformano le sostanze in ingresso in energia per la cellula. I due organuli hanno caratteristiche comuni: • dimensioni simili a una cellula procariotica; • presentano una doppia membrana, la seconda è ripiegata a formare creste; • possiedono un DNA proprio; • contengono ribosomi. È probabile che si siano originati in un lontano passato grazie all’incontro tra una cellula eucariotica primitiva e batteri ancestrali. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

17. Nei mitocondri ha luogo la respirazione cellulare, che libera l’energia contenuta negli alimenti Nei mitocondri si svolgono le reazioni della respirazione cellulare che immagazzinano energia sotto forma di ATP. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

18. I cloroplasti trasformano acqua e anidride carbonica in alimenti utilizzando l’energia solare I cloroplasti, contenuti nelle cellule delle piante e delle alghe, sono circondati da una doppia membrana. La membrana interna si I cloroplasti sono verdi perché contengono una molecola verde, la clorofilla, essenziale per la fotosintesi. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015 ripiega a formare dischetti impilati detti tilacoidi.

Lezione 5 La cellula al lavoro Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

19. La respirazione cellulare ottiene energia dal glucosio Il glucosio è una molecola con un elevato contenuto energetico. Il metabolismo del glucosio comprende tre processi: • la glicolisi, processo anaerobico che permette di ricavare acido piruvico e due molecole di ATP; • la respirazione cellulare, che avviene in presenza di ossigeno e trasforma tutte le molecole di acido piruvico in CO 2 ricavando 32 molecole di ATP; • la fermentazione, che in assenza di ossigeno trasforma l’acido piruvico in acido lattico o alcol etilico, senza produzione di ATP. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

20. Le reazioni di ossidoriduzione Si chiama reazione di ossidoriduzione o reazione redox una reazione in cui una sostanza cede uno o più elettroni a un’altra sostanza. • la riduzione è l’acquisto di uno o più elettroni da parte di un atomo, un ione o una molecola; • l’ossidazione è la perdita di uno o più elettroni. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

21. NAD e FAD sono molecole navetta che trasportano elettroni Il NAD (nicotinamideadenindinucleotide) e il FAD (flavinadenindinucleotide) sono esempi di coenzimi, molecole che favoriscono le reazioni enzimatiche. In particolare, agiscono da trasportatori di elettroni durante le reazioni redox. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

22. La glicolisi avviene in tutti i tipi di cellule La glicolisi avviene nel citoplasma della cellula. La glicolisi produce acido piruvico ed energia sotto forma di ATP, e avviene in 10 tappe, ciascuna catalizzata da uno specifico enzima. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

23. La respirazione cellulare avviene in presenza di ossigeno La respirazione cellulare ha sede nei mitocondri e avviene in presenza di ossigeno. La respirazione cellulare avviene in due fasi: • il ciclo di Krebs: demolisce l’acido piruvico in CO 2 e H 2 O; • trasporto degli elettroni e la fosforilazione ossidativa. Le reazioni del ciclo di Krebs avvengono nella matrice dei mitocondri, mentre il trasporto di elettroni e la fosforilazione avvengono nella membrana interna. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

23. La respirazione cellulare avviene in presenza di ossigeno Le fasi iniziali del ciclo di Krebs: Fase 1 Fase 2 e 3 Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

23. La respirazione cellulare avviene in presenza di ossigeno Le fasi finali del ciclo di Krebs: Fase 4 e 5 Fase 6 Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

24. Bilancio energetico della demolizione completa del glucosio Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

25. La fermentazione può essere alcolica o lattica La fermentazione avviene nel citoplasma e non richiede ossigeno. Ci sono due tipi di fermentazione. • fermentazione alcolica, svolta dai lieviti; • fermentazione lattica, svolta da alcuni batteri e dalle nostre cellule muscolari. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

26. La fotosintesi clorofilliana: fase luminosa e ciclo di Calvin Il processo attraverso il quale gli organismi autotrofi producono biomolecole a partire da sostanze inorganiche è detto fotosintesi. La luce solare viene catturata da speciali molecole chiamate pigmenti, sensibili alle radiazioni luminose. Il pigmento più diffuso è la clorofilla. La prima fase, detta fase luminosa, avviene in presenza della luce. La seconda fase, chiamata ciclo di Calvin, avviene nello stroma ed è indipendente dalla luce, ovvero non se ne serve direttamente. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

26. La fotosintesi clorofilliana: fase luminosa e ciclo di Calvin Durante la fase luminosa avviene la fotolisi, che si serve dell’energia luminosa per scindere l’acqua in ossigeno, che viene liberato nell’atmosfera, e idrogeno, con il quale si produce NADPH. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015 Durante il ciclo di Calvin si produce il glucosio secondo questa equazione:

Lezione 6 La cellula in movimento: citoscheletro, ciglia e flagelli Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

27. La cellula ha uno scheletro costituito da proteine di varie dimensioni Il citoscheletro è un sistema di filamenti che costituiscono lo scheletro e la muscolatura. I microtubuli sono formati da proteine cave e diritte che conferiscono rigidità. I microfilamenti sono costituiti da una proteina (actina) capace di contrarsi. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

28. Ciglia e flagelli sono appendici mobili delle cellule Le appendici più corte e numerose sono le ciglia, mentre quelle più lunghe sono i flagelli. Le ciglia servono ai parameci per muoversi; altri microrganismi si servono delle ciglia per convogliare sostanze nutritive. Inoltre alcuni tessuti di molti organismi pluricellulari sono ricoperti di ciglia, che fungono da strato protettivo. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015

28. Ciglia e flagelli sono appendici mobili delle cellule Lo spermatozoo è una cellula flagellata: lo scorrimento coordinato dei microtubuli conferisce al flagello un movimento ondeggiante simile a quello del serpente. Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015