1
Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino
Le scienze naturali
Osservare i viventi
2
La vita
delle cellule
3
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015
Lezione 1
Il metabolismo
cellulare
4
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.
5
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.
6
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015
3. L’ATP è una piccola «pila»
ricaricabile /1
L’idrolisi dell’ATP libera energia che può essere utilizzata per
le reazioni del metabolismo cellulare.
7
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015
3. L’ATP è una piccola «pila»
ricaricabile /2
La molecola di ATP funziona come una pila ricaricabile, la cui
energia viene liberata e riacquistata in modo ciclico.
8
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015
Lezione 2
Le membrane
sono essenziali
per il metabolismo
9
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.
10
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.
11
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015
5. La membrana plasmatica è un
mosaico fluido /2
12
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015
5. La membrana plasmatica è un
mosaico fluido /3
13
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.
14
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.
15
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).
16
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.
17
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.
18
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
20
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.
21
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.
22
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:
C6H12O6 + 6O2 g 6CO2 + 6H2O + Energia
23
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.
24
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 CO2 e producono
trasportatori di elettroni e idrogeno,
che poi li cedono all’ossigeno nella
fase finale, in cui si producono H2O e
ATP.
25
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.
26
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015
Lezione 4
L’energia solare
e la produzione
dei nutrienti
27
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 CO2 e H2O in
glucosio e ossigeno.
28
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015
18. La fotosintesi: un quadro generale
/1
29
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015
18. La fotosintesi: un quadro generale
/2
Nella fase luce-dipendente della fotosintesi si consuma H2O,
si produce O2 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 CO2 in G3P e poi in glucosio.
30
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.
31
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.
32
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.
33
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015