Modulo di modifica - [ Test sulla cellula ] - Google Documenti

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Tipi di trasporto attraverso la membrana

La funzione della membrana cellulare oltre a costituire una barriera che separa l'interno della cellula con l'esterno, ha un ruolo fondamentale nelle funzioni cellulari in quanto è una membrana a permeabilità selettiva: solo molecole di piccole dimensioni riescono ad attraversare la membrana cellulare in modo passivo. La maggior parte degli ioni e delle molecole idrosolubili non è in grado di attraversare spontaneamente tale barriera, che è di natura lipidica; per farlo, necessita di una specifica proteina trasportatrice (carrier), che permette un trasporto attivo.

DIFFUSIONE
È un fenomeno fisico che riguarda tutti i fluidi che tendono a distribuire le particelle in maniera uniforme. Il fenomeno avviene spontaneamente e consiste nello spostamento delle particelle dalla zona a maggior concentrazione verso quella a minor concentrazione (secondo gradiente). Anche nelle cellule è possibile che molecole di piccole dimensioni apolari diffondano attraverso la membrana cellulare (O2, CO2, C6H6, ecc.). Il fenomeno della diffusione è favorito da 2 fattori:
1. la differenza di concentrazione ai due lati della membrana.
2. minore è lo spessore della membrana, tanto più facilitato sarà la diffusione.

TRASPORTO PASSIVO
Riguarda piccole molecole polari (H2O), oppure molecole apolari (C2H6O) di medie dimensioni. Avviene attraverso le proteine integrali di membrana, secondo un gradiente di concentrazione (differenza di concentrazione). Si divide in:
Semplice: diffonde attraverso la membrana. Facilitato: usa le proteine “canale” o “carrier”.

OSMOSI
Avviene quando due soluzioni sono separate da una membrana semipermeabile che permette lo spostamento solo delle molecole del solvente (acqua).
La pressione osmotica è la pressione esercitata dal solvente sulla membrana semipermeabile nel passaggio dalla soluzione più diluita alla più concentrata.
L’osmosi nelle cellule vegetali: L'osmosi nelle cellule animali:

TRASPORTO ATTIVO

I soluti vengono spostati per mezzo di proteine trasportatrici specifiche contro gradiente di concentrazione (da dove sono - concentrati a dove sono più concentrati). Per fare questo serve ATP che deve fornire energia.

ENDO ED ESOCITOSI
sono fenomeni di trasporto che riguardano macromolecole, batteri, frammenti di cellula. Quando la particella da introdurre è solida si ha la fagocitosi, quando la particella è liquida si ha la pinocitosi.
Esiste una endocitosi mediata da recettori (glicolipidi e e glicoproteine)

Il metabolismo cellulare

Per metabolismo cellulare s’intende l’insieme di reazioni biochimiche che consentono ai viventi di accrescersi, di riprodursi e di svolgere compiti specifici. Nel metabolismo distinguiamo due tipi di reazioni opposte definite anabolica e catabolica:
Una reazione si dice “anabolica”, cioè reazione “endoergonica” quando consuma energia. L’energia necessaria per queste reazioni proviene dall’ambiente sotto forma di energia luminosa (es. organismi autotrofi, come le piante). Esempio di reazione anabolica è la “fotosintesi”.

Una reazione si dice “catabolica”, cioè reazione “esoergonica” quando fornisce energia. Le molecole alimentari vengono degradate e liberano così l’energia contenuta nei loro legami, sotto forma di energia chimica (es. organismi eterotrofi, come gli animali). Esempio di reazione catabolica è la “respirazione”.

La fotosintesi comprende due stadi, la fase luminosa e il ciclo di Calvin o fase oscura.
Durante la fase luminosa le molecole presenti nelle membrane dei tilacoidi trasformano l’energia solare in energia chimica (molecole di ATP e NADPH); la clorofilla scinde l’acqua in ioni H+ e O2 che fuoriesce nell’ambiente attraverso gli stomi delle foglie.

6H2O + luce ---> 12H+ + 6O2 + ATP + NADPH

Il ciclo di Calvin o fase oscura, avviene nello stroma del cloroplasto e produce uno zucchero (glucosio) utilizzando sei molecole di diossido di carbonio (6CO2) e molecole di ATP e NADPH prodotti nella fase luminosa.

6CO2 + ATP + NADPH ---> C6H12O6

La respirazione cellulare comprende tre stadi, la glicolisi, il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni.
Nel citoplasma avviene la glicolisi: la molecola di glucosio (C6H12O6) si scinde in due molecole di acido piruvico e genera contemporaneamente due molecole di ATP e due di NADH.

C6H12O6 ---> 2ac. piruvico + 2ATP + 2NADH

Prima di iniziare la seconda fase della respirazione, l’acido piruvico si lega ad una molecola detta coenzima A e si trasforma in acetil-CoA che entra nel mitocondrio e inizia il ciclo di Krebs.

2ac. piruvico + coenzima A ---> acetil-CoA

Il ciclo di Krebs, avviene nella matrice mitocondriale e genera sei molecole di diossido di carbonio (6CO2), otto di NADH, due di ATP e due di FADH2.

acetil-CoA ---> 6CO2 + 8 NADH + 2 ATP + 2 FADH2

La catena di trasporto degli elettroni, avviene nella membrana interna del mitocondrio e produce sei molecole di acqua (6H2O) e 34 molecole di ATP.

1/2O2 + 12H+ ---> 6H2O +34ATP

Schema riassuntivo della respirazione

Flusso di energia attraverso la fotosintesi e la respirazione.

Le biomolecole

I carboidrati. I carboidrati sono molecole conosciute come zuccheri. Sono costituiti da carbonio (C), idrogeno (H) e ossigeno (O). Essi possono variare come dimensione, da molecole molto piccole a molto grandi. Come tutte le altre biomolecole, si presentano come lunghe catene, formate da subunità più piccole legate fra loro. La singola unità è detta monomero, mentre la lunga catena rappresenta il polimero. Essi costituiscono la principale fonte di energia delle cellule. Si distinguono in zuccheri semplici: monosaccaridi come il glucosio, il fruttosio, il galattosio e disaccaridi come saccarosio (barbabietola da zucchero), lattosio (latte), maltosio (malto). Gli zuccheri complessi o polisaccaridi sono formati dall’unione a catena ramificata di più monosaccaridi; nelle cellule animali il polisaccaride più comune è il glicogeno, che costituisce la sostanza di riserva accumulata nei muscoli e nel fegato ed è composto da molecole di glucosio a formare una catena ramificata; nelle cellule vegetali si distinguono due tipi di polisaccaridi, l’amido presente nelle patate, castagne, cereali e la cellulosa contenuta in vegetali fibrosi come le verdure e i legumi.

I lipidi. I lipidi o grassi sono sostanze insolubili in acqua e solubili nei solventi in grado di sciogliere i grassi come etere, cloroformio, acetone, benzina etc. I grassi semplici sono composti da carbonio (C), idrogeno (H), ed ossigeno (O), i lipidi complessi hanno in più atomi di azoto (N), e fosforo (P). I grassi hanno funzione energetica, sono componenti delle strutture cellulari, sono indispensabili per il trasporto e l’assorbimento di alcune vitamine liposolubili (A D E K) e danno origine alla formazione di ormoni (estrogeni e testosterone).

Lipidi semplici o trigliceridi sono costituiti dall'unione di una molecola di glicerolo e tre molecole di acidi grassi. Se gli acidi grassi insaturi hanno uno o più legami doppi di carbonio che possono rompersi e legare altri atomi di idrogeno; gli acidi saturi non hanno doppi legami e non possono aggiungere altri atomi di idrogeno. La saturazione indica una maggiore densità: gli acidi saturi sono in genere solidi, si trovano in alimenti di origine animale, come tuorlo d’uovo, latte, burro, lardo, frattaglie, ecc. mentre quelli insaturi sono liquidi, si trovano in cibi vegetali come gli oli.
Gli steroidi. Il colesterolo è un lipide detto steroide, come il testosterone e gli estrogeni che sono ormoni. Queste molecole hanno struttura molto simile ma funzioni molto diverse. Il colesterolo è importante per la struttura e la funzione delle membrane cellulare.
Gli estrogeni sono i principali ormoni sessuali femminili, sono presenti in entrambi i sessi, anche se nelle donne in età fertile raggiungono livelli sierici molto più alti. Tre dei maggiori estrogeni nelle donne sono l’estriolo, l’estradiolo e l’estrone. Gli estrogeni favoriscono la formazione dei caratteri sessuali secondari femminili, come aumento del seno, statura, distribuzione del grasso e dei peli, voce, ecc. Il progesterone è l’ormone responsabile della fecondazione. Il testosterone è responsabile dei caratteri sessuali secondari maschili: aumento della peluria, aumentata secrezione di sebo, odori corporei, aggressività, desiderio sessuale, acne.

Le proteine. Le proteine sono macromolecole formate da una serie di aminoacidi, uniti fra loro da un legame detto peptidico. La sequenza dei singoli amminoacidi è dettata geneticamente e determina la funzione stessa della proteina. Le proteine contengono oltre al carbonio (C), l’idrogeno (H), e l’ossigeno (O),anche un atomo di azoto (N). Gli amminoacidi sono venti, nove sono considerati essenziali perché non vengono prodotti dall’uomo e devono essere ingeriti con l’alimentazione.
Il legame peptidico comporta l'allontanamento di una molecola di acqua e può quindi essere spezzato per idrolisi, cioè fornendo acqua ed un enzima specifico che catalizzi la reazione.
La sequenza degli aminoacidi indica la struttura primaria di una proteina e contribuisce alla sua forma tridimensionale, poichè le diverse catene laterali interagendo tra di loro e con l'acqua, fa sì che la catena polipeptidica assuma una struttura più o meno ripiegata, detta struttura secondaria e terziaria, che le conferisce una conformazione specifica.
Tale conformazione comprende anche una struttura quaternaria, che risulta dall'aggregazione di più catene polipeptidiche formanti una proteina. Esempi di struttura quaternaria sono l'emoglobina e il collagene.
Nell’organismo le proteine hanno diverse funzione: plastica: costituiscono e riparano tessuti; bioregolatrice: partecipano alla formazione di enzimi, ormoni e neurotrasmettitori; omeostatica: mantengono i rapporti osmotici tra fluidi corporei e l’equilibrio acido-base; immunitaria: per la formazione di anticorpi; di trasporto: trasportano colesterolo, trigliceridi, fosfolipidi.

Gli acidi nucleici. Gli acidi nucleici, così chiamati perché sono abbondanti nel nucleo delle cellule, sono le molecole che contengono l'informazione genetica, cioè l'insieme delle istruzioni necessarie alla fabbricazione delle proteine. Esse ne determinano la specificità strutturale e funzionale. Esistono due tipi di acidi nucleici: il DNA (Acido DesossiriboNucleico) e l'RNA (Acido RiboNucleico). Il primo è il responsabile dell'informazione genetica; il secondo provvede a tradurre l'informazione genetica, contenuta nel DNA, nel linguaggio (cioè nella struttura) delle proteine.
DNA. La molecola di DNA è responsabile della trasmissione e manifestazione dei caratteri ereditari. E’ presente in tutti gli organismi viventi (eccetto in alcuni virus). Il DNA è costituito da due filamenti che formano una struttura definita "a doppia elica". Nello spazio la molecola di DNA ha la forma di una scala a pioli elicoidale, in cui i montanti sono costituiti da zuccheri e fosfati, e i pioli da coppie di quattro diverse basi azotate: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G).
Ogni filamento corrisponde ad una catena di nucleotidi. Un nucleotide è costituito dalla combinazione di tre diverse molecole: una base azotata, legata a uno zucchero con 5 atomi di carbonio, a sua volta legato a un gruppo fosforico. Le basi A e G appartengono al gruppo di sostanze chiamate purine, mentre C e T appartengono alle pirimidine.
Una determinata sequenza di coppie di basi azotate costituisce un gene; l'informazione in essa contenuta viene interpretata secondo il codice genetico, che stabilisce una corrispondenza tra basi azotate e amminoacidi. In tal modo i geni regolano la sintesi delle proteine.
RNA. Le molecole di RNA sono simili alle molecole del DNA, ma con alcune differenze strutturali: nell'RNA lo zucchero è il ribosio invece del desossiribosio; nell'RNA, al posto della timina (T), è presente l'uracile (U) che si lega con l'adenina come fa la timina; l’RNA non forma una doppia elica ma ha la struttura di una catena semplice. Un'altra differenza tra DNA e RNA è che mentre il DNA esegue una sola funzione, cioè quella di contenere l'informazione genetica, le specie differenti di RNA nella cellula, eseguono funzioni differenti.
Ogni molecola di RNA è specializzata in una determinata funzione: l'RNA messaggero (mRNA) è prodotta dalla trascrizione del DNA, e porta l’informazione genetica per la sintesi proteica. Le due estremità sono diverse perché sia riconoscibile il corretto senso di lettura. L'RNA transfer (tRNA) è costituito da piccole molecole a forma di trifoglio, ciascuna delle quali porta uno specifico aminoacido. A ogni codone dell'mRNA (un codone è la sequenza di tre basi azotate, specifica per ogni aminoacido) corrisponde un anticodone del tRNA. Infine, l'RNA ribosomiale (rRNA) è il principale costituente dei ribosomi, i microscopici organuli cellulari su cui avviene la sintesi proteica.

I diversi tipi di RNA vengono prodotti mediante la trascrizione, cioè con un meccanismo di copiatura. La molecola di DNA, formata da un doppio filamento avvolto su se stesso, si despiralizza e si apre. A questo punto, l'enzima RNA polimerasi accoppia nuove basi azotate a quelle presenti su uno dei due filamenti di DNA, rispettando la complementarità della loro struttura molecolare. Completata la sintesi del filamento di RNA, questi si distacca da quello di DNA; il DNA si richiude e ritorna in forma spiralizzata.
La traduzione o sintesi delle proteine è il processo mediante il quale diversi aminoacidi vengono uniti per formare una nuova proteina, seguendo le istruzioni contenute in un filamento di RNA messaggero. Questo processo prende il nome di traduzione e coinvolge le molecole di RNA transfer (tRNA), che da una parte ha una tripletta di nucleotidi e dall’altra porta un aminoacido specifico, corrispondente alla tripletta. La traduzione implica anche la presenza di RNA ribosomiale o (rRNA).
La sintesi delle proteine avviene avviene nel modo seguente:
1) Il ribosoma si muove lungo l’mRNA, e prende i tRNA+aminoacido secondo le triplette che legge.
2) Si forma il legame peptidico tra due aminoacidi in posizione corretta.
3) Il tRNA del primo aminoacido è liberato. Il ribosoma si sposta e legge la successiva tripletta.
Arriva il nuovo tRNA+aminoacido. Si forma il nuovo legame peptidico. Il tRNA scarico è liberato. Il processo si ripete.
4) Quando il ribosoma legge una tripletta di fine la proteina si stacca

Fig. sintesi delle proteine

La cellula

Un batterio, una mosca, un'alga, una sequoia, un gatto, una balena e un essere umano, sono tutti costituiti da cellule. La cellula è l'unità base della vita. Tutte le cellule, indipendentemente della loro specifica funzione o dalla loro specifica sede nell'organismo, hanno caratteristiche e processi comuni. Le cellule sono costituite quasi interamente da solo quattro tipi di molecole base: i carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici, detti i mattoni della vita. In genere la cellula è composta da tre parti fondamentali: · la membrana, un involucro che separa la cellula dalle altre o dall'ambiente circostante, regolando anche l'ingresso e l'uscita di materiali; · il citoplasma, sostanza gelatinosa, ricca di acqua, sali minerali e sostanze organiche, nella quale si compiono le funzioni cellulari. Queste funzioni, nelle cellule evolute (eucarioti), sono svolte da speciali organuli; · il nucleo, di forma quasi sferica è racchiusa da un involucro poroso detto membrana nucleare. All'interno del nucleo si trovano il DNA che contiene tutte le informazioni necessarie per le attività cellulari e per la trasmissione dei caratteri ereditari specifiche di ciascuna specie.

Nelle cellule eucariote il nucleo è delimitato da un doppio strato di membrana che separa il nucleoplasma dal citoplasma consentendo gli scambi solo attraverso appositi pori; in esso è presente il patrimonio genetico dell'organismo sotto forma di molecole di DNA.

Le cellule procariote (organismi unicellulari) sono fornite di membrana e citoplasma ma sono sprovviste di nucleo, mentre le cellule eucariote (organismi unicellulari e pluricellulari) presentano tutte e tre le parti fondamentali. La divisione cellulare consiste nella divisione di una cellula madre in due cellule figlie. Essa può avvenire con la mitosi e la meiosi.

La membrana cellulare o plasmatica è un sottile rivestimento che delimita tutte le cellule, separandole e proteggendole dall'ambiente esterno; essa è composta da un doppio strato di fosfolipidi, molecole contenenti regioni idrofobiche (rivolte verso l'interno della membrana) ed idrofile (rivolte verso l'esterno).
Numerose molecole proteiche e glicoproteiche (colesterolo e glicolipidi) sono inserite all'interno della membrana lipidica, e possono spostarsi liberamente poiché la sua struttura è definita a mosaico fluido; tali proteine possono agire come canali o pompe che trasportano le molecole all'interno o all'esterno della cellula.
La membrana è detta semi-permeabile, in quanto permette ad una sostanza di passare liberamente, di passare in una determinata quantità o di non passare affatto.

Nei procarioti è ricoperta da un rivestimento protettivo chiamato parete cellulare, assente invece negli eucarioti animali; nelle cellule eucariote vegetali essa è presente sottoforma di una parete cellulare composta di cellulosa.

Il citoplasma è una soluzione gelatinosa al cui interno vi sono i vari organuli che compongono la cellula. Tali organelli sono ancorati ad una struttura proteica, denominata citoscheletro che ha la funzione di mantenere la forma della cellula. Il citoscheletro eucariotico è composto dai microfilamenti (actina), dai filamenti intermedi e dai microtubuli (tubulina).

Le ciglia ed i flagelli sono estroflessioni cellulari che ne permettono il movimento. Le ciglia sono generalmente numerose e possono creare correnti nella soluzione intorno alla cellula, in modo da indirizzare i nutrienti verso il luogo in cui verrà digerito. I flagelli sono invece presenti in numero singolo o comunque ridotto. La parte interna di un ciglio o di un flagello è costituito da una membrana che racchiude 9 coppie di microtubuli alla periferia più due microtubuli non accoppiati al centro.

Le cellule eucariotiche contengono numerosi organelli specializzati in specifiche funzioni necessarie alla sopravvivenza delle cellule stesse.
Il nucleo può essere considerato il centro di comando da cui partono tutti gli ordini che regolano la vita della cellula, presso cui è conservato il DNA sotto forma di cromatina ed hanno luogo la replicazione del DNA nucleare e la sua trascrizione ad RNA. All'interno del nucleo vi è il nucleolo responsabile della sintesi dell'RNA ribosomiale (rRNA).

Il reticolo endoplasmatico (RE) è costituito da una serie di membrane ripiegate l'una sull'altra a formare tubuli e sacchetti che hanno il compito di raccogliere le proteine sintetizzate dai ribosomi, di trasportarle e smistarle, verso altri organuli specifici ('apparato di Golgi).
Si differenziano due regioni di RE: il reticolo endoplasmatico ruvido, sulla cui superficie sono contenuti i ribosomi (responsabili della sintesi proteica), e reticolo endoplasmatico liscio, che ne è privo e ha la funzione di elaborare lipidi e steroidi.

L'apparato del Golgi, struttura connessa al reticolo endosplasmatico, è formato da sacche membranose impilate le une sulle altre, che modificano proteine e lipidi, sintetizzano carboidrati e "impacchettano" le molecole che devono essere trasportate sia all’interno che all'esterno della cellula.

I mitocondri sono racchiusi da due membrane, che ne individuano cinque regioni dalle proprietà differenti: la membrana esterna, lo spazio intermembrana, la membrana interna, lo spazio delle creste (formate dalle inflessioni della membrana interna) e la matrice.
La principale funzione dei mitocondri è la conversione di vari metaboliti (glucosio ed ossigeno) in energia utilizzabile dalla cellula sotto forma di ATP, ciò avviene attraverso la respirazione cellulare. I mitocondri vengono considerati come le centrali energetiche della cellula e sono presenti in quasi tutte le cellule eucariote in numero variabile.

I cloroplasti possono esser considerati la controparte dei mitocondri. Invece di produrre diossido di carbonio e acqua (CO2 e H2O) come scarto, essi svolgono la fotosintesi clorofilliana, che parte da quei composti per generare glucosio ed ossigeno. Anche i cloroplasti possono esser presenti in numero, forma e dimensione variabili all'interno del citoplasma.

I lisosomi sono organuli che contengono enzimi idrolitici (capaci di rompere, i legami delle macromolecole biologiche), adibiti alla digestione in ambiente acido delle sostanze inutili o dannose alla cellula. Presenti solo nelle cellule eucariote animali, i lisosomi hanno un ruolo fondamentale ad esempio nei globuli bianchi, dove collaborano alla distruzione delle macromolecole di microorganismi patogeni.
I perossisomi sono simili ai lisosomi e svolgono reazioni particolari come degradare i perossidi (l'acqua ossigenata), attraverso enzimi specifici. I vacuoli sono organelli che conservano al loro interno nutrienti o sostanze di scarto. Alcuni vacuoli possono anche contenere acqua di riserva.