2.2 - Come funziona la cellula

I fondamentali in sintesiCome funziona la cellula

Biologia

INIZIA

Il trasporto di membranaL'esocitosi e l'endocitosiIl metabolismo energetico

Che cosa devo sapere prima

La cellulaLe membrane cellulariLe biomolecole

Che cosa imparerò

INDICE

Le cellule sono le unità strutturali e funzionali di tutti gli organismi viventi. Sono simili per composizione chimica e ospitano molte reazioni chimiche del mondo vivente. Tutte le cellule sono delimitate dalla membrana plasmatica, un involucro che circonda la cellula e seleziona le sostanze che entrano ed escono. L’ambiente interno dalla membrana è costituito da una miscela di acqua e di altre sostanze chiamata citoplasma in cui avvengo moltissime reazioni chimiche. Le cellule possono essere procariote (archei e batteri) o eucariote (protisti, vegetali, animali e funghi). Le cellule procariote possiedono una struttura di base comune: una membrana che racchiude il citoplasma, all'interno del quale si trova il nucleotide. Nelle cellule eucariote, invece, sono presenti compartimenti interni delimitate da membrane chiamati organuli, ognuno dei quali svolge una funzione specifica.

Le membrane sono fondamentali per le attività della cellula. Sono strutture altamente organizzate che permettono alle cellule di interagire fra loro e regolare gli scambi di materia con l'ambiente. La struttura di base delle membrane cellulari è detta modello a mosaico fluido ed è formata da una doppio strato di fosfolipidi in cui sono immerse molecole proteiche. Sulla membrana sono presenti carboidrati, associati a lipidi e proteine, che permettono il riconoscimento e l'adesione tra cellule.

Le biomolecole, presenti solo nel mondo vivente, sono composti organici costituiti da catene di atomi di carbonio di lunghezza e di forma variabili. Queste sono:

• I carboidrati o zuccheri. Si tratta di un gruppo molto eterogeneo di composti che comprende soprattutto atomi di carbonio legati ad atomi di ossigeno, idrogeno e gruppi ossidrile. Costituiscono una fonte di energia, forniscono la base per costruire nuove molecole e sono utilizzati come materiale di sostegno e di rivestimento cellulare.

• I lipidi hanno diverse funzioni. Grassi e oli immagazzinano energia o servono da isolanti. i fosfolipidi svolgono importanti funzioni strutturali nelle membrane cellulari, i carotenoidi servono alle piante per catturare energia mentre gli steroidi o acidi grassi servono a regolare quantità di ormoni e vitamine.

• A seconda della loro struttura, le proteine svolgono funzioni di sostegno meccanico, di protezione, di trasporto, catalitiche, difensive, di regolazione e di movimento.

• Gli acidi nucleici sono polimeri specializzati nel custodire, trasmettere e utilizzare l'informazione genetica. Ne esistono di due tipi: il DNA e l'RNA.

Indice

IL TRASPORTODI MEMBRANA

Il trasporto di membrana

ESOCITOSIED ENDOCITOSI

IL METABOLISMO ENERGETICO

La glicolisi

La respirazione cellulare

La fotosintesi

Autotrofi ed eterotrofi

La fermentazione

Il trasporto passivo

Il trasporto attivo

L'esocitosi

L'endocitosi

Il trasporto di membrana

Le membrane biologiche sono semipermeabili ovvero si lasciano attraversare solo da alcune sostanze. Questo passaggio selettivo viene definito:

• trasporto passivo se avviene senza apporto di energia da parte della cellula;

• trasporto attivo se prevede l'impiego di energia chimica proveniente da una fonte esterna.

Il trasporto passivo

È il passaggio secondo gradiente di piccole molecole (come H2O, O2, CO2 e molecole idrofobiche) attraverso il doppio strato fosfolipidico di una membrana.

Diffusione semplice

È il passaggio di una sostanza secondo gradiente tramite molecole di trasporto oppure per mezzo di specifiche proteine di membrana che possono assumere la forma di canali.

Diffusione facilitata

È la diffusione dell'acqua attraverso una membrana semipermeabile da una soluzione ipotonica (meno concentrata) verso una soluzione ipertonica (più concentrata).

Osmosi

Il trasporto passivo

Il trasporto passivo

L'osmosi

Il trasporto attivo

Il trasporto attivo permette di trasferire sostanze dal lato della membrana in cui sono meno concentrate verso il lato in cui sono più concentrate. Si tratta di un passaggio mediato da proteine di trasporto che avviene contro il gradiente di concentrazione e che comporta un dispendio di energia da parte della cellula.

Il trasporto attivo

Avviene quando la proteina di trasporto trasferisce una sola sostanza in un'unica direzione. Accade ad esempio con il trasferimento di ioni Ca2+ all'esterno della cellula.

Uniporto

Avviene quando la proteina di trasporto trasferisce due sostanze nella stessa direzione. Accade ad esempio per l'assorbimento degli amminoacidi nel canale intestinale.

Simporto

Avviene quando la proteina trasportatrice trasferisce due sostanze in direzioni opposte. Molte cellule possiedono una pompa sodio-potassio che sposta Na+ all'esterno e K+ all'interno.

Antiporto

Questo breve video ti illustra alcuni tipi di trasporto attivo presenti nelle cellule.

Il trasporto attivo

In quale tipo di trasporto il soluto si sposta da una zona a concentrazione minore verso una zona a concentrazione maggiore?

Diffusione facilitata

Trasporto attivo

Diffusione semplice

STOP! Scegli la risposta corretta:

SBAGLIATO La diffusione semplice è un tipo di trasporto secondo gradiente che avviene per molecole piccole come quelle dell'acqua o idrofobiche.

ESATTO! È un tipo di trasporto attivo in quanto serve energia per andare contro gradiente.

SBAGLIATO La diffusione facilitata è un tipo di trasporto passivo che utilizza proteine di trasporto o canali proteici che aiutano la diffusione degli ioni e delle molecole polari.

L'endocitosi e l'esocitosi

Le macromolecole come i polisaccaridi e le proteine sono troppo grandi per attraversare le membrane. Il loro passaggio può avvenire in due modi:

• per endocitosi dove il materiale che deve essere portato all'interno della cellula viene inglobato in vescicole di membrana.

• per esocitosi dove le vescicole che si formano all'interno della cellula si fondono con la membrana per liberare all'esterno il contenuto.

Inserire il video Esocitosi - Endocitosi Id kaltura: 1_7owdc98s link: http://www.kaltura.com/index.php/extwidget/preview/partner_id/362071/uiconf_id/8603321/entry_id/1_7owdc98s/embed/auto?&flashvars[streamerType]=auto

L'inglobamento da parte della membrana plasmatica di particelle solide o cellule è detto...

Il prelievo selettivo di sostanze presenti in ambiente extracellulare avviene tramite...

La formazione di vesciole che permettono alla cellula di importare sostanze è detta...

Stop! Completa le frasi...

FAGOCITOSI

ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI

PINOCITOSI

Il metabolismo energetico

È l'insieme delle reazioni che le cellule impiegano per sintetizzare ATP. Esistono due tipi di processi:

• catabolici (glicolisi, fermentazione e respirazione cellulare) che ricavano energia dai nutrienti.

• anabolici (fotosintesi) che producono biomolecole ad alto contenuto energetico.

CI Photos/Shutterstock

Nella matrice mitocondriale avvengono le prime due fasi della respirazione cellulare.

Autotrofi ed eterotrofi

Le cellule hanno bisogno di bruciare sostanze ricche di energia per formare ATP che utilizzano come «pila» energetica.

• Gli autotrofi (cellule e organismi fotosintetici) utilizzano l'energia della luce solare per sintetizzare i combustibili di cui hanno bisogno.

• Gli eterotrofi (animali, funghi, molti protisti e procarioti) ricavano invece energia dagli organismi di cui si nutrono.

La glicolisi

La glicolisi è la via metabolica universale formata da 10 reazioni, ciascuna catalizzata da un enzima specifico e che avviene nel citosol di ogni cellula.Attraverso la glicolisi ogni molecola di glucosio è scissa in 2 molecole di piruvato, con liberazine di 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH+H+, la forma ridotta del coenzima NAD, una molecola che favorisce il trasferimento di elettroni.

La respirazione cellulare

Gli organismi eucarioti (e anche alcuni procarioti) sono in grado di sfruttare l’ossigeno per ossidare completamente il glucosio a diossido di carbonio. La respirazione cellulare si svolge nei mitocondri e comprende tre grandi vie: la fase preparatoria (dove avviene la conversione del piruvato in acetil-CoA ), il ciclo di Krebs (dove viene ossidato l'acetil-CoA) e la fosforilazione ossidativa (dove avviene la produzione di ATP).

La fermentazione

In assenza di ossigeno la via metabolica intrapresa dall’acido piruvico dopo la glicolisi è la fermentazione.

• Nella fermentazione alcolica l’acido piruvico viene ridotto a etanolo. Questo pocesso è svolto dai lieviti ed è sfruttuato per la panificazione e la produzione di alcolici.

• Nella fermentazione lattica l'acido piruvico viene ridotto ad acido lattico. Questo pocesso è svolto dai batteri del genere Lactobacillus ed è sfruttato per la produzione di yogurt e formaggi.

Il bilancio energetico del glucosio

La produzione di ATP derivata dal metabolismo di una molecola di glucosio in presenza e in assenza di ossigeno.

• In presenza di ossigeno (processo aerobico), il bilancio energetico totale (glicolisi + respirazione cellulare) è di 32 molecole di ATP sintetizzate per ogni molecola di glucosio completamente trasformata in anidride carbonica.
• In assenza di ossigeno (processo anaerobico), il bilancio energetico totale (glicolisi + fermentazione) è perciò uguale a quello della sola glicolisi: 2 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio.

Il metabolismo energetico del glucosio

La glicolisi

La respirazione cellulare

La fermentazione

... Dalla produzione di Acetil-CoA si arriva alla formazione di ATP...

... Una molecola di glucosio è scissa in due molecole di piruvato...

... Il piruvato viene convertito in acido lattico o alcol etilico...

Stop! In quale fase...

LA RESPIRAZIONE CELLULARE

LA GLICOLISI

LA FERMENTAZIONE

La fotosintesi clorofilliana

Gli organismi fotosintetici sono autotrofi, non assumono sostanze organiche dagli alimenti ma le sintetizzano utilizzando una fonte di energia (luce), una fonte di carbonio (CO2) e acqua.Tramite la fotosintesi clorofilliana le piante producono glucosio e ossigeno.

Mopic/Shutterstock

Nella cellula vegetale è il cloroplasto l'organulo deputato alla fotosintesi. È formato da una matrice, detta stroma, in cui sono immerse numerose membrane appiattite, i tilacoidi, disposte nelle piante in pile (o grani). I pigmenti fotosintetici delle piante sono la clorofilla a, la clorofilla b e diversi tipi di carotenoidi.

La fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi si svolge in due fasi principali:

• fase luminosa

• fase di fissaggio del carbonio, indipendente dalla luce (stroma).

Questo breve video ti mostra i diversi passaggi che compongono la fotosintesi.

La fotosintesi

In quale distretto del cloroplasto avviene il ciclo di Calvin?

Tilacoidi

Stoma

STOP! Scegli la risposta corretta:

Lamella

SBAGLIATO Le lamelle collegano le diverse pile di tilacoidi.

SBAGLIATO Sulla membrana dei tilacoidi avviene la prima fase della fotosintesi, ovvero la fase luminosa.

ESATTO!

Come le sostanze entrano ed escono dalle celluleLa differenza tra organismi eterotrofi e autotrofiIl metabolismo energetico del glucosioLa fotosintesi clorofilliana

Che cosa ho imparato

METTITI ALLA PROVA

RIGUARDA LE PARTI CHE NON HAI CAPITO

Mettiti alla prova

Esercizi del libro