Organismi, respirazione cellulare e fotosintesi

Che cos'è la diffusione e osmosi?

Diffusione semplice: in natura, molecole e ioni passano spontaneamente da una regione in cui c’è maggiore concentrazione in una in cui ce ne di meno: questo processo viene chiamato diffusione semplice. Il gradiente di concentrazione si crea quando due zone con diversa concentrazione sono vicine. Quindi se le molecole vanno dalla regione con concentrazione maggiore a quella con concentrazione minore la diffusione avviene secondo gradiente; in caso contrario si dice che avviene contro gradiente.

Osmosi: l’osmosi è un caso particolare di diffusione che avviene con la diffusione dell’acqua tramite una membrana semi-permeabile dovuta alla differenza di concentrazione di soluti. Avviene secondo gradiente.

Soluzioni cellulari

Soluzioni ipertoniche, ipotoniche e isotoniche: a seconda di dove si trova immersa una cellula abbiamo diversi tipi di soluzioni:

-se una cellula è immersa in una soluzione ipotonica(concentrazione dei soluti minore rispetto all’interno) l’acqua entra per osmosi, la cellula gonfia e poi scoppia.

-se una cellula è immersa in una soluzione ipertonica(concentrazione maggiore dei soluti rispetto all’interno) può disidratarsi e raggiungere la morte.

Tipi di trasporto

Trasporto passivo e trasporto attivo: il trasporto passivo avviene quando le molecole si spostano dalla membrana spontaneamente, senza usare energia. Il trasporto attivo avviene utilizzando l’energia immagazzinata nella cellula.

Trasporto passivo

Trasporto passivo: avviene senza consumare energia. Per esempio la diffusione e l’osmosi si verificano spontaneamente. Infatti alcune molecole si muovono attraverso la membrana secondo gradiente e senza consumo di energia ma con una velocità maggiore di quella che ci aspetterebbe per diffusione semplice. Queste molecole utilizzano un meccanismo di trasporto passivo detto diffusione facilitata che funziona grazie a particolari proteine presenti nella membrana.

Trasporto attivo

Trasporto attivo: avviene con il consumo di energia. Anche qui abbiamo delle proteine di trasporto presenti nella membrana. L’azione di esse viene paragonata ad una pompa, chiamata pompa sodio-potassio, perché costringe ioni o molecole a spostarsi in una direzione opposta in cui andrebbero spontaneamente. L’energia necessaria per compiere questo spostamento viene chiamata ATP.

Trasporti eccezionali

Trasporti eccezionali: quando la cellula deve introdurre o espellere grosse particelle utilizza due processi, chiamati rispettivamente endocitosi e esocitosi; essi coinvolgono le vescicole di trasporto, piccoli involucri che possono muoversi nel citoplasma trasportando le sostanze verso l’interno o esterno della cellula. L’endocitosi a sua volta si divide in fagocitosi(sostanze voluminose)e pinocitosi(sostanze liquide e disciolte).

Energia chimica e ATP

Tutti gli esseri viventi hanno bisogno di energia chimica chiamata ATP(adenosintrifosfato).
Organismi autotrofi ed eterotrofi: L’energia utilizzata da tutti gli organismi per i processi vitali è l’energia chimica che si libera dalla rottura dei legami chimici fra gli atomi che formano particolari molecole organiche. Gli organismi autotrofi, sono in grado di catturare l’energia del sole e trasformarla in combustibile organico attraverso un processo chiamato fotosintesi. Gli organismi eterotrofi si nutrono di altri organismi.

Molecola di energia: ATP

Una molecola che immagazzina energia: Per liberare ed utilizzare l’energia contenuta nel legami chimici, tutti gli organismi devono spezzarli: questo processo viene chiamato respirazione cellulare. L’energia che deriva dalla respirazione cellulare non si sprigiona tutta la volta ma viene immagazzinata tramite ATP.

L’ATP è un nucleotide formato da una base azotata, zucchero e tre gruppi di fosfato.

L’energia è contenuta soprattutto nei legami tra i gruppi fosfato; quando si rompe questo legame viene liberata una grande quantità di energia.

L’ADP si forma quando vi è un distacco di un gruppo fosfato, che ha un contenuto di energia chimica inferiore a quello dell’ATP. Per far ritornare l’ADP in ATP si deve fornire energia.

Metabolismo e reazioni chimiche

Il metabolismo e l’energia: L’insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono all’interno del nostro corpo viene chiamato metabolismo. Le reazioni possono essere di due tipi anaboliche e cataboliche: quando l’organismo sintetizza piccole molecole in grandi molecole si parla di anabolismo; quando organismo demolisce grandi molecole in piccole molecole si parla di catabolismo.

Tutte le reazioni chimiche che avvengono all’interno della cellula comportano variazioni di energia. Si possono, infatti, distinguere in reazioni endoergoniche(sintetizza tramite una forza esterna. Fotosintesi) o esoergoniche(produce energia. Fermentazione) a seconda che le sostanze di partenza abbiano un contenuto energetico maggiore o minore dei prodotti.

Ruolo degli enzimi

Gli enzimi regolano l’attività cellulare: perché una reazione abbia inizio è necessaria un’energia di attivazione, ovvero un’energia minima perché la reazione possa essere innescata. A innescarla sono gli enzimi, speciali proteine che possono velocizzare una reazione. Gli enzimi sono anche catalizzatori biologici. L’azione degli enzimi è indispensabile per la vita perché altrimenti molte reazioni non potrebbero accadere, o altrimenti in tempi più lunghi.

Funzionamento degli enzimi

Come agiscono gli enzimi: gli enzimi sono in grado di legarsi alle molecole di reagenti che in questo caso vengono chiamati substrati. Ogni enzima possiede un sito attivo che rende possibile il legame con il substrato. L’unione tra il sito attivo è il substrato causa una deformazione che ne facilita la rottura e costituisce nuovi legami. Gli enzimi sono altamente specifici: ognuno di essi può catalizzare solo una particolare reazione.

Che cos'è la respirazione cellulare:La respirazione cellulare è un processo di completa demolizione del glucosio che avviene per liberare energia. Il glucosio è uno zucchero a sei atomi che proviene dalla demolizione dei polisaccaridi e disaccaridi.

Per ricavare energia dal glucosio le cellule rompono i legami che tengono uniti i 6 atomi di carbonio e utilizzano l’energia liberata per produrre molecole di ATP.

(Glucosio+ossigeno=diossido di carbonio+acqua+energia|C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O+energia)

Demolizione del glucosio

La demolizione del glucosio: La demolizione del glucosio avviene in 3 fasi che sono: Glicolisi, Ciclo di Krebs e la Catena di trasporto degli Elettroni o fosforilazione ossidativa.

- La Glicolisi è il processo di demolizione parziale della molecola di glucosio.

Avviene nel citoplasma in assenza di ossigeno, alla fine si ottengono 9 reazioni chimiche dove alla fine si otterranno:

2 molecole di acido piruvico;

2 molecole di NADH;

2 molecole di ATP(che in realtà sono 4 ma le altre 2 vengono utilizzate per trasformare il glucosio in fruttosio-1-6-difosfato)

- Il Ciclo di Krebs è la seconda fase della Respirazione Cellulare che avviene nella matrice mitocondriale in presenza di ossigeno. Consiste in una serie di reazioni chimiche di forma ciclica. La molecola di partenza è il piruvato, prodotto durante la Glicolisi che viene demolito con la formazione di tre molecole di diossido di carbonio e nel frattempo vengono prodotte molecole di NADH, FADH e ATP.

- La fosforilazione ossidativa è l’ultima fase della respirazione cellulare che avviene nella membrana interna dei mitocondri in presenza di ossigeno. Quest’ultima fase viene generata dall’ossidazione del piruvato e dal ciclo di Krebs che producono NADH e FADH. Durante questo processo il NADH e FADH, si ossidano cedendo elettroni ad una catena di trasporto che così creano un potenziale elettrico chiamato forza pronomotrice che catalizza la sintesi di ATP.

Bilancio energetico del glucosio

Un bilancio attivo: La demolizione netta del glucosio consente di ottenere energia pari a 36-38 molecole di ATP.
Quando manca l’ossigeno: In assenza di ossigeno le cellule ottengono il necessario rifornimento di energia grazie un processo detto fermentazione.

• Fermentazione lattica: il piruvato entra nel ciclo di Krebs e si forma un composto chiamato acido lattico che perdendo un protone diventa uno ione lattato.

• Fermentazione alcolica: il piruvato viene demolito in alcol etilico e diossido di carbonio.

Fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi clorofilliana è un insieme di reazioni che permette di catturare la luce solare e utilizzarla per trasformare diossido di carbonio e acqua in glucosio e ossigeno.

Come sappiamo gli organismi si dividono in autotrofi ed eterotrofi. Gli organismi autotrofi sono proprio quelli che svolgono questo processo. Essi convertono l'energia solare in energia chimica tramite due molecole che come abbiamo detto sono anidride carbonica e acqua che insieme producono zuccheri. La fotosintesi si divide in due processi che sono: fase luminosa(le reazioni sono dipendenti dalla luce) e fase oscura(le reazioni sono indipendenti dalla luce).

Queste reazioni avvengono nel Cloroplasto. Un fotone luminoso attraversa la membrana del cloroplasto e arriva alla clorofilla, e da lì iniziano i diversi cicli, compreso il Ciclo di Kalvin Benson. Il NADP+ si accoppia alle vie metaboliche della fotosintesi, come il NAD+ si accoppia a quelle della respirazione cellulare.

Pigmenti fotosintetici

I Pigmenti: L’energia luminosa viene assorbita da più pigmenti con un diverso spettro di assorbimento. I pigmenti sono molecole che assorbono alcune lunghezze d'onda nello spettro del visibile. Vengono impiegati due tipi di pigmenti:

• le clorofille[a(P700) e b(P680)] che assorbono nel blu e nel rosso;

• i pigmenti accessori(carotenoidi, xantoffilla, fucoxantina) che assorbono rispettivamente arancione, blu-verde e color bruno.

Struttura del cloroplasto

Il Cloroplasto: La clorofilla è un pigmento che si trova immerso nella membrana dei tilacoidi. Ha una struttura ad anello e al centro possiede nel suo guscio elettronico più esterno 2 elettroni.
La fase luminosa: La fase luminosa avviene sulla membrana dei tilacoidi dove la clorofilla è organizzata in fotosistemi. Il sistema antenna di un fotosistema assorbe l’energia luminosa e la trasmette al suo centro di reazione dove viene convertita in energia chimica. I centri di reazione del fotosistema I e del fotosistema II sono molecole di clorofilla a con differenti picchi di assorbimento, dove il fotosistema I ha più energia del fotosistema II. Al termine della fase luminosa:

• L’energia della luce solare è stata trasformata in energia chimica dell’ATP;

• Le molecole d’acqua sono state scisse;

• L’ossigeno proveniente dall’acqua è stato liberato nell’atmosfera sotto forma di ossigeno molecolare.

Fase oscura della fotosintesi

La fase oscura: È la seconda fase che può avvenire sia in presenza che in assenza di ossigeno, nel Cloroplasto.

In questa fase vengono prodotti zuccheri tramite dei cicli come quello di Calvin Benson; viene attivata dal RUBP(ribulosio di fosfato) e tale processo si svolge nello stroma, utilizzando il carbonio del CO2 e l'energia contenuta nell’ATP e negli elettroni del NADPH, per produrre uno zucchero a 3 atomi di carbonio, la griceraldeide-3-fosfato (G3P). In base alle necessità, la cellula può utilizzare la G3P per produrre grassi, glucosio o altre molecole organiche.

NB: il rubisco(ribulosio difosfato carbossilasi-ossigenasi) è l'enzima più abbondante sulla Terra, infatti è al 50% presente nel nostro pianeta. Esso serve per la fissazione del carbonio.

NB: Che differenza c'è tra la “fotofosforilazione ossidativa” e la “fosforilazione ossidativa”?

Tutt'e due le fasi producono ATP. Però nella fotofosforilazione ossidativa l'energia la danno i fotoni luminosi mentre nella fosforilazione ossidativa l'energia viene data dalla catena di trasporto degli elettroni.