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DOTT.SSA CRISTIANA CARELLI ALINOVI Martedì 18-01-2011 Giovedì 20-01-2011 ORGANIZZAZIONE E FUNZIONI DELLE CELLULE E DEI VIRUS IL CICLO.

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1 DOTT.SSA CRISTIANA CARELLI ALINOVI Martedì Giovedì ORGANIZZAZIONE E FUNZIONI DELLE CELLULE E DEI VIRUS IL CICLO CELLULARE E LA RIPRODUZIONE REPLICAZIONE E RIPARAZIONE DEL DNA BIOSINTESI DELLE PROTEINE E REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA LA TRASMISSIONE DEI CARATTERI EREDITARI

2 CELLULA= UNITA’ BASALE DELLA VITA CLASSIFICAZIONE DEGLI ORGANISMI VIVENTI IN BASE ALL’ORGANIZZAZIONE CELLULARE PROCARIOTI = CELLULE SENZA NUCLEO EUCARIOTI =CELLULE CON NUCLEO (separazione fisica dei processi di replicazione del DNA, sintesi dell’RNA e traduzione)

3 DIMENSONI CELLULARI

4 Quali sono i regni degli esseri viventi? I regni degli esseri viventi sono 5: Monere,Protisti, Funghi, Piante, Animali. Monere : sono organismi microscopici, unicellulari, procarioti (privi cioè di un nucleo) in altre parole tutti i tipi di batteri Protisti: sono un gruppo eterogeneo di organismi unicellulari, con caratteristiche nutrizionali simili a quelle delle piante (protisti autotrofi, come le alghe rosse e le alghe verdi), o a quelle di funghi e animali (protisti eterotrofi, tra cui sono annoverate le amebe, i foraminiferi, i radiolari). La principale caratteristica che differenzia i protisti dalle monere è il fatto di essere organismi eucarioti Funghi: sono organismi eucarioti, unicellulari - come i lieviti - o più frequentemente pluricellulari, formati da filamenti (ife) più o meno strettamente ammassati in una struttura complessivamente chiamata micelio. Piante: sono organismi eucarioti, pluricellulari, autotrofi Animali: sono organismi eucarioti, pluricellulari, eterotrofi

5 Cronologicamente, le prime osservazioni si fanno risalire ad Aristotele, che già nel IV secolo a.C. aveva distinto gli organismi viventi in due regni: Animali e Piante. Nel diciottesimo secolo Carlo Linneo pubblicava Systema naturae proponendo una suddivisione in categorie:Regno,Classe,Ordine,Famiglia,Genere e Specie. POSSIBILI CLASSIFICAZIONI organismi autotrofi: in grado di sintetizzare gli zuccheri necessari a partire da anidride carbonica e acqua impiegando la luce solare come energia (fotosintesi clorofilliana). Erano rappresentati da organismi fissi sul terreno ed altri organismi unicellulari come batteri, alghe e funghi. organismi chemiotrofi: in grado di ottenere l’energia dall’ossidazione di sostanze chimiche, come alcuni procarioti, protisti, funghi e animali organismi eterotrofi: in grado di nutrirsi soltanto di sostanze già elaborate e capaci di movimento. Negli animali così intesi erano compresi anche i Protozoi. Un ulteriore distinzione degli esseri viventi si può avere in base alla capacità di vivere in presenza (aerobi) o in assenza (anaerobi) di ossigeno L’avvento del microscopio, in particolare di quello elettronico, ha rivoluzionato questa suddivisione e ha permesso di identificare e classificare gli organismi viventi osservando come sono organizzate le cellule che li costituiscono. In base alla loro organizzazione interna, le cellule possono essere distinte in due grandi categorie: cellule procarioti, prive di nucleo ben differenziato cellule eucarioti, con nucleo ben definito e isolato dal resto della cellula tramite, l’involucro nucleare nel quale è racchiuso la maggior parte del materiale genetico, il DNA.

6 Nel 1959 veniva proposta da Whittaker una suddivisione degli organismi viventi in 5 Regni: Regno animale (eucarioti pluricellulari a nutrizione eterotrofa, per ingestione) Regno vegetale (autotrofi pluricellulari a nutrizione autotrofa) Regno dei funghi (eucarioti pluricellulari a nutrizione eterotrofa, per assorbimento) Regno dei protisti (eucarioti unicellulari, a nutrizione mista) Regno delle monere (archeobatteri, eubatteri ed alghe azzurre)

7 La cellula procariote E’ caratterizzata soprattutto dalla mancanza di organuli delimitati da membrane Le reazioni biochimiche avvengono su pieghe del plasmalemma. Il DNA è rappresentato da una struttura a forma di anello (nucleoide) o anche da frammenti più piccoli (plasmidi). La parete cellulare negli eubatteri è costituita in genere da peptidoglicani (polimeri di carboidrati con corte catene di aminoacidi) associati a proteine. Quasi sempre la parete è avvolta da un rivestimento di polisaccaridi o proteine (capsula o glicocalice), che dà protezione alla cellula e la fa aderire al substrato. Ha in genere dimensioni dell’ordine di pochi micron. I batteri possono formare cellule quiescenti di resistenza, con pareti ispessite (spore), che possono resistere alla bollitura e restare dormienti.

8 Parete cellulare  Struttura rigida che conferisce alla cellula la sua forma.  Strato uniforme denso e spesso  È essenziale all’accrescimento ed alla divisione cellulare.  Si visualizza al microscopio mediante colorazioni specifiche.  Protezione da danni di tipo meccanico ed osmotico.  Dalla parete dipendono molte caratteristiche tassonomiche dei batteri: la forma, la suddivisione in Gram-positivi e Gram-negativi, la specificità antigenica.

9 Struttura del peptidoglicano  La parte rigida di una cellula batterica è una struttura polimerica chiamata mureina, peptidoglicano o mucoproteina.  I peptidoglicani sono polimeri molto grandi, formati da tre tipi di unità costitutive: acetiglucosammina (AGA), acido acetil muramico (AMA) ed un peptide costituito da 4 o 5 aminoacidi.

10 Costituenti principali del peptidoglicano

11 Composizione delle subunità del peptidoglicano

12 I PROCARIOTI Sono di gran lunga i viventi più numerosi e diffusi sulla terra Vivono in ogni tipo di ambiente, anche in quelli più estremi (all’interno delle rocce, sotto il permafrost, nel fondo degli oceani, nei deserti, in sorgenti di acqua bollente, in soluzioni con pH 1-2, …) Sono organismi unicellulari privi di organuli delimitati da membrane e provvisti di un singolo cromosoma che contiene tutto il loro DNA. Possiedono i PLASMIDI, DNA extracromosomico che conferisce la resistenza agli antibiotici e alle tosssine. Alcuni batteri hanno la capacità di formare ENDOSPORE quando sono in presenza di condizioni ambientali sfavorevoli VENGONO SUDDIVISI IN: ARCHEOBATTERI EUBATTERI

13 Differenze tra i 2 domini Principali caratteristiche EubatteriArcheobatteri Sequenze di RNAmolte sono specifiche degli eubatteri molte sono uguali a quelle eucariote RNA polimerasirelativamente piccola e semplice complessa; simile agli eucarioti Introniassentipresenti in alcuni geni Peptidoglicani nella parete presenteassente Lipidi di membranacatene di C non ramificate catene di C ramificate

14 Archeobatteri Sono i più antichi organismi viventi sulla terra. Vivono in condizioni estreme Si dividono in 3 phyla: –Metanobatteri (producono energia convertendo H 2 e CO 2 in metano) –Alofili (vivono in luoghi con un alto contenuto di sali) –Termoacidofili (vivono in luoghi con temperature elevate e con pH inferiore a 2)

15 Eubatteri Sono più complessi e comuni degli archeobatteri Si dividono nei seguenti phyla: –Cianobatteri (sono fotosintetici) –Spirochete (sono gram -, a forma di spirale e eterotrofi. Una specie causa la sifilide) –Batteri gram + (comprendono batteri utili come i lattobacilli e altri che causano malattie come la scarlattina) –Proteobatteri (comprendono gli azotofissatori, i batteri enterici e i chemioautotrofi) –Chlamidie

16 Classificazione Gli eubatteri possono essere classificati in base: –Alla forma –Ai raggruppamenti –Alla respirazione –Alla colorazione gram

17 … in base alla forma e al raggruppamento Cocchi di forma sferica Bacilli con forma a bastoncino Spirilli con forma ondulata Diplo se raggruppati in due Strepto se formano una catena Stafilo se formano una colonia

18 … in base alla respirazione Batteri aerobi: utilizzano ossigeno libero come accettore di elettroni nella respirazione. Batteri anaerobi: non necessitano della presenza di ossigeno. Svolgono la fermentazione. Possono essere anaerobi obbligati (che vengono uccisi dall'ossigeno) o facoltativi.

19 … in base alla colorazione gram Tecnica –Cellule su un vetrino sono colorate con un colorante viola (cristalvioletto) –Le cellule sono lavate con acqua –Una soluzione di ioduro è applicata sulle cellule –Il vetrino è lavato con alcol –Infine le cellule sono ricolorate con un colorante rosa (safranina) Risultati -Gram + appaiono viola perché hanno trattenuto il cristalvioletto -Gram – appaiono rosa perché hanno trattenuto il colorante rosa La colorazione dipende dalla struttura della parete cellulare

20 I batteri gram positivi hanno uno strato di peptidi spesso che trattiene il cristalvioletto, i gram negativi hanno uno strato di peptidi sottile. Dalla membrana esterna dei batteri si estendono strutture filamentose chiamate PILI che servono per l’adesione alla superficie di altre cellule. Alcuni batteri possiedono anche uno o più FLAGELLI: strutture filamentose che servono per lo spostamento. Gram-positivi a) membrana citoplasmatica (membrana interna simile a quella dei gram-negativi) b) spesso strato di peptidoglicano (è sottile nei gram-negativi) c) strato superficiale non sempre presente detto capsula (simile nei gram-negativi) Gram-negativi a) membrana citoplasmatica (membrana interna simile a quella dei gram-positivi) b) spazio periplasmatico c) sottile strato di peptidoglicano (non presente nei gram-positivi) d) membrana esterna (non presente nei gram- positivi) e) strato superficiale non sempre presente detto capsula (simile nei gram-positivi)

21 Il lipopolisaccaride (o LPS) è uno dei componenti della parete esterna dei batteri gram negativi (esterno al peptidoglicano). E’ costituito da tre regioni principali: una porzione glicolipidica, chiamata lipide A, un core oligosaccaridico e una O- Specific Chain, una catena polisaccaridica costituita da unità ripetitive che generalmente possono contenere fino ad otto zuccheri. Il lipide A ha natura glicolipidica che gli permette di ancorarsi nella membrana esterna dei batteri, mentre la porzione polisaccaridica dell'LPS sporge all'esterno della membrana. Il lipopolisaccaride è tossico e attiva il sistema immunitario. LIPOPOLISACCARIDE

22 il lipide A, di natura glicolipidica, costituisce l'ancora alla membrana esterna dei batteri; - il core, di natura oligosaccaridica, centrale; - catena O, di natura polisaccaridica, che sporge verso l'esterno. GRAM NEGATIVI

23 METABOLISMO Batteri aerobi: utilizzano ossigeno libero come accettore di elettroni nella respirazione. Batteri anaerobi: non necessitano della presenza di ossigeno. Svolgono la fermentazione. Possono essere anaerobi obbligati (che vengono uccisi dall'ossigeno) o facoltativi. Batteri eterotrofi: incapaci di sintetizzare zuccheri a partire dalla CO 2 Comprendono batteri in massima parte saprofiti (decompositori), ma anche parassiti (compresi i patogeni) e simbionti. Batteri autotrofi fotosintetici: utilizzano energia luminosa per ridurre la CO 2 a carboidrati. Comprendono batteri che usano H 2 O come fonte di elettroni e producono O 2 e batteri sulfurei e verdi che usano in genere H 2 S come fonte di elettroni e producono S. Batteri autotrofi chemiosintetici: utilizzano l’energia derivante dall’ossidazione di composti inorganici per ridurre la CO 2. Comprendono i batteri nitrosanti e nitrificanti, che mineralizzano l’N della sostanza organica decomposta, ossidandolo da NH 4 + a nitrito (NO 2 - ) e nitrato (NO 3 - ). Comprendono anche ferro-batteri che ossidano ferro, solfo-batteri che ossidano S, idrogeno-batteri che ossidano H, e altri (chemiosintetici che ossidano rame, molibdeno, arsenico, ecc.). Batteri azotofissatori: fissano l’N 2 atmosferico. Azotofissatori si trovano nei più diversi gruppi di microrganismi: batteri liberi nel substrato (sia aerobi che anaerobi) e batteri simbionti (noduli radicali di piante leguminose simbionti).

24 RIPRODUZIONE Le cellule batteriche si moltiplicano per scissione binaria: il materiale genetico si duplica e si distribuisce ai due poli della cellula batterica, la quale si allunga e alla fine si divide in due cellule figlie identiche alla cellula madre. Alcuni batteri si riproducono ogni minuti.

25 RICOMBINAZIONE GENETICA I batteri possono scambiare geni mediante: –coniugazione: i plasmidi possono essere trasferiti da un batterio a un altro attraverso un contatto tra due cellule. –trasduzione: il DNA viene trasferito dai virus batterici o batteriofagi –trasformazione: il DNA viene inglobato nella cellula batterica direttamente dall'ambiente esterno.

26 BATTERI E MALATTIE Sono note circa 200 specie di batteri patogeni, responsabili di numerose malattie dell'uomo. Il grado di patogenicità può variare a seconda della virulenza della specie batterica e delle condizioni generali dell'organismo ospite. Fra le malattie batteriche più gravi vi sono colera, tetano, gangrena gassosa, lebbra, peste, dissenteria, tubercolosi, sifilide, febbre tifoide, difterite, brucellosi e polmonite. Alcuni batteri causano malattie producendo sostanze velenose dette tossine

27 TOSSINE Le esotossine sono costituite da proteine prodotte dai batteri gram + e secrete nell’ambiente circostante. Ad es. il tetano è una malattia causata da una esotossina Le endotossine sono costituite da lipidi e carboidrati associati alla parte esterna della membrana dei batteri gram – e non sono rilasciate finché il batterio muore. Causano febbre, debolezza, dolori,…

28 DETERIORAMENTO DEI CIBI Alcuni batteri sono responsabili del deterioramento di cibi come la carne, il vino, la verdura, il latte e i latticini. L'azione di questi microrganismi produce un'alterazione delle caratteristiche chimiche dell'alimento, il quale in alcuni casi presenta semplicemente una variazione di aspetto o di gusto, mentre in altri casi può causare gravi forme di avvelenamento alimentare, come ad es. nel botulismo

29 BATTERI UTILI Alcuni batteri svolgono ruoli importanti in numerosi processi industriali, come nella fermentazione necessaria alla produzione di formaggi e yogurt. I batteri della flora intestinale svolgono la funzione di mantenere l'integrità della mucosa intestinale, di favorire la protezione verso fattori patogeni,di favorire i processi digestivi e l’assorbimento dei nutrienti.

30 ANTIBIOTICI Diversi microrganismi, tra cui alcune specie di funghi e batteri, producono sostanze chimiche in grado di interferire con i processi vitali di determinati ceppi batterici. Queste sostanze, che comprendono la pennicillina e la streptomicina, sono chiamate antibiotici e possono uccidere i batteri o impedire loro di crescere e di riprodursi.

31 Dai procarioti agli eucarioti Gli eucarioti sono apparsi circa 1,8 miliardi di anni fa. Queste prime cellule si sono evolute da cellule procariote dopo che la membrana plasmatica si è ripiegata e ha formato organuli delimitati da membrana. Cloroplasti e mitocondri probabilmente si sono evoluti da procarioti fotoautotrofi e chemioautotrofi inglobati dalle prime cellule eucariote (teoria dell’endosimbiosi)

32 Confronto fra cellule archeobatteriche, eubatteriche ed eucariotiche EubatteriArcheobatteriEucarioti Comportamenti strutturali Numero cromosomiUno Più di uno Membrana nucleareAssente Presente NucleoloAssente Presente Apparato mitoticoAssente Presente MicrotuboliAssente Presente Steroli di membranaRaro Quasi universale PeptidoglicanoPresenteAssenteassente Struttura, trascrizione e traslazione genetica Introni nei geniAssentiRaricomuni Trascrizione accoppiata con traslazione Si?no mRNA poligenicoSi?no Poliadenilazione terminale di mRNA AssentePresentepresente Forme delle subunità ribosomiche 30S,50S 40S,60S Amminoacido trasportato dall’iniziatore tRNA formilmetioninaMetionina Processi metabolici Fosforilazione ossidativamembrana dipendente nei mitocondri Fotosintesimembrana dipendente Nei cloroplasti Fissaggio dell’azotopuò avvenire Non avviene

33 CELLULA EUCARIOTE Tutte le CELLULE EUCARIOTE sono caratterizzate da tre elementi costitutivi: nucleo è delimitato da due membrane e contiene il materiale genetico, cioè il DNA, esso rappresenta la centrale operativa della cellula. membrana plasmatica racchiude il materiale cellulare, delimita la cellula e ne regola gli scambi con l'esterno. citoplasma è un fluido costituito per l'85% da acqua (citosol), da un'impalcatura di sostegno (citoscheletro) e da numerosi organelli deputati alle varie funzioni. I principali organelli contenuti nel citoplasma sono: mitocondri, sede del metabolismo ossidativo o respirazione cellulare. lisosomi sede della demolizione delle vecchie molecole cellulari per il riciclo dei materiali reticolo endoplasmatico che si divide in rugoso (porta numerosi ribosomi attaccati che gli conferiscono un aspetto granuloso ) sede della sintesi delle proteine e liscio sede della sintesi degli acidi grassi, dei trigliceridi e del colesterolo. Apparato di Golgi, formazioni membranose associate al reticolo endoplasmatico e alla membrana citoplasmatica. Serve per la modificazione delle sostanze elaborate dal reticolo endoplasmatico, destinandole alla secrezione esterna mediante il rilascio di vescicole. Citoscheletro: supporto meccanico. Costituito da microtubuli e microfilamenti Nelle cellule vegetali sono presenti anche: cloroplasti, per la fotosintesi clorofilliana grandi vacuoli, per l'accumulo di acqua e biomolecole parete cellulare, che conferisce rigidità alle cellule Le dimensioni della cellula eucariote vanno da 10 a 30 (talora 100) mm di diametro. Tali dimensioni garantiscono un rapporto superficie/volume ottimale per gli scambi fra la cellula e l'ambiente circostante.

34 Cellula procarioteCellula eucariote Organismi tipiciBatteriBatteri ed archeobatteriarcheobatteriProtistiProtisti, funghi, piante ed animalifunghipianteanimali Dimensioni tipiche~ 1-10 µmµm~ µm (con poche eccezioni, come gli spermatozoi)µm spermatozoi Tipo di nucleo cellularenucleo cellulareNucleoideNucleoide: nessun nucleo davvero definitoNucleo racchiuso da doppia membrana DNASolitamente circolareMolecole lineari (cromosomi) complessate da istonicromosomi istoni Sintesi di RNA e proteineRNAproteineAccoppiate nel citoplasmacitoplasmaSintesi dell'RNA nel nucleo e delle proteine nel citoplasma Ribosomi50S+30S60S+40S Strutture citoplasmatichePoche struttureNumerose strutture racchiuse da membrane e citoscheletro citoscheletro Movimento cellulareFlagelliFlagelli composti di flagellinaflagellinaFlagelli e ciglia composte di tubulinacigliatubulina MitocondriNessunoDa uno a diverse migliaia (con alcune eccezioni) CloroplastiNessunoNelle alghe e nelle piantealghepiante Parete cellulare PresentePresente nelle piantepiante OrganizzazioneSolitamente unicellulareUnicellulare, a colonie e in organismi pluricellulari (contenenti cellule specializzate) Divisione cellulareFissione binariaMitosiMitosi (fissione o gemmazione) e meiosigemmazionemeiosi

35 MEMBRANA CELLULARE Ha uno spessore di 5nm (50 Angstrom) Delimita la cellula in tutti gli organismi viventi, la separa con l'ambiente esterno e ne regola gli scambi con questo. E’ un "doppio strato fosfolipidico". Nella componente lipidica si vanno a collocare, con importanti funzioni fisiologiche, proteine e una piccola percentuale di glucidi, in forma di glicoproteine e glicolipidi, e di molecole di colesterolo che la stabilizzano. presiede all‘ omeostasi cellulare, grazie alla sua permeabilità selettiva. partecipa a funzioni complesse: esocitosi (secrezione), endocitosi (ingestione di sostanze esterne mediante la formazione di vescicole), adesione e movimento cellulare ameboide (es. leucociti). Per la sua posizione di interfaccia, la membrana plasmatica, oltre alla funzione strutturale, svolge tre funzioni essenziali: la funzione di filtro selettivo, che lascia passare alcune sostanze piuttosto che altre, assicurando così l'integrità biochimica del citoplasma; la funzione di superficie di comunicazione, permettendo sia lo scambio di informazioni tra l'ambiente intra- ed extracellulare, sia l'interazione fisica con le strutture extracellulari circostanti. la funzione di superficie catalitica, dato l'abbondante numero di enzimi ad essa legati, in gran parte coinvolti nella produzione di messaggeri intracellulari, come le fosfolipasi e la sfingomielasi, che idrolizzano i fosfolipidi di membrana, e l’adenilciclasi, che sintetizza AMP ciclico. Le cellule, necessitano di comunicare con l’ambiente extracellulare, in modo da organizzare al loro interno le attività molecolari che possono regolare un determinato processo o evento biochimico. Tale comunicazione può avvenire tramite segnali molecolari, che vengono trasportati da molecole segnale specifiche come ormoni o proteine. Sulla faccia esterna della membrana cellulare sono presenti numerose proteine che svolgono la funzione di recettore, affinché queste molecole segnale vengano riconosciute della cellula. Ogni recettore, ha una conformazione particolare e specifica, capace di accogliere e di stabilire dei legami solo con una determinata molecola segnale. MODELLO A MOSAICO FLUIDO

36 Il modello a mosaico fluido è un modello della struttura della membrana cellulare. Proposto nel 1972 da Singer e Nicolson, detto anche modello Singer-Nicolson, ipotizza che la membrana cellulare sia composta da un doppio strato lipidico nel quale sono immerse le proteine che svolgono la gran parte delle funzioni tipiche della membrana. Tali proteine presentano un notevole grado di mobilità. all'interno del doppio strato lipidico fluido esistano zone rese meno fluide dalla presenza di sfingolipidi e colesterolo allo stato liquido che agirebbero come piattaforme per la genesi di segnali intracellulari concentrandovi proteine specifiche. La mobilità delle proteine può essere inoltre ulteriormente ristretta sia dai legami proteina-proteina o proteina-lipidi, sia dalle interazioni delle proteine con il citoscheletro, con la matrice extracellulare o con cellule adiacenti.

37 TRASPORTO DI MEMBRANA Permette l'ingressoe/o l’uscita di acqua e ioni dalle cellule. Deve mantenere l’omeostasi cellulare Il trasporto può essere attivo o passivo a seconda se necessita o meno di ATP. Il trasporto é passivo quando avviene per diffusione secondo gradiente di concentrazione; attivo quando si avviene con dispendio di energia contro gradiente di concentrazione. Non è pensabile che lo ione, anche se piccolo, possa attraversare direttamente il doppio strato lipidico, in quanto e’ rappresentato da un ambiente idrofobico. Infatti, tale passaggio è mediato dalla componente proteica della membrana, in particolare dalle "PROTEINE CANALE",arrangiate in modo da esporre il versante idrofilico verso l'interno e quello idrofobico verso i fosfolipidi.

38 Trasporto passivo: consiste nel passaggio di molecole secondo gradiente. Per tale passaggio non è richiesto l’utilizzo di energia biochimica (come ATP). Esso può essere mediato da proteine di membrana. Diffusione semplice: è un tipo di trasporto che non necessita di nessun sistema proteico. È definito semplice perché le molecole che sfruttano questo trasporto sono tutte apolari, cioè capaci di diffondere attraverso il doppio strato lipidico (anch’esso apolare). Tali molecole hanno solitamente le caratteristiche dei lipidi. In questo tipo di trasporto, il gradiente di concentrazione è favorevole. Non c'è pertanto una spesa energetica in termini di ATP per spingere la molecola dall’altra parte della membrana Diffusione facilitata: differisce da quella semplice perché sono presenti delle proteine trasportatrici, proteine di membrana che facilitano ed aumentano la velocità del passaggio di una determinata molecola, attraverso la formazione di legami deboli, necessari per facilitare il rilascio della molecola dall’altra parte della membrana. In questo tipo di trasporto, il gradiente di concentrazione è favorevole, ed è di segno positivo, pertanto non c’è una spesa energetica (in termini di ATP) per spingere la molecola dall’altra parte della membrana. Osmosi: rappresenta un tipo particolare di diffusione facilitata. Indica la diffusione del solvente attraverso una membrana semipermeabile dal compartimento a maggior potenziale idrico (concentrazione minore di soluto) verso il compartimento a minor potenziale idrico (concentrazione maggiore di soluto), quindi secondo il gradiente di concentrazione. L'osmosi è un processo fisico spontaneo, vale a dire senza apporto esterno di energia, che tende a diluire la soluzione più concentrata, e a ridurre la differenza di concentrazione. TRASPORTO PASSIVO

39 ll trasporto attivo permette il passaggio di soluti contro gradiente di concentrazione. Tale passaggio è mediato da proteine di membrana che richiedono l’utilizzo di energia biochimica (ATP). Trasporto attivo primario: mediato da proteine di membrana trasportatrici di soluti. Si occupa di trasferire molecole contro un gradiente di concentrazione, richiedendo la presenza di ATP (si verifica quindi una spesa energetica). Il trasporto attivo primario è in grado di generare un gradiente di concentrazione ed un gradiente elettrico a cavallo della membrana cellulare (come avviene, ad esempio, quando vengono traspostati degli ioni). Lo spostamento di un soluto dall’altra parte della membrana, ad opera della proteina di membrana, è strettamente legato alla reazione esoergonica della conversione dell’ATP in ADP e fosfato inorganico.. Trasporto attivo secondario Si parla di trasporto attivo secondario quando il trasporto di una molecola (A) contro gradiente è permesso dal gradiente di un'altra molecola (B) precedentemente creato da un trasporto attivo primario. Infatti è necessario che si verifichi prima il trasporto endoergonico (che cioè richiede energia) di B, affinché si accumuli da un lato della membrana. Successivamente si verifica il trasporto esoergonico di B nella direzione del gradiente, creato precedentemente dal trasporto attivo primario. Tale trasporto esoergonico è solitamente accoppiato al trasporto contro gradiente di A. Tale accoppiamento è definito cotrasporto ed è realizzato da proteine intrinseche della membrana cellulare capaci di riconoscere le molecole A e B. Solitamente B è uno ione, sodio o protone, che viene chiamato ione trainante (driver). Esistono due tipi di cotrasporto: L’antiporto, consente il passaggio contemporaneo ma in direzioni opposte di due ioni differenti. Il simporto, consente il passaggio contemporaneo ma nella stessa direzione di due ioni differenti. Tra i trasporti secondari : Na+/glucosio simporto; Na+/amminoacidi simporto; Na+/Ca2+ antiporto; Na+/H+ antiporto. TRASPORTO ATTIVO

40 Molecole di grandi dimensioni possono penetrare all’interno delle celllule attraverso il meccanismo dell’ENDOCITOSI. Una porzione della membrana tende ad invaginarsi verso il citoplasma, includendo la sostanza da trasportare. La vescicola che si forma si distacca dalla membrana stessa. ESOCITOSI: vescicole citoplasmatiche contenenti materiale da espellere si fondono con la membrana

41 NUCLEO Il nucleo contiene il materiale genetico, cioè l’acido desossiribonucleico (DNA), che determina le caratteristiche morfologiche e biochimiche specifiche di ciascun tipo cellulare e ne controlla le attività metaboliche.. Il DNA non si trova libero nel nucleo ma è combinato con proteine strutturali a formare la cromatina. Nelle cellule che si stanno dividendo la cromatina si condensa a costituire formazioni intensamente colorabili denominate cromosomi, che sono presenti in numero costante nelle cellule degli individui di una stessa specie Nel nucleo avvengono attività biosintetiche come la replicazione e la riparazione del DNA, la trascrizione e la modificazione di DNA e RNA Oltre alla cromatina il nucleo contiene uno o più evidenti nucleoli; questi sono corpi tondeggianti che si colorano intensamente per il loro contenuto in acido ribonucleico (RNA). Rappresentano la sede della sintesi di RNA e di assemblaggio delle sub-unità ribosomiali. Il nucleo compie due funzioni cruciali per la cellula: contiene l'informazione ereditaria. dirige le attività della cellula, assicurando che le molecole complesse che la cellula richiede, siano nel numero e del tipo necessario.

42 L’uomo ha 23 coppie di cromosomi. Le coppie di cromosomi possono essere numerate da 1 a 22. L’ultima coppia è invece particolare: essa determina il sesso dell’essere umano. Per questa ragione questi due cromosomi sono chiamati “cromosomi sessuali”. Nelle femmine questa coppia è formata da due cromosomi “X”, mentre nei maschi la coppia è formata da un cromosoma “X” e da uno “Y”. CARIOTIPO Con il termine cariotipo si indica, la costituzione del patrimonio cromosomico di una specie dal punto di vista morfologico. L'analisi del cariotipo è una rappresentazione ordinata del corredo cromosomico di un individuo

43 RIBOSOMI I ribosomi sono particelle compatte, costituite da ribonucleoproteine, più o meno ancorate al versante esterno delle membrane del reticolo endoplasmatico oppure possono trovarsi libere nel citoplasma. Formano i poliribosomi Sono presenti in tutte le cellule procariotiche ed eucariotiche. Assicurano la sintesi delle proteine assemblando gli aminoacidi in una sequenza predeterminata. Essi sono indispensabili per questi processi, dato che è solo nello spazio compreso tra le due subunità ribosomiali che le interazioni tra mRNA, tRNA e aminoacidi possono aver luogo, in modo da consentire la precisa disposizione spaziale degli aminoacidi nel formare la proteina, la cui sequenza è codificata a livello della sequenza nucleotidica dell’mRNA. Il DNA fornisce le informazioni necessarie alla sistemazione di un aminoacido in posizione corretta nel concatenamento polipeptidico, ma l’acido nucleico si trova nel nucleo, mentre la sintesi proteica avviene nel citoplasma con l’intervento dei ribosomi che associano gli aminoacidi tra loro. È dunque indispensabile che l’informazione genetica si trasferisca dal nucleo al ribosoma. Tale trasferimento avviene grazie a una molecola di mRNA che funge da messaggero. Le informazioni contenute nel DNA vengono trascritte sotto forma di RNA. La trascrizione è la sintesi di una copia complementare di un filamento di DNA sotto forma di una molecola di mRNA, che porta l’informazione genetica del DNA. Il ribosoma ha come funzione essenziale quella di leggere il messaggio proveniente dal DNA e di tradurlo, e la traduzione consiste nella sintesi di proteine. L’informazione genetica è sotto forma di codice, un codice genetico, basato sul fatto che ogni filamento di acido desossiribonucleico è costituito da sequenze di adenina, citosina, guanina e timina (A, C, G, T).

44 MITOCONDRI Forma generalmente allungata (reniforme ) Presenti nel citoplasma di tutte le cellule animali a metabolismo aerobico Organelli addetti alla respirazione cellulare È delimitato da una doppia membrana: quella esterna permette il passaggio di piccole molecole, quella interna è selettivamente permeabile e ripiegata in estroflessioni chiamate creste mitocondriali che ne aumentano la superficie. Questo permette di disporre di un numero maggiore di complessi di ATP sintetasi e di fornire pertanto maggiore energia.Le due membrane identificano due differenti regioni: lo spazio intermembrana cioè quello interposto tra la la membrana esterna e quella interna, e la matrice, spazio circoscritto dalla membrana interna. E’ la centrale energetica della cellula: infatti esso ricava energia, dalle sostanze di nutrimento attraverso il processo denominato respirazione cellulare. L'energia ricavata viene accumulata “dentro a molecole”, di rifornimento che costituiscono la valuta energetica" della cellula. La respirazione cellulare è il meccanismo attraverso cui la cellula, in presenza di ossigeno, è in grado di ricavare energia utilizzabile nei processi vitali dai legami chimici dei substrati che internalizza.

45 Sono organelli mobili e tendono a localizzarsi nei siti di massima richiesta energetica. Il loro numero nelle cellule è molto variabile: le cellule epatiche contengono circa 2000 mitocondri, mentre le cellule inattive ne contengono molto pochi DNA mitocondriale: e’sotto forma di molecole circolari, non legate a proteine, agganciate alla membrana delle creste mitocondriali. Il genoma mitocondriale comprende: 1)Geni per gli mRNA dei mitocondri 2)Geni per 25 tRNA 3)Geni per una proteina della subunità ribosomiale maggiore

46 Glicolisi Ciclo diKrebs Fosforilazione ossidativa

47 CELLULA VEGETALE PARETE CELLULARE CLOROPLASTO parete cellulare costituita da cellulosa, un polimero la cui unità elementare è il glucosio, proteine ed, a seguito di modificazioni, da lignina plasmodesmi, canali nella parete cellulare grazie ai quali le cellule della pianta sono in comunicazione fra loro. plastidi, e specialmente i cloroplasti che, grazie alla clorofilla permettono alle cellule vegetali di produrre monomeri di zucchero (glucosio) e ossigeno a partire dalla CO2 sfruttando l‘ energia solare, detto processo viene definito come fotosintesi clorofilliana. vacuoli (non organuli ma cavità endocellulari, avvolti da una membrana, detta tonoplasto) che occupano gran parte della cellula e la cui funzione principale è quella di mantenere il turgore cellulare. Sono implicati nel controllo del passaggio di molecole dalla linfa al citosol, nel mantenimento del pH ottimale del citosol, e svolgono funzioni di riserva di varie sostanze.

48 Il cloroplasto è un tipo di organulo presente nelle cellule delle piante e nelle alghe eucariotiche. All’interno di questi organuli si svolge il processo della fotosintesi: l’energia luminosa viene catturata dai pigmenti di clorofilla e viene convertita in energia chimica (ATP e NADPH). I cloroplasti si presentano generalmente come dischi piatti. Sono delimitati da due membrane; la membrana esterna è permeabile per la maggior parte delle molecole, mentre quella interna è decisamente più selettiva ed è attraversata da proteine di trasporto specifiche. I due doppi strati lipidici sono separati da uno spazio intermembrana. Il fluido interno al cloroplasto è chiamato stroma: esso contiene molti enzimi coinvolti nel metabolismo dell’organulo, granuli di amido, il DNA circolare e i ribosomi. I ribosomi del cloroplasto sono del tutto simili a quelli presenti nei batteri. La presenza di un genoma e dei ribosomi consentono all’organello di sintetizzare alcune delle proteine che gli sono necessarie, ma non tutte: molte proteine del cloroplasto sono codificate da geni presenti nel nucleo della cellula, tradotte nel citoplasma e poi indirizzate al cloroplasto. All’interno dello stroma si trovano le membrane tilacoidali o tilacoidi, dove avvengono le prime fasi della fotosintesi. Lo spazio interno ai tilacoidi si chiama lumen. CLOROPLASTO


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