Jay Phelan Maria Cristina Pignocchino Le scienze naturali

Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino Le scienze naturali Osservare i viventi 1

La vita delle cellule 2 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

Lezione 1 Il metabolismo cellulare 3 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

1. La cellula lavora: il metabolismo Il metabolismo cellulare è l’insieme delle reazioni che si svolgono in una cellula. Comprende reazioni di sintesi (anaboliche) e di degradazione (cataboliche). Richiede materie prime ed energia. 4 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

2. Il lavoro cellulare secondo la termodinamica Le cellule sono sistemi ordinati e richiedono energia per funzionare. Tutti gli organismi utilizzano l’energia potenziale chimica immagazzinata nei legami delle molecole dei nutrienti. Gli autotrofi fotosintetici sanno trasformare l’energia luminosa in energia chimica. 5 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

3. L’ATP è una piccola «pila» ricabile /1 L’idrolisi dell’ATP libera energia che può essere utilizzata per le reazioni del metabolismo cellulare. 6 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

3. L’ATP è una piccola «pila» ricabile /2 La molecola di ATP funziona come una pila ricabile, la cui energia viene liberata e riacquistata in modo ciclico. 7 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

Lezione 2 Le membrane sono essenziali per il metabolismo 8 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

4. Le funzioni delle membrane biologiche Tutte le membrane biologiche sono filtri selettivi, sono flessibili e dinamiche, partecipano al metabolismo. 9 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

5. La membrana plasmatica è un mosaico fluido /1 Tutte le membrane hanno una struttura dinamica e flessibile, detta mosaico fluido, costituita da un doppio strato di fosfolipidi in cui sono immerse proteine integrali e periferiche. Sono presenti anche glicolipidi, glicoproteine e, nelle cellule animali, colesterolo. 10 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

5. La membrana plasmatica è un mosaico fluido /2 11 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

5. La membrana plasmatica è un mosaico fluido /3 12 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

6. Le molecole possono attraversare la membrana in molti modi diversi La membrana seleziona le molecole e gli ioni in base a dimensioni, carica, polarità, forma tridimensionale. Il passaggio può essere passivo (spontaneo) o attivo (richiede l’energia fornita dall’ATP). Materiali più voluminosi possono essere trasportati mediante vescicole. 13 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

7. Il trasporto passivo avviene per diffusione La diffusione semplice è il passaggio, secondo gradiente, di molecole piccole e apolari attraverso il doppio strato di fosfolipidi. La diffusione facilitata è il passaggio secondo gradiente di molecole polari o ioni attraverso proteine di trasporto specifiche. 14 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

8. La diffusione dell’acqua avviene per osmosi L’osmosi, cioè il passaggio di acqua attraverso una membrana semipermeabile, è una forma di diffusione. L’acqua esce dalla cellula se l’esterno è ipertonico (maggiore concentrazione di soluto), mentre entra se è ipotonico (minore concentrazione di soluto). 15 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

9. Il trasporto attivo richiede un dispendio di energia Il trasporto attivo richiede energia fornita dall’ATP e avviene attraverso proteine che possono lavorare con un meccanismo di uniporto, sinporto, antiporto. 16 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

10. L’endocitosi e l’esocitosi consentono il trasporto di particelle voluminose /1 L’endocitosi consente di portare nella cellula materiali inglobandoli in vescicole generate per introflessione della membrana plasmatica. 17 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

10. L’endocitosi e l’esocitosi consentono il trasporto di particelle voluminose /2 L’esocitosi è l’espulsione di materiali cellulari in vescicole che si fondono con la membrana plasmatica. Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

Lezione 3 Dai nutrienti all’ATP 19 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

11. L’organizzazione del metabolismo energetico Il metabolismo energetico comprende molte vie metaboliche. Una via metabolica è una sequenza di reazioni che trasforma gradualmente i reagenti iniziali nei prodotti finali mediante una serie di passaggi ordinati. 20 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

12. Il ruolo del NAD nel metabolismo Nel metabolismo energetico interviene un coenzima che può presentarsi in due forme chiamate NAD+ e NADH. In presenza di idrogeno e di un donatore di elettroni, il NAD+ si trasforma in NADH, che contiene più energia. 21 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

13. Il nutriente più diffuso è il glucosio Il glucosio è degradato e ossidato per ricavare l’energia necessaria a produrre ATP. Il processo completo comprende due fasi: la glicolisi e la respirazione cellulare: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 g 6 CO 2 + 6 H 2 O + Energia 22 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

14. La glicolisi è una via metabolica universale La glicolisi trasforma il glucosio in 2 molecole di piruvato e produce, come guadagno energetico immediato, 2 ATP. Vengono prodotti anche 2 NADH. 23 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

15. La respirazione cellulare La respirazione avviene nei mitocondri. La fase preparatoria e il ciclo di Krebs degradano completamente il piruvato a CO 2 e producono trasportatori di elettroni e idrogeno, che poi li cedono all’ossigeno nella fase finale, in cui si producono H 2 O e ATP. 24 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

16. La fermentazione: un percorso alternativo In assenza di ossigeno, la fermentazione rigenera NAD+ partendo dal NADH, in modo da mantenere attiva la via della glicolisi. È utilizzata da organismi anaerobici e dalle cellule muscolari sottoposte a sforzi molto intensi. 25 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

Lezione 4 L’energia solare e la produzione dei nutrienti 26 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

17. Gli autotrofi producono glucosio e nutrienti Il glucosio e gli altri nutrienti vengono prodotti dagli organismi autotrofi. Il più importante processo utilizzato dagli autotrofi è la fotosintesi clorofilliana, realizzata da piante, cianobatteri e alghe. La fotosintesi trasforma CO 2 e H 2 O in glucosio e ossigeno. 27 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

18. La fotosintesi: un quadro generale /1 28 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

18. La fotosintesi: un quadro generale /2 Nella fase luce-dipendente della fotosintesi si consuma H 2 O, si produce O 2 e l’energia solare viene accumulata in trasportatori di elettroni (NADH) e ATP; nella fase di sintesi si usa l’energia della fase luce-dipendente per trasformare molecole di CO 2 in G 3 P e poi in glucosio. 29 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

19. La fotosintesi si svolge nei cloroplasti /1 Nei tilacoidi si trovano le molecole di clorofilla necessarie per trasferire elettroni dall’acqua al NADPH durante la fase luminosa. 30 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

19. La fotosintesi si svolge nei cloroplasti /2 Nello stroma avviene il ciclo di Calvin, cioè la fase di sintesi in cui il carbonio viene fissato. 31 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015

20. La fotosintesi, l’atmosfera e la vita L’ossigeno è uno scarto della fotosintesi, ma è fondamentale per la vita: ha modificato la composizione dell’atmosfera, è indispensabile per la respirazione cellulare e serve per formare l’ozono che scherma le radiazioni solari ad alta energia. 32 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015