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Scambio di materiale interno/esterno

Trasporto passivo

Avviene secondo gradiente di concentrazione, da maggiore a minore, e non richiede energia.

Trasporto attivo

Avviene contro gradiente, da concentrazione minore a maggiore. Richiede energia, fornita dall'idrolisi dell’ATP.

Diffusione semplice

È un tipo di trasporto passivo.

Osmosi

È un caso particolare di diffusione che consiste nel passaggio di acqua attraverso la membrana semipermeabile che separa due soluzioni a diversa concentrazione: l’acqua passa spontaneamente dalla soluzione più diluita (ipotonica) a quella più concentrata (ipertonica).

La pressione che occorre applicare alla soluzione più concentrata affinché il passaggio del solvente non avvenga è detta pressione osmotica.

Soluzione isotonica al plasma = NaCl 0,9%

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica può essere attraversata solo da:

• Piccole molecole non polari (O₂ e CO₂)
• Piccole molecole polari neutre, come H₂O e urea.

Ioni e grosse molecole polari possono entrare solo con proteine di trasporto.

Trasporto tramite proteine di membrana

Le proteine operano secondo due meccanismi fondamentali:

• Diffusione facilitata → Proteine di trasporto secondo gradiente.
• Trasporto attivo → Proteine di membrana (pompe) contro gradiente, utilizzano l’energia ottenuta dall’idrolisi dell’ATP.

In tutte le cellule si hanno diverse concentrazioni di ioni ai due lati della membrana, che determina una differenza di potenziale elettrico uguale a -70mV (interno è negativo e esterno è positivo). Questa differenza è detta potenziale di membrana o potenziale di riposo.

Lo sodio è 10 volte più concentrato all’esterno della cellula. Lo ione potassio è 30 volte più concentrato all’interno. La pompa sodio-potassio è la proteina che regola e trasporta i due ioni contro gradiente: 3 ioni Na⁺ all’esterno ogni 2 K⁺ all’interno. Anche lo ione Ca²⁺ è più concentrato all’esterno, come il sodio ed è regolato dalla pompa Ca²⁺ (calcio ATP-asi). Ha un ruolo importante nella contrazione muscolare.

Comunicazione tra cellule

Cellule vegetali

Le cellule vegetali a stretto contatto comunicano attraverso i plasmodesmi.

Cellule animali

Le cellule animali che formano un tessuto non sono mai in diretto contatto, ma esiste sempre uno spazio, anche se molto sottile.

Desmosoma (giunzioni ancoranti): si trova nel tessuto epiteliale e garantisce resistenza.

Giunzioni occludenti: sono presenti negli organi cavi come l’intestino, sigillano gli spazi intercellulari per impedire il passaggio di materiale.

Giunzioni comunicanti: presentano dei canali che permettono lo scambio di ioni/piccole molecole.

Metabolismo

L’insieme delle reazioni di degradazione di molecole complesse in più semplici è il catabolismo. L’insieme delle reazioni di sintesi di composti semplici è l’anabolismo. Le reazioni cataboliche liberano energia, sono esoergoniche. Le reazioni anaboliche richiedono energia, sono endoergoniche —> riduzione.

L’energia in questione è l’ATP: adenina (nucleoside) + 3 gruppi fosfato + zucchero pentoso. I legami P₁-P₂ e P₂-P₃ richiedono molta energia per formarsi e ne liberano altrettanta nella rottura. L’ATP si ottiene per condensazione a partire da ADP + P. La reazione di sintesi dell’ATP è endoergonica e richiede circa 7 kcal/mol. ADP + Pi + energia ATP + H₂O ↔

L’ATP è coinvolta nelle reazioni di ossidoriduzione dove chi si ossida perde elettroni e chi si riduce li prende. Spesso, quando una sostanza si riduce, entra ione H⁺. Le reazioni di idrogenazione → riduzioni. Le reazioni di deidrogenazione → ossidazioni.

Le sostanze organiche, come il glucosio, sono in uno stato ridotto e hanno un alto contenuto di energia. Nel corso delle reazioni cataboliche vengono demolite a sostanze più semplici; durante questo processo subiscono un’ossidazione e cedono elettroni, liberando energia.

Trasportatori di potere riducente

Sono dei coenzimi. Nelle cellule sono presenti alcuni composti che possono acquistare o cedere elettroni (e ioni H⁺) e fungono da trasportatori di “potere riducente” (cioè di elettroni).

• NAD⁺ può ridursi a NADH
• FAD può ridursi a FADH₂
• NADP⁺ può ridursi a NADPH + H⁺

Enzimi

Sono proteine a funzione catalitica che aumentano la velocità delle reazioni senza parteciparvi direttamente e senza essere consumati. Le sostanze che si legano a un enzima sono dette substrati. Il substrato si lega all’enzima in un punto specifico detto sito attivo. Ogni enzima è altamente specifico, può catalizzare una sola reazione. Molti enzimi richiedono temperature e pH precisi. I nomi terminano solitamente in -asi.

Catabolismo del glucosio

La cellula ricava energia tramite la graduale ossidazione di sostanze organiche (cioè una combustione controllata di sostanze). La principale fonte di energia è la demolizione del glucosio (C₆H₁₂O₆). È un processo che può procedere fino all’ossidazione completa con produzione di CO₂ o arrestarsi a livelli intermedi.

La prima fase dell’ossidazione è rappresentata dalla glicolisi, in cui il glucosio viene demolito a piruvato (acido piruvico). [La glicolisi avviene in qualunque cellula, anche batterica] nel citoplasma. La glicolisi comprende 9 reazioni che avvengono nel citoplasma. Nel corso di questa via una molecola di glucosio (6C) viene trasformata in 2 piruvati (3C), liberando energia. L’energia liberata viene sfruttata per produrre 2 ATP e 2 NADH.

C₆H₁₂O₆ + 2ATP + NAD⁺ → 2C₃H₄O₃ + 2ATP + 2NADH

In presenza di ossigeno il piruvato viene ossidato e demolito totalmente, con produzione di CO₂ e H₂O, nella respirazione cellulare. Questo processo ha luogo nei mitocondri e viene diviso in:

• Decarbossilazione ossidativa del piruvato: Il privato entra nel mitocondrio e perde una molecola di CO₂ e allo stesso tempo viene ossidata. Il privato si trasforma in un gruppo acetile (2C) che si lega a un composto chiamato coenzima-A (CoA). Si forma così AcetilCoA, che entra nel ciclo di Krebs, e una molecola di NADH.
• Ciclo di Krebs: È una serie di reazioni in cui il gruppo acetile (2C) si lega all’acido ossoalcetico (4C) formando una molecola di acido citrico (6C). Ogni “giro completo” porta alla formazione di 1 ATP + 3 NADH + FADH₂. La glicolisi e il ciclo di Krebs non richiedono ossigeno, necessario però per l’ultima fase.
• Catena respiratoria: È una catena di trasporto degli elettroni in cui l’energia contenuta nel NADH e nel FADH₂, formati nella glicolisi e nel ciclo di Krebs, viene utilizzata per produrre ATP. Ossidazione NADH → 3 ATP. Ossidazione FADH₂ → 2 ATP. In questa catena i citocromi fungono da trasportatori. È fondamentale la presenza di ossigeno perché è l’accettore finale e produce H₂O.

Glicolisi → 2 ATP

Respirazione → 36 ATP

In totale nella demolizione del glucosio → 38 ATP

La cellula può ottenere energia per produrre ATP anche da molecole diverse dal glucosio, con la seguente priorità: carboidrati → lipidi → proteine. Queste sostanze vengono convertite in glucosio per poi entrare nella glicolisi o nel ciclo di Krebs.

In assenza di ossigeno le cellule ricorrono alla fermentazione, processo che avviene nel citoplasma, in cui il piruvato prodotto dalla glicolisi viene ridotto dal NADH (che si ossida a NAD⁺) e convertito in:

• Acido lattico nella fermentazione lattica
• Etanolo (alcol etilico) + CO₂ nella fermentazione alcolica.

In questi processi continui di regolazione del metabolismo, la coordinazione è garantita anche dagli enzimi allosterici, che sono in grado di legarsi a molecole diverse dai substrati, fungendo da attivatori/inibitori di enzimi. Molti farmaci devono la loro azione alla capacità di inibire specifici enzimi. Le penicilline inibiscono la transpeptidasi, enzima batterico coinvolto nella formazione della parete cellulare.

Il bilancio totale della demolizione del glucosio è:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 686 kcal/mol

Fotosintesi

È una via anabolica (endoergonica, richiede energia) → riduzione. L’energia luminosa viene sfruttata per l’organizzazione del carbonio, cioè per trasformare CO₂ (composto inorganico) in glucosio (composto organico). Per compiere la fotosintesi, i vegetali assorbono CO₂ e H₂O per produrre glucosio e O₂.

6CO₂ + 6H₂O + 686 kcal/mol → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

La formula è l’esatto contrario di quella della demolizione ossidativa (aerobica) del glucosio. Negli eucarioti la fotosintesi avviene nei cloroplasti → organuli semiautonomi dotati di due membrane nel cui interno vi sono tilacoidi, che raccolti in pile formano la grana. L’energia luminosa viene catturata dai pigmenti clorofilla e carotenoidi.

Fase luminosa

Avviene nei tilacoidi. La luce catturata dalla clorofilla viene trasformata in ATP e NADPH.

Fase oscura

Comprende una serie di reazioni dette ciclo di Calvin, che si svolge nello stroma. L’ATP e il NADPH vengono utilizzati per ridurre CO₂ e produrre glucosio. Per fissare una molecola di CO₂ sono necessarie 3 molecole di ATP e 2 di NADPH. Per produrre una molecola di glucosio occorrono dunque 18 ATP e 12 NADPH. Sono dunque necessari 6 giri per fissare una molecola di glucosio.

Ciclo cellulare

Negli organismi pluricellulari alcune cellule (come i neuroni o i globuli rossi) una volta raggiunta la maturità, perdono la capacità di dividersi; la maggior parte, però, si divide. Il ciclo cellulare è costituito da 4 fasi:

• G1: momento di accrescimento e produzione di nuovi organelli
• S: si ha replicazione del DNA
• G2: la cellula continua a crescere, in vista delle successive divisioni
• M: mitosi/meiosi

[G1 + S + G2 = interfase]

La durata del ciclo cellulare di un mammifero è compresa tra le 18 e le 24 ore, nei lieviti tra le 2-3 ore. Le cellule che non si dividono rimangono bloccate nella fase G1, come nel caso dei neuroni.

Morte cellulare

• Necrosi: morte a causa di un processo patologico
• Apoptosi: morte programmata delle cellule

Per innescare i cambiamenti che portano alla fase S e quelli che danno il via alla mitosi è fondamentale il ruolo delle CdK (chinasi). Le CdK per fosforilazione → attivano una proteina (enzima) → avviene la reazione.

Le CdK non sono sempre attive, ma a loro volta vengono attivate dalle cicline. Nelle cellule tumorali il meccanismo di regolazione è interrotto e la crescita avviene in modo incontrollato. Questo può essere dovuto all’eccesso di cicline o di cicline anomale. (La mitosi può essere indotta anche da fattori esterni come ormoni o fattori di crescita.)

Cromosoma eucariote

Complesso DNA + proteine = cromatina. Le proteine più abbondanti sono gli istoni, piccole proteine cariche positivamente (basiche), che si legano al DNA, carico negativamente. Il DNA si avvolge attorno a 8 gruppi di istoni, formando i nucleosomi, le unità di base della cromatina. La quantità di DNA è identica in tutte le cellule di una specie, ma varia enormemente a seconda della specie.

Ogni cromosoma umano è una molecola di DNA, che sarebbe lunga 3/4 cm. Con 46 cromosomi la lunghezza totale sarebbe di 2 m, che si riducono a 200 µm quando i cromosomi raggiungono il massimo grado di condensazione.

Mitosi

All’inizio, i cromosomi che durante l’interfase sono desacralizzati, si condensano. Il DNA si è duplicato nella fase S e ogni cromosoma è quindi formato da due filamenti di DNA identici, chiamati cromatidi fratelli. Questi sono uniti in una regione chiamata centromero, mentre le estremità sono dette telomeri.

Profase

Il DNA si spiralizza e si condensa. I due centrosomi (contenenti la coppia di centrioli) migrano verso i lati opposti della cellula dando forma al fuso mitotico. Dai centrioli si diramano corti microtubuli → aster.

Metafase

I cromosomi si allineano sul piano equatoriale dopo aver aderito alle fibre del fuso tramite i cinetocori.

Anafase

I due cromatidi fratelli di ogni cromosoma si separano, grazie all’accorciamento delle fibre del fuso mitotico.

Telofase

Il fuso gradualmente scompare e i cromatidi, diventati i nuovi cromosomi, si despiralizzano e si riforma di nuovo il nucleo, riassumendo la forma dell’interfase. Seguirà la citodieresi, che porterà alla formazione di 2 cellule figlie; nelle piante il citoplasma viene diviso da un diaframma, la piastra cellulare.

Riproduzione asessuata

(agamica o vegetativa) Gli organismi a riproduzione asessuata la prole ha origine da un unico individuo, senza l’intervento e la fusione (fecondazione) di cellule specializzate per la riproduzione. La prole risulta identica alla madre. Può interessare organismi uni/pluricellulari e può avvenire per:

• Scissione binaria → (nei procarioti) la cellula si divide in due.
• Gemmazione → (unicellulari ed eucarioti) consiste in una mitosi seguita da una divisione ineguale del citoplasma. La nuova cellula più piccola crescerà poi successivamente.
• Sporulazione → è la formazione di spore, tipico dei funghi, che generano un nuovo individuo quando l’ambiente diventa favorevole.

A differenza della riproduzione asessuata, la riproduzione sessuata consente di ottenere un aumento della variabilità genetica. Questa può avvenire attraverso l’alternarsi della meiosi, che consente di produrre i gameti, e della fecondazione, nella quale i gameti si uniscono. Infine, la partenogenesi è un tipo di riproduzione che richiede la formazione dei gameti ma non la loro fusione: l’individuo avrà origine da una cellula uovo non fecondata (vedi invertebrati/rettili).

Meiosi

Nelle gonadi sono contenute cellule specializzate diploidi (2n): i gametociti. Questi vanno incontro a meiosi dando origine a gameti aploidi (n). Avvengono due divisioni cellulari, che a partire da una cellula diploide ne genera 4 aploidi. Le due divisioni (meiosi I e II) sono simili alla mitosi, ma solo nella prima c’è replicazione del DNA. I due prodotti della prima divisione non sono uguali tra loro perché per ciascun tipo di cromosoma hanno ereditato uno la copia materna, l’altro quella paterna. Per ogni coppia, la distribuzione dei due omologhi nelle cellule figlie è casuale e indipendente da quella degli altri cromosomi: ogni cellula figlia può ricevere con uguale probabilità il cromosoma materno/paterno. Tra la 1a e la 2a divisione meiotica può esserci un breve riposo (interchinesi) o la meiosi II può subito seguire la I. Quindi la prima divisione meiotica è riduzionale, la seconda equazionale.

Crossing over

Durante la profase I della meiosi, i cromatidi di due cromosomi omologhi possono subire il crossing-over, cioè rompersi in punti esattamente corrispondenti, scambiandosi dei segmenti. Il punto di scambio è detto chiasma. Avviene solo tra due cromatidi non fratelli di una coppia di omologhi e non tra cromatidi fratelli di uno stesso cromosoma. Si formano 4 cellule aploidi con 4 cromosomi diversi. Più è alta la frequenza di ricombinazione più i geni sono lontani.

Mutazioni

Mutazioni cromosomiche

Le mutazioni interessano un singolo cromosoma.

Mutazioni genomiche

Le mutazioni sono delle alterazioni del numero di cromosomi. Un esempio di mutazione genomica è l’aneuploidia → perdita o acquisto di cromosomi. Questo tipo di mutazione è dovuta ad una non disgiunzione di due cromosomi omologhi in meiosi I o di due cromatidi fratelli in meiosi II; il risultato sono dei gameti anormali: di 4 gameti prodotti 2 sono con 2 copie di un cromosoma e 2 ne sono privi.

Sindrome di Down (trisomia 21): 3 copie del cromosoma 21

Sindrome di Turner: femmine con un cromosoma in meno (X0 - 45)

Sindrome di Klinefelter: maschi XXY

Malattie genetiche

Legate al sesso

Sono malattie provocate da geni sui cromosomi sessuali:

• Emofilia → anomalia del meccanismo di coagulazione del sangue (recessiva - cromosoma X)
• Daltonismo → alterazione delle strutture fotosensibili della retina che incide sulla capacità di distinguere il rosso dal verde (recessiva legata al cromosoma X).

Autosomiche

Dovute a geni localizzati sugli autosomi, i 22 cromosomi.

• Albinismo → incapacità di sintetizzare melanina
• Fenilchetonuria → ritardo mentale per assenza di un enzima
• Fibrosi cistica → proteina coinvolta nel trasporto di cloro e sodio che causa la secrezione di muco denso e viscido, con ostruzione dei dotti ghiandolari.

Gruppi sanguigni

Il sistema AB0 considera la presenza o l’assenza degli antigeni A e B sui globuli rossi e di anticorpi contro antigeni A e B nel plasma.

Un individuo di gruppo AB è accettore universale. Un individuo di gruppo 0 è donatore universale ma può ricevere sangue solo da gruppo 0. La presenza di antigeni sui globuli rossi è data dal sistema di tre alleli I_A, I_B, I₀.