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La cellula

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Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino Gli esseri viventi sono suddivisi, secondo la tassonomia attuale, in due Domini: Eukaryota e Prokaryota. Quest'ultimo include al suo interno i due regni Archaea e Bacteria, anche conosciuti come Archeabatteri ed Eubatteri. Si tratta di microrganismi unicellulari, solitari o coloniari, privi di membrane endocellulari. Tutti gli altri organismi (protisti, funghi, animali, vegetali) sono composti da cellule eucariote. BIOLOGIA LA CELLULA PROCARIOTA 1. DNA nel citoplasma, nella regione del nucleoide 2. Nucleolo assente 3. Un solo cromosoma circolare 4. Organuli cellulari: ribosomi (70s) 5. Citoscheletro assente 6. Parete cellulare presente 7. Divisione cellulare: scissione binaria 8. Metabolismo anaerobico o aerobico 9. Presentano flagelli e ciglia 10. Alcuni protisti presentano i vacuoli Bacteria Cyanobacteria 11. Capsula: rivestimento presente in alcuni procarioti, protegge ulteriormente la superficie della cellula. Proteobacteria Planctomyces Bacteroides Cytophaga Thermotoga Aquifex Green Filamentous Spirochetes bacteria Archaea Gram positives Methanobacterium Halophiles Methanococcus T. celer Methanosarcina Thermoproteus Pyrodicticum Entamoebae 2. Nucleolo presente Myxomycota Eucarya EUCARIOTA 1. DNA contenuto nel nucleo 3. Molti cromosomi lineari Animalia Fungi Plantae Ciliates Flagellates Trichomonads Microsporidia Diplomonads 4. Organuli cellulari: mitocondri, reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi, lisosomi, ribosomi (80s), perossisomi, cloroplasti (nei vegetali) 5. Citoscheletro presente 6. Parete cellulare assente nelle cellule animali; presente nelle cellule vegetali 7. Divisione cellulare: mitosi o meiosi 8. Metabolismo aerobico 9. Alcune cellule presentano il flagello e le ciglia 10. Solo le cellule vegetali presentano il vacuolo centrale 11. Capsula non presente Capsula Parete cellulare Membrana plasmatica Citoplasma. Ribosomi Plasmide Pili Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino Flagello Nucleoide La cellula eucariota Flagello Non nelle Lisosoma plante Centriolo Perossisoma Microtubull- Citoscheletro Filamenti intermedi Microfilamenti RER PLASMALEMMA: sinonimo di membrana plasmatica. REL 200 CH₂ Dimensioni: 1-10 μm Dimensioni: 10-100 μm Le cellule eucariote sono quindi mediamente 10 volte più grandi delle cellule procariote. Glossario: Nudleg NUCLEOIDE (sinonimo di area nucleare): nelle cellule...

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Didascalia alternativa:

procariote identifica la regione di forma irregolare in cui è presente il materiale genetico. PROTOPLASMA: tutto ciò che è contenuto nella membrana cellulare. IALOPLASMA (sinonimo di citoplasma) porzione della cellula delimitata dalla membrana plasmatica e comprendente organuli cellulari, matrice citoplasmatica e citoscheletro. DI SEGUITO, LE COSE PIÙ IMPORTANTI DA SAPERE 0 CH, Membrana nucleare Pori nucleari Nucleoplasma Cromatina Nucleolo H₂C-O Ribosomi Apparato del Golgi Membrana plasmatica Mitocondrio Membrana plasmatica • Doppio strato di fosfolipidi + proteine (60%) + carboidrati (10%, formano i glicolipidi e le glicoproteine). Importante la presenza del colesterolo. Le teste dei fosfolipidi, presentando gruppi fosfato che le rendono polari. Le code dei fosfolipidi sono costituite da acidi grassi che possono avere una differente lunghezza e una diversa quantità di doppi legami (saturi, monoinsaturi, polinsaturi) O Fosfolipide Mosaico fluido: la membrana non è una struttura rigida, infatti lo strato dei fosfolipidi presenta fluidità e quindi le proteine all'interno si possono muovere. La fluidità dipende da: ✓ Lunghezza della coda di acidi grassi. ✓ Numero di insaturazioni (doppi legami C-C) nelle catene di acidi grassi (code) dei fosfolipidi. Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino ✔ Quantità di colesterolo presente in membrana: esso ne aumenta la fluidità alle basse temperature. Permeabilità selettiva: all'interno del doppio strato fosfolipidico l'ambiente è idrofobo e quindi passano facilmente attraverso la membrana solo molecole idrofobe non polari. Asimmetria: lo strato interno e lo strato esterno della membrana sono differenti sia come composizione lipidica che come composizione proteica. Giunzioni cellulari ● Giunzioni occludenti: le membrane di cellule adiacenti aderiscono in modo molto stretto impedendo il passaggio di fluidi. Dove? Epiteli di rivestimento (cute) e epiteli intestinali. Ricorda: tight junctions Giunzioni aderenti: forte adesione. Ricorda: desmosomi ed emidesmosomi molecole di integrina filamenti di cheratina membrana plasmatica basale della cellula epiteliale lamina basale Cell A Groups. of tight junction proteins Monomero . Giunzioni comunicanti: consentono il connessina passaggio di molecole tra le cellule adiacenti. Membrane cellulari EMIDESMOSOMI: ancoraggio alla matrice extracellulare, all'interno della cellula sono collegati ai filamenti intermedi. Spazio intercellulare DESMOSOMI: giunzioni tra cellule adiacenti, saldano i rispettivi citoscheletri, in particolare i filamenti intermedi. Connessone 000000000 ૮૮૮૮ ૯૯ Plasma membrane Membrana plasmatica. Desmogleine e desmocolline Spazio da 2-4 nm Canale idrofilo Cell B Tonofilamenti (filamenti intermedi) Tight junctions Extracellular space Chiuso Placche (desmoplachine I e II) Aperto Citoscheletro Componente dinamica le cui strutture sono in continuo assemblaggio/disassemblaggio. Filamenti intermedi: irrobustiscono la cellula, permettendo di resistere alle resistenze meccaniche. Si trovano per esempio a livello della lamina nucleare. ● Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino • Microfilamenti: sono polimeri di actina formati da due filamenti di monomeri di actina che si avvolgono a formare una struttura elicoidale. Si trovano per esempio: nella formazione di spine dendritiche nei neuroni e nei microvilli degli enterociti. Microtubuli: sono cilindri cavi costituiti da dimeri di A-ßtubulina. Intervengono per esempio durante la divisione cellulare e la segregazione dei cromosomi (formano i centrioli), nel trasporto di organelli cellulari e nel trasporto di sostanze mediante vescicole. ● ● 25 nm 25 nm Immagine per: filamenti intermedi, microtubuli, microfilamenti Trasporto passivo Diffusione: le molecole passano spontaneamente da una regione a concentrazione maggiore ad una regione a concentrazione minore. Questo tipo di trasporto non richiede energia (ATP). Esempi: attraverso la membrana plasmatica possono passare liberamente piccole molecole idrofobe come glicerolo, urea, etanolo e ammoniaca, e le molecole di H₂O e i gas come O2, CO2, N2 che sono molecole polari piccole. 25 mm ● Diffusione facilitata: molecole polari di grandi dimensioni possono passare attraverso la membrana plasmatica solo tramite proteine di trasporto presenti sulla membrana. Sono presenti due diverse classi di proteine che mediano il trasporto facilitato. 1) CARRIERS: una volta legato il soluto subiscono un cambiamento conformazionale che consente il trasporto nel citosol e il conseguente rilascio del soluto. 2) CANALI: mettono direttamente in comunicazione l'ambiente esterno con l'ambiente interno. Sono estremamente selettivi, quindi può passare solo un determinato ione. La selettività dipende da: diametro del canale forma del canale composizione amminoacidica del canale Il trasporto attraverso i canali può avvenire in tre diverse modalità: o Uniporto: viene trasportato un solo tipo di soluto. o Simporto: vengono trasportati due soluti diversi nella stessa direzione; per esempio canali sodio/glucosio. o Antiporto: vengono trasportati due diversi soluti in direzioni opposte. Per esempio canali sodio/calcio. Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino Ricorda acquaporine: proteine canale di trasporto dell'acqua. A livello renale, per esempio, la loro espressione favorisce l'assorbimento dell'acqua. Trasporto attivo Permette il passaggio di una sostanza attraverso una membrana con dispendio di energia, in quanto le molecole si spostano contro gradiente, cioè da zone in cui sono più diluite (= meno concentrate) verso zone in cui sono più concentrate. Esempio pompa sodio-potassio: consuma 1 ATP per spostare 3 Na+ all'esterno e 2 K+ verso l'ambiente intracellulare. I trasportatori ABC (ATP binding cassettes) trasportano contro gradiente glucidi, amminoacidi e ioni. Il legame dell'ATP al trasportatore permette il cambio conformazionale della proteina che permette il trasporto del soluto. Esempio: sono particolarmente espresse nelle cellule tumorali resistenti alla chemioterapia, la loro espressione consente di esportare il chemioterapico rendendole quindi resistenti alla terapia. Osmosi Processo spontaneo in cui avviene un flusso di solvente attraverso una membrana semipermeabile dal compartimento con potenziale idrico maggiore (=soluti meno concentrati) al compartimento con potenziale idrico minore (=soluti più concentrati). Endocitosi ● FAGOCITOSI: Una cellula avvolge una particella mediante estroflessioni della membrana chiamate pseudopodi. Si forma un fagosoma, che successivamente si fonde con un lisosoma, i cui enzimi digeriscono la particella. PINOCITOSI: la cellula ingloba goccioline di liquido in minuscole vescicole. ● ENDOCITOSI mediata da recettori: processo specifico. I recettori legano la molecola, la membrana si introflette, formando poi una vescicola che trasporta nel citoplasma le molecole inglobate. Esempio: prelievo del colesterolo dal sangue. Parete cellulare ● Presente in: cellule vegetali, nella maggior parte dei procarioti, assente nelle cellule animali. • Composizione: Vegetali: cellulosa. Funghi: chitina. Batteri: peptidoglicani. Conferisce rigidità e resistenza permettendo di mantenere la forma e il turgore alla cellula. ● In alcuni batteri è coinvolta nei meccanismi di patogenesi. Organuli cellulari ORGANULO Nucleo Nucleolo (non racchiuso da membrana) Reticolo Endoplasmatico Liscio Reticolo Endoplasmatico Rugoso Apparato del Golgi Mitocondrio Perossisoma Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino Lisosoma Ribosoma Nucleo FUNZIONI Contiene il DNA ed è il sito dove avviene la trascrizione del DNA in mRNA Trascrizione e maturazione rRNA Assemblaggio ribosomi Sintesi di fosfolipidi, glicolipidi, colesterolo Sintesi proteica Maturazione e ripiegamento delle proteine Smistamento delle proteine Sintesi di glicolipidi e sfingomielina Generazione di energia: ciclo di Krebs, fosforilazione ossidativa B-ossidazione: ossidazione di acidi grassi Reazioni ossidative: formazione H₂O₂, B-ossidazione Detossificazione H₂O₂ Sede della digestione intracellulare Sintesi proteica Solo nelle cellule eucariote ● Cromatina: DNA + proteine. Se la cellula si divide il DNA è sotto forma di CROMOSOMI (condensati) Involucro nucleare: avvolge il nucleo, è formato da una doppia membrana e presenta pori. • NUCLEOLO: è una regione del nucleo che contiene RNA ribosomiali, non presenta una membrana. endoplasmic reticulum DNA nucleolus nucleus Reticolo endoplasmatico liscio • Strutture tubulari prive di ribosomi (non presentano organizzazione lamellare). ● Sintesi lipidi (in tutte le cellule). ● Cellule endocrine: sintesi ormoni steroidei. ● Epatociti: metabolismo glicogeno e metabolizzazione dei farmaci. ● Cellule muscolari: reticolo sarcoplasmatico. Immagazzina ioni calcio, per la contrazione muscolare. Reticolo endoplasmatico rugoso ● Strutture tubulari rivestite da numerosi ribosomi ● Ribosomi associati partecipano alla sintesi di proteine. È composto al 70% da proteine Le proteine sintetizzate vengono inserite nella membrana del reticolo o sono destinate ad altri organuli o destinate ad essere escrete. Apparato di Golgi ● ● ● Formato da cisterne appiattite, vescicole di trasporto e granuli di secrezione. Accoglie le vescicole prodotte dal reticolo sarcoplasmatico rugoso. Polarità: faccia cis che riceve le vescicole dal reticolo e faccia trans da cui si staccano le vescicole che possono avere destino diverso. Le vescicole passando attraverso le cisterne subiscono delle modifiche, per poi passare o in membrana o essere escreti dalla cellula, o essere trasferiti ad altri organuli. Per esempio: l'insulina che subisce la proteolisi prima di essere escreta. ● ● • • Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino Sintesi di polisaccaridi e sintesi di lipidi. Vengono apportate alle proteine diverse modificazioni post-traduzionali importanti per le loro funzioni Mitocondri ● Delimitati da due membrane, ognuna composta da un doppio strato fosfolipidico. MEMBRANA INTERNA: ripiegata, si formano ripiegamenti detti CRESTE. ● Inserite nella membrana interna ci sono le proteine coinvolte nei processi di respirazione cellulare ● Contengono piccole molecole circolari di DNA. ● E' coinvolto nell' innesco dell'apoptosi. ● Ruolo nella termogenesi, la termogenina è situata nei mitocondri del tessuto adiposo bruno. Essa disperde il gradiente protonico, disaccoppiando la catena respiratoria e producendo calore. • Ipotesi endosimbiosi: i mitocondri derivano da piccoli procarioti che sono stati inglobati all'interno di cellule più grandi che avevano perso la parete e quindi erano diventate in grado di fagocitare. Perossisoma ● Coinvolti nella detossificazione delle specie reattive dell'ossigeno. ● Coinvolti nel catabolismo di acidi grassi a catena lunga (ß ossidazione). Ribosomi ● Presenti sia nei procarioti che nelle cellule eucariote. ● Poliribosomi: complessi di mRNA e ribosomi. Possono essere liberi o associati al reticolo endoplasmatico/ involucro nucleare. ● Quelli associati al RER sintetizzano proteine diverse per funzione e localizzazione rispetto a quelli liberi. ● Derivano dall'RNA ribosomiale. • 2 subunità di diverse dimensioni, capaci di assemblarsi autonomamente Lisosomi • Contengono enzimi digestivi, l'ambiente all'interno è acido. ● La funzione è quella di riciclaggio componenti (organuli) danneggiati. Centriolo Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino ● Strutture cava formata da triplette di microtubuli. ● Si trovano in coppia, formano il centrosoma. Fondamentali nel formare il fuso mitotico. ● Nella profase si separano, migrando ai poli opposti della cellula. Ciglia e flagelli • ● Formati da microtubuli avvolti da un'estroflessione della membrana plasmatica. Configurazione: 9 coppie di microtubuli disposte ad anello, intorno a una coppia centrale (9+2). • Corpo basale: struttura di ancoraggio, è il punto di partenza per l'assemblaggio dei microtubuli. ● I flagelli sono più lunghi e generalmente meno numerosi, uno per cellula. Per esempio negli eucarioti: cellule spermatiche. Movimento: la proteina motrice, dineina forma delle braccia attaccate ai microtubuli. Utilizzando ATP, le braccia di dineina si agganciano a quelle di una struttura adiacente ed esercitano trazione. ● Le ciglia (per esempio nella trachea) servono anche per allontanare il muco contenente particelle estranee. Cloroplasti ● Sede della fotosintesi clorofilliana nelle cellule vegetali. ● Delimitati da 2 membrane, una esterna e l'altra interna. La membrana interna forma dei ripiegamenti a forma di cisterna appiattita chiamati tilacoidi, che delimitano un lume il lume tilacoidale. Più tilacoidi si trovano impilati a formare grani di tilacoidi. Nello stroma ci sono piccole molecole di DNA circolare, i ribosomi e molti enzimi coinvolti nella fotosintesi. • A livello dei grani si trovano i complessi fotosintetici che servono per catturare l'energia luminosa. Vacuoli ● Strutture a sacco, delimitate da una membrana. ● Presenti nei procarioti e nelle cellule vegetali. ● Vacuolo centrale: regola il turgore della cellula assorbendo o eliminando acqua. • Immagazzina sostanze chimiche vitali o prodotti di rifiuto dannosi. Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino Introduzione ai batteri I batteri furono tra le prime forme di vita ad apparire sulla Terra e sono attualmente presenti nella maggior parte dei suoi habitat come simbionti, parassiti, o cellule libere. Ci sono circa 5 x 10 30 batteri sulla Terra, e formano una biomassa che supera quella di tutte le piante e animali. BATTERI E VIRUS Nell'uomo e nella maggior parte degli animali esiste un grandissimo numero di batteri nell'intestino e sulla pelle. La stragrande maggioranza di essi è resa innocua dagli effetti protettivi del sistema immunitario. Sebbene molti siano benefici, in particolare nella flora intestinale, diverse specie di batteri sono patogene e causano malattie infettive come il colera e la lebbra. Sono nella maggior parte dei casi molto piccoli e variano nell'ordine dei um da pochi a centinaia (in casi particolari). Capsula Parete cellulare. Membrana plasmatica Citoplasma, Struttura della cellula batterica Ribosomi Plasmide Pill Flagello Nucleoide I batteri possiedono una serie di membrane stratificate: La membrana citoplasmatica La parete cellulare La capsula o membrana esterna Il primo strato attorno al citoplasma è la membrana citoplasmatica, con una struttura a mosaico fluido (doppio strato fosfolipidico con proteine e carboidrati di membrana) simile a quella della cellula eucariotica. È una membrana semipermeabile selettiva, accessibile solamente a molecole piccole o attraversabile tramite specifiche proteine (canali e trasportatori). Il secondo strato è rappresentato dalla parete cellulare, che conferisce forma, rigidità e protezione da alcuni agenti esterni. In assenza di essa i batteri morirebbero in seguito a disidratazione o esplosione a causa dell'ingresso eccessivo di acqua. La parete dei batteri è costituita da un polimero detto peptidoglicano (PGL). Sulla superficie di alcuni batteri è possibile trovare strutture filiformi di natura proteica: Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino Fimbrie: consentono di aderire alle superfici Pili: coinvolti nella coniugazione (pili sessuali) e nella ricezione di virus Flagelli: appendici lunghe a struttura elicoidale utilizzate per il movimento Batteri Gram positivi e Gram negativi I batteri sono spesso, per facilità, suddivisi tramite una metodologia nota come colorazione di Gram, un esame svolto in laboratorio che da regione della classificazione dei batteri in due grandi gruppi: GRAM positivi e GRAM negativi. Tale tecnica si basa sulla differente tonalità che assume la parete cellulare in seguito a colorazione con un colorante basico; la quantità di quest'ultimo trattenuto è proporzionale alla quantità di peptidoglicano presente nella parete. La parete dei batteri Gram + è costituita per lo più da peptidoglicano, quella dei batteri Gram- è molto sottile ed è rivestita da una ulteriore membrana esterna, la capsula.. La capsula consiste in uno strato di polisaccaridi che può o meno rivestire i batteri Gram + e Gram -. Riproduzione I batteri si riproducono esclusivamente in maniera asessuata per scissione binaria mediante la quale da una cellula madre si ottengono due cellule figlie esattamente identiche (a meno di variazioni genetiche). Il processo di moltiplicazione prevede diverse fasi: 1. generazione del segnale riproduttivo; 2. duplicazione del materiale genetico; 3. segregazione, o distribuzione del DNA in zone differenti; 4. citodieresi, formazione di nuova membrana per la scissione. DNA Spieghiamo i punti 2 e 3. scissione binaria La cellula batterica si allunga e il DNA (il singolo cromosoma batterico) si replica. 2 La cellula inizia a dividersi, con distribuzione di una molecola di DNA in ciascuna cellula neoformata. Le due cellule figlie possiedono molecole di DNA identiche. Genetica batterica I batteri non possiedono un nucleo, il loro materiale genetico è organizzato in un solo cromosoma di forma circolare. Ciò che garantisce successo evolutivo alle popolazioni batteriche è la velocità con cui avvengono le variazioni del loro DNA e tale processo può avvenire in molti modi differenti: 1. attraverso mutazioni casuali causate da errori nei processi di replicazione 2. tramite l'acquisizione di nuovi frammenti di DNA all'interno della cellula 3. attraverso la trasposizione. 2) Quando un nuovo frammento di DNA entra in un batterio, può verificarsi un evento di ricombinazione. Quest'ultimo può accadere tramite tre diversi meccanismi: trasformazione, trasduzione e coniugazione. 2.1) Trasformazione: processo in cui un frammento di DNA libero (disperso nell'ambiente da una cellula morta) viene incorporato da una cellula batterica, che prende il nome di ricevente, e si ricombina con il cromosoma già presente. -Op 2.2) Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino ● Trasduzione: meccanismo di trasferimento del DNA da un un batterio a un altro ad opera di un virus batteriofago. Comprende il ciclo litico ossia il "ciclo vitale" di un virus. 2.3) Il virus inietta il DNA che contiene nel capside fagico in un batterio Avviene il ciclo litico tramite cui la cellula batterica infettata diventa una strumento per la replicazione virale. Frammenti del DNA del batterio infettato vengono incorporati dai capsidi dei virus generati 1. 4. Bacterial DNA 2. 5. Viral DNA I nuovi virus infettano altri batteri trasferendo tali frammenti e causando ricombinazione genetica Coniugazione: trasferimento di una parte di DNA tramite il contatto cellula-cellula da un batterio donatore a un batterio ricevente. Il primo sviluppa per tale processo il pilo sessuale, un ponte che mette in comunicazione i due organismi e tramite cui verranno trasferito il DNA del plasmide. In aggiunta al cromosoma principale, molti batteri ospitano altri segmenti di materiale genetico più piccoli chiamati plasmidi. sono in grado di replicarsi indipendentemente dal cromosoma principale sono liberi nel citoplasma ● non contengono geni essenziali alla vita dell'ospite, bensì codificano per proprietà caratteristiche e specifiche possono essere trasferiti da una cellula all'altra durante la scissione binaria oppure durante un processo chiamato coniugazione, una funzione codificata dai plasmidi stessi. 3. mmm 5 6. I principali sono: O plasmidi R (o fattori di resistenza) conferiscono resistenza agli antibiotici O plasmidi F (fattori di fertilità) rendono possibile la coniugazione 2 S L Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino 3) L'ultimo processo è quello della trasposizione. Alcuni frammenti genetici, chiamati trasposoni sono in grado di spostarsi all'interno del genoma in altri punti o in altri cromosomi (i batteri ne hanno uno). I geni possono essere duplicati e trasposti oppure solamente spostati. In seguito alla trasposizione si può avere l'inattivazione funzionale di un gene, nel caso in cui il trasposone si inserisca in questo gene, o la modificazione dei livelli di espressione di un gene, nel caso in cui il trasposone si inserisca nel promotore del gene. Tale meccanismo di ricombinazione sito-specifica è considerato alla base dell'enorme varietà di anticorpi prodotta dal sistema immunitario Metabolismo Tutte le cellule batteriche richiedono carbonio come nutriente. In base a come viene procurato quest'ultimo si dividono in batteri autotrofi: sono in grado di produrre C organico a partire da sostanze inorganiche (ad esempio CO₂); batteri eterotrofi: utilizzano il carbonio organico prodotto da altri organismi (es.batteri simbionti). A seconda di come viene ricavata l'energia per fissare il carbonio i batteri si suddividono in Fototrofi: utilizzano la luce come fonte energetica per produrre ATP e C organico Chemiolitotrofi: ricavano energia dall'ossidazione di composti inorganici I batteri inoltre sono, insieme agli archea, gli unici organismi in grado di fissare azoto atmosferico (N₂) e quindi di trasformarlo in ammoniaca. Tra i ruoli più importanti dei batteri c'è quello della decomposizione. Endospore Alcune specie batteriche sono in grado di produrre una particolare forma di resistenza endocitoplasmatica che gli permette di far fronte a condizioni molto sfavorevoli e di non perdere la possibilità di moltiplicarsi. Le endospore infatti possono sopportare forti stress, come temperature estreme, disidratazione etc.. Le endospore possono rimanere quiescenti anche per anni, per poi attivarsi in condizioni migliori e dare vita a un batterio. Introduzione ai virus Un virus (dal latino "veleno") è un'entità biologica con caratteristiche di parassita obbligato, in quanto si replica esclusivamente all'interno delle cellule di organismi viventi. Non essendo una forma di vita e non essendo fatti di cellule i virus non hanno un'organizzazione cellulare bensì macromolecolare. I virus non sono capaci di svolgere attività biosintetiche o metaboliche autonomamente e per questo si trovano al confine tra esseri viventi e non. sono molto piccoli (20-300 nm) e possono infettare tutte le forme di vita, dagli animali, alle piante, ai microrganismi (come i batteri) e anche altri virus. Struttura del virus Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino posseggono un piccolo genoma costituito da DNA o RNA; ● tutti posseggono, quando si trovano all'esterno della cellula ospite, una copertura proteica (capside) che protegge questi geni; possono avere un rivestimento esterno lipidico da cui sporgono delle proteine di superficie, fondamentali per il legame con le cellule e l'immunità; alcuni posseggono strutture molecolari specializzate ad iniettare il genoma virale nella cellula ospite. ● ● In natura esistono virus formati solo da acidi nucleici e capside, e per questo chiamati "virus nudi". Vi sono poi altre particelle virali che presentano oltre al capside una membrana più esterna chiamata pericapside, che deriva dalla membrana plasmatica della cellula ospite. Essi vengono chiamati "virus rivestiti". Rivestimento lipoproteico DNA o RNA Capside (involucro proteico) Glicoproteine di membrana La replicazione virale L'infezione di una cellula da parte di un virus segue diverse tappe: 1) ATTACCO: è la fase di adesione alla cellula ospite, è affidata all'interazione tra molecole del capside (anti-recettori) e recettori della cellula bersaglio 2) INGRESSO: segue l'attaccamento, i virioni entrano nella cellula ospite mediante endocitosi mediata da recettori o attraverso la fusione delle membrane del virus e della cellula. I batteriofagi non entrano direttamente nella cellula ma tramite particolari appendici e enzimi bucano la membrana e rilasciano il DNA 3) UNCOATING: processo in cui il capside virale viene rimosso e viene liberato l'acido nucleico genomico virale. 4) REPLICAZIONE: moltiplicazione del genoma, sintesi proteica virale, montaggio delle proteine virali 5) ASSEMBLAGGIO: dopo l'auto-assemblaggio struttura-mediato delle particelle virali, alcune modifiche delle proteine si verificano spesso. 6) RILASCIO fuoriuscita dalla cellula ospite per lisi, un processo che uccide la cellula rompendo la sua membrana e la parete cellulare, se presenti: questo avviene in molti batteri e in alcuni virus animali. Alcuni virus subiscono un ciclo lisogeno in cui il genoma virale appena entrato nella cellula ospite è integrato mediante la ricombinazione genetica in un luogo specifico dei cromosomi dell'ospite. Il genoma virale prende il nome di "provirus" o "profago" Ogni volta che l'ospite si divide, anche il genoma virale viene replicato. Il genoma virale rimane silente fino a quando il provirus o profago possono dar luogo al virus attivo, che può lisare le cellule ospiti. Vengono rilasciati nuovi fagi e può iniziare un nuovo ciclo litico. Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino Vengono assemblati nuovi fagi. Un enzima virale produce la lisi del batterio La cellula ospite trascrive e traduce i DNA viral producendo proteine viral. CICLO LITICO " fago si lega al batterio. II DNA ospite viena digarito. Vengono prodotti nuovi DNA viral usando il meccanismo riproduttivo dell'ospite. Il DNA del fago entra nella cellula ospite. DNA del fago si integra nel cromosoma batterico e diventa un protago non infettivo. Profago Oo Il cromosoma batterico con il protago integrato si replica. Questo fenomeno si può ripetere per molte divisioni cellulari. CICLO LISOGENO BIOENERGETICA 10 In rari casi il profago si può separare dal cromosoma e dare inizio ad un ciclo litico. Metabolismo cellulare Il metabolismo cellulare è l'insieme di reazioni di trasformazione della materia e dell'energia che si svolgono all'interno della cellula. ANABOLISMO: reazioni di sintesi dei componenti cellulari (amminoacidi, acidi nucleici, acidi grassi, ecc) a partire da composti semplici: processo endoergonico (richiede energia). CATABOLISMO: reazioni di degradazione delle molecole complesse in sostanze più semplici: processo esoergonico (libera energia). Respirazione Cellulare 2 CO2 Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino Malato Matrice: Decarbossilazione ossidativa 2 Acetile 2 Acetil-CoA 2CoA Ossalacetato Fumarato C6H12O6 Succinato Glicolisi 2 Piruvato EUCARIOTI Esterna al mitocondrio Glicolisi Fermentazione Interna al mitocondrio Membrana interna: Ciclo di Krebs Citrato ↓ 4 CO₂ Succinil-CoA Aconitato Chetoglutarato Catena di trasporto degli elettroni Ciclo dell'acido citrico Ossidazione del piruvato -2 NADH -2 NADH Isocitrato (2 ATP -6 NADH- -2 FADH₂ → ATP 6⁰₂ I LOSFORILANTONE OSSIDATIVA ATENA RESPIRATORLA 6 H₂O Si usa il termine respirazione in senso microscopico per riferirsi ai processi molecolari che implicano consumo di O₂ e formazione di CO₂ da parte della cellula. Il risultato netto dell'intero processo è di 38 ATP. La respirazione cellulare aerobica può essere schematicamente riassunta in tre stadi principali: glicolisi, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa. Il primo stadio avviene nel citopla na, gli ultimi due nei mitocondri (Il ciclo di Krebs nella matrice, la fosforilazione ossidativa a livello della membrana interna). 11 PROCARIOTI Nel citoplasma Glicolisi 4 ATP 6 ATP 18 ATP 4 ATP Fermentazione Ciclo dell'acido citrico Sulla membrana plasmatica Ossidazione del piruvato Catena di trasporto degli elettroni Glicolisi (citoplasma di procarioti e di eucarioti) Gli organismi utilizzano la glicolisi per fornire i precursori delle vie metaboliche aerobiche (ciclo dell'acido citrico) o come sorgenti di energia a breve termine quando l'ossigeno è presente in quantità limitanti. • negli animali un costante rifornimento di glucosio è fondamentale per tessuti come cervello e globuli rossi che usano il glucosio quasi come unica fonte di energia metabolica; Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino • microorganismi, piante ed animali compiono le 10 reazioni della glicolisi in modo simile (velocità singole reazioni e modalità di regolazione variano da specie a specie). Gli enzimi della glicolisi sono localizzati nel citoplasma della cellula, dove sono anche trattenuti tutti i metaboliti intermedi perché, essendo in forma fosforilata, non possono superare la membrana cellulare. Si verifica in due fasi: glucosio + 2ADP + 2Pi + 2NAD* 2piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H+ 1. reazioni 1-5: investimento energetico, in cui si consumano 2 molecole di ATP e il glucosio è scisso in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato 2. reazioni 6-10: recupero energetico, in due molecole di ● cui le gliceraldeide-3-fosfato vengono convertite in due molecole di piruvato. Qui si formano 4 molecole di ATP. ● 2 ADP- ATP ATP ADP Glucosio 6-fosfato Gliceraldeide 3-fosfato 2 NAD+ 2 NADH + 2 H+ 2 ADP Glucosio ↓ Fruttosio 6-fosfato Fruttosio 1,6-bisfosfato 1,3-bisfosfoglicerato (2) Diidrossiacetone fosfato 3-fosfoglicerato (2) 2-fosfoglicerato (2) 2 ADP. Fosfoenolpiruvato (2) Piruvato (2) N.B.: la gluconeogenesi è una via anabolica in cui dal piruvato è prodotto glucosio. Tranne che per tre tappe irreversibili, si può considerare una glicolisi a ritroso. La resa netta della glicolisi porta alla formazione di 2 MOLECOLE DI ATP. Alcune precisazioni: ● Prima fase della scissione del glucosio: processo anaerobico (non richiede O₂) Il glucosio viene scisso in 2 molecole, più semplici e più povere di energia, di piruvato (acido piruvico): CH₁₂O. (glucosio) → 2 CH,COCOOH (acido piruvico) + 4 H . L'energia liberata durante la glicolisi è momentaneamente trattenuta dal coenzima NAD, che diventa NADH+H Durante la glicolisi si formano: 4 molecole di ATP (ma solo 2 molecole di guadagno netto poiché due sono consumate per far avvenire il processo), 2 di NADH e 2 di acido piruvico. L'acido piruvico, prima di entrare nel ciclo di Krebs, deve ossidarsi e legarsi al coenzima A. Così diviene acetil-CoA e può entrare nel ciclo. Fermentazione (reazione anaerobia) In condizioni di anaerobiosi (carenza di ossigeno), come ad esempio nel muscolo sotto sforzo o nell'eritrocita che è privo di mitocondri, la successiva trasformazione da piruvato a lattato (fermentazione lattica, propria dei procarioti) o ad alcool etilico (fermentazione alcolica dei lieviti) costituisce il normale destino metabolico del glucosio. +20P 2 ATP GLICOLISI Glucosio (C₂H₁2O) Coo C=0 ! CH₂ 2 Piruvato Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino HICIOH CH₂ 2 Acido lattico FERMENTAZIONE coo 2 NAD NADH+2 H NADH+2 H ▶2 NAD+ Fermentazione lattica ● L'acido piruvico, prima di entrare nel ciclo di Krebs, deve ossidarsi e legarsi al coenzima A. Così diviene acetil-CoA e può entrare nel ciclo. (8) Dehydrogenation L'energia prodotta dal ciclo è immagazzinata nei coenzimi NAD e FAD, che diventano 3 NADH e 1 FADH₂ HO–CH Malate 7 Hydration H₂0 Fermentazione alcolica malate Ç00 dehydro- genase gruppo acetilico si distacca dal coenzima A e si combina con l'ossalacetato: si forma acido citrico. Alla fine della serie di 8 çoo reazioni, il gruppo acetilico Fumarate CH risulta HC ossidato in 2 molecole di CO₂ con 6 formazione di CH₂-COO- nuovo Dehydrogenation ossalacetato. CH₂ 1/ COO coo fumarase La fermentazione non comporta alcuna produzione ulteriore di ATP rispetto alla glicolisi; permette solo di riossidare NADH, prodotto attraverso la glicolisi, ripristinando così la scorta cellulare di NAD+ necessaria allo svolgimento della glicolisi. Ciclo di krebs o dell'acido citrico (matrice mitocondriale) 0=C-COO CH₂-COO Oxaloacetate Succinate FADH succinate dehydrogenase CH₂ coo CoA-SH Acetyl-CoA GTP (ATP) Substrate-level phosphorylation +20P. succinyl-CoA synthetase citrate synthase Figure 16-7 Lehninger Principles of Biochemistry, Fifth Edition ©2008 W. H. Freeman and Company GLICOLISI Glucosio (C₂H₁₂O) CH₂-C-S-COA H₂0 FERMENTAZIONE NADH COO c=0 CH₂ 2 Piruvato 2 Acetaldeide CH₂-COO™ CH₂ GDP C-S-COA (ADP) + P₂ CH,OH CH₂ 2 Alcol etilico Citric acid cycle Succinyl-CoA 2 NAD 1 Condensation CoA-SH ▶2 NAD+ (NADH+2 H CO₂ 2 CO₂ NADH+2 H CoA-SH CH₂-COO™ HOC–COO (2a) CH₂-COO Dehydration Citrate H₂O aconitase CH₂-COO™ -coo -coo Fosforilazione ossidativa (membrana interna mitocondriale) aconitase a-ketoglutarate dehydrogenase complex CH₂-COO™ isocitrate dehydrogenase coo CH₂ C=O coo HO-C-H Oxidative decarboxylation H-C-COO CH₂-COO cis-Aconitate CO₂ Hydration Isocitrate Oxidative decarboxylation a-ketoglutarate ● I coenzimi (NADH e FADH2) che hanno accettato elettroni durante la glicolisi, nella conversione dell'acido piruvico in acetil-CoA e nel ciclo di Krebs, ora li cedono al primo anello di una catena di composti trasportatori di elettroni (complessi I, II, III e IV). Gli elettroni trasportatori hanno, inizialmente, un contenuto energetico relativamente alto e perdono una certa quantità di energia ad ogni anello della catena alla fine della quale si trova ossigeno libero che funge da accettore degli elettroni. • L'ossigeno si combina con gli elettroni provenienti dalla catena dei trasportatori e con gli ioni idrogeno che sono prodotti nelle reazioni riduttive, formando acqua. Durante il trasporto degli elettroni, i complessi I, III e IV pompano H+ dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana, generando un gradiente elettrochimico. Sulla membrana mitocondriale c'è una pompa ATPasi che sfrutta la forza protonmotrice per sintetizzare ATP a partire da ADP e ortofosfato. . Ogni volta che una coppia di elettroni si sposta lungo la catena dei trasportatori si formano 3 molecole di ATP da ADP e fosfato. rotenone amytal FMN, Fe-S NADH NAD +H+ NADH deidrogenasi (complesso I) Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino 1000 Fe-S II Citoplasma molecola di glucosio GLICOLISI FADH₂ FAD UQ 00000000 antimicina A degli elettroni 09 2 NADH 2 molecole di acido piruvico +2 ATP Dalla fosforilazione a livello di substrato cit. b/c1, Fe-S Trasportatore di membrana III 00 2 NADH 2 Acetil COA citocromo riduttasi succinato deidrogenasi (complesso II) (complesso III) (complesso IV) 109 2 NADH (o 2 FADH₂) Resa massima per molecola di glucosio cit. c CICLO DI KREBS cianuro azide La resa energetica complessiva per il metabolismo di una molecola di glucosio è dunque 38 ATP (2 dalla glicolisi, 2 dal ciclo di Krebs e 34 dalla fosforilazione ossidativa). Circa 38 ATP 8-0 CO +2 ATP Dalla fosforilazione a livello di substrato cit. a/a3. Cu 1/2 0₂ +2H+ IV H₂O citocromo ossidasi membrana esterna roo 09 6 NADH 2 FADH₂ spazio intermembrana membrana interna Mitocondrio ●●●●●●●● matrice FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA (Catena di trasporto e chemiosmosi) +circa 34 ATP Dalla fosforilazione ossidativa Fotosintesi clorofilliana La fotosintesi clorofilliana è un insieme di reazioni compiuta da vegetali e alcuni procarioti attraverso cui viene catturata l'energia solare e viene convertita in energia chimica (glucosio) secondo la reazione: ● Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino 6CO₂ + 6H₂O + energia solare → C6H₁2O6 + 60₂ • Negli eucarioti avviene all'interno dei cloroplasti, di solito presenti nelle parti verdi delle piante, mentre nei procarioti si svolge sulla membrana plasmatica Il processo fotosintetico si divide in: fase luminosa (nei tilacoidi, trasforma luce in ATP e NADPH) e fase oscura/ciclo di Calvin (nello stroma, utilizza ATP e NADPH per produrre glucosio e CO₂). Per produrre una molecola di glucosio sono necessari 6 cicli di Calvin: occorrono, dunque, 18 ATP e 12 NADPH. Ressions Pa indipendent Fotoeterotrofi Categorie nutrizionali LACK (alcuni batteri) KO Chemioautotrofi (alcuni batteri) ATP 00, Gra Fotoautotrofi (alcuni batteri, alcuni eucarioti) Luce TRASPORTO DEGLI ELETTRONI 80 Cloroplast Luce CICLO OF CALVIN Fonti di energia COLD DEL NADPH MO Chemioeterotrofi (presenti in tutti e tre i domini) Composti organici Fonti di carbonio Anidride carbonica Composti organici Sostanze inorganiche Anidride carbonica Composti organici Enzimi Obiettivo Studenti - Precorsi 2022 -Torino Affinché una reazione avvenga, è necessario superare una soglia energetica, detta energia di attivazione, abbassata grazie a delle sostanze chiamate catalizzatori. ● I catalizzatori aumentano la velocità della reazione e, in alcuni casi, la rendono possibile; al termine della reazione, essi si ritrovano invariati. Gli enzimi sono proteine che fungono da catalizzatori nelle reazioni biologiche e sono caratterizzati da elevata specificità. ● Il nome degli enzimi origina dalla loro funzione specifica e spesso ha il suffisso -asi. ● In una reazione enzimatica, i reagenti sono chiamati substrati e si legano al sito attivo dell'enzima. ● Fattori che influenzano gli enzimi: pH (ogni enzima ha un pH ottimale per il suo funzionamento) e temperatura (la maggior parte degli enzimi, essendo proteine, si denatura sopra una certa temperatura). energia reagenti in assenza dell'enzima in presenza del enzima energia di attivazione in presenza dell'enzima coordinate di reazione energia di attivazione in assenza dell'enzima energia complessiva rilasciata durante la reazione prodotti