La cellula al lavoro: ATP, scissione binaria e plasmidi nei batteri

L'ATP: il nucleotide che trasporta energia

ZANICHELLIPremessa: l'ATP, il nucleotide che trasporta energia Nelle cellule sono presenti anche altri nucleotidi oltre a quelli contenuti nel DNA e nell'RNA. Il più importante tra questi è l'adenosintrifosfato (ATP). Contiene adenina, ribosio e tre gruppi fosfato. I legami tra i gruppi fosfato contengono una buona quantità di energia e sono facili da rompere. All'occorrenza si può staccare facilmente un gruppo fosfato, liberando energia utile per la cellula. Adenina Adenina P Gruppi fosfato La reazione di idrolisi libera un gruppo fosfato dalla molecola di ATP, trasformandola in ADP: la rottura del legame libera energia, utilizzabile per svolgere altre reazioni. Legami ad alta energia Ribosio (zucchero) Ribosio (zucchero) ENERGIA ATP + H20 ADP ZANICHELLI Gruppo fosfato liberato Gruppi fosfatoLa reazione è però reversibile: la cellula recupera e attacca il fosfato rigenerando ATP. Per ricostruire l'ATP la cellula ricava energia dalla degradazione dei nutrienti. L'ATP è come una "pila ricaricabile".

1. L'ATP contiene energia, indicata dall'alone verde. ATP ENERGIA
2. Liberando un gruppo fosfato, l'ATP libera energia.
3. ADP + P L'energia proveniente dai nutrienti permette di legare un gruppo fosfato all'ADP, riformando ATP.

ZANICHELLIL'ATP è ricavata dalla degradazione del glucosio attraverso due processi: la glicolisi e la respirazione cellulare. C6H1206 + 602 -> 6CO2 + 6H2O + Energia REAGENTI PRODOTTI + + + Energia Zucchero Ossigeno Diossido di carbonio Acqua ADP+P -> ATP

La glicolisi

ZANICHELLILa glicolisi

• Ha sede nel citoplasma
• È un processo ANAEROBICO
• trasforma il glucosio in 2 molecole di piruvato e produce, come guadagno energetico immediato, 2 ATP. Molecola intermedia, pronta per la degradazione

1 2 ENERGIA SPESA ENERGIA RICAVATA ATP (2) ATP (4) NADH (2) Glucosio Acqua 2 molecole di piruvato ENERGIA SPESA -2 ATP ENERGIA RICAVATA +4 ATP +2 NADH La glicolisi si svolge nel citoplasma delle cellule e trasforma la molecola di glucosio in due molecole di piruvato con un guadagno netto di 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH ad alto contenuto energetico.

La respirazione cellulare

ZANICHELLILa respirazione cellulare

• ha sede nei mitocondri
• E' un processo AEROBICO (avviene in presenza di ossigeno)
• trasforma il piruvato in CO2 ricavando 32 molecole di ATP FUNZIONI DEL MITOCONDRIO . Sono le centraline energetiche della cellula. · Producono l'energia necessaria a tutte le funzioni cellulari. DNA 0 Matrice Membrana esterna Membrana interna Spazio intermembrana

1 2 3 GLICOLISI FASE PREPARATORIA CICLO DI KREBS FASE FINALE e NADH e Glucosio Piruvato Acetil-CoA Piruvato Ossigeno Acqua ATP Diossido di carbonio ATP ATP CITOPLASMA MITOCONDRIO Diossido di carbonio Il piruvato prodotto nel citoplasma entra nel mitocondrio sotto forma di acetil-CoA e viene demolito attraverso il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni. ZANICHELLI FADH2

La fermentazione: un'alternativa anaerobica

La fermentazione: un'alternativa anaerobica In assenza di ossigeno (condizioni anaerobiche), le cellule utilizzano un altro processo, la fermentazione, che serve a mantenere attiva la via della glicolisi.

• È utilizzata da organismi anaerobici e dalle cellule muscolari sottoposte a sforzi molto intensi. A B La fermentazione alcolica del lievito Saccharomyces cerevisiae, in cui si formano bollicine di CO2, è sfruttata per la produzione di bevande alcoliche (A) e per la lievitazione del pane (B). C Lo yogurt deriva dalla fermentazione lattica di batteri come Lactobacillus bulgaricus.

Fermentazione alcolica e lattica

ZANICHELLILa fermentazione alcolica (A) è svolta dai lieviti, mentre la fermentazione lattica (B) è svolta da alcuni batteri e dalle cellule muscolari. 2 NAD+ 2 NADH 2 NADH 2 NAD+ GLICOLISI fermentazione alcolica 2 ADP + 2 P 2 ATP 2 CO2 liberato glucosio 2 molecole di acido piruvico 2 molecole di etanolo A B 2 NAD 2 NADH 2 NADH 2 NAD GLICOLISI fermentazione lattica 2ADP + 2 P 2 ATP 2 molecole di acido piruvico 2 molecole di acido lattico glucosio La molecola di acido piruvico (C3H403) e quella di acido lattico (C3H6O3) hanno entrambe tre atomi di carbonio. C D ZANICHELLI +

La fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi Gli organismi autotrofi producono autonomamente il glucosio e gli altri nutrienti. Il più importante processo utilizzato dagli autotrofi è la fotosintesi clorofilliana nei cloroplasti. La fotosintesi trasforma CO2 e H2O in glucosio e ossigeno: 6CO2 + 6H2O > C6H1206 + 602 Figura 28 Il cloroplasto è l'organulo che ospita le strutture coinvolte nella reazione di fotosintesi. Cloroplasto Stroma Tilacoidi Clorofilla

Fasi della fotosintesi

ZANICHELLILa luce solare viene catturata dai pigmenti (es. clorofilla, carotenoidi), sensibili alle radiazioni luminose. Il processo è suddiviso in due fasi. La prima, detta fase luminosa, avviene in presenza della luce. La seconda fase, chiamata ciclo di Calvin, avviene nello stroma ed è indipendente dalla luce, ovvero non la utilizza direttamente. luce H,0 CO. 2 cloroplasto 2 Nel ciclo di Calvin si utilizzano ATP e NADPH per produrre glucosio a partire dal diossido di carbonio. Le reazioni della fase luminosa avvengono sulle membrane dei tilacoidi. ATP NADPH reazioni della fase luminosa NADP+ 2 ciclo di Calvin 1 ADP + P Le reazioni del ciclo di Calvin avvengono nello stroma del cloroplasto. 1 Nella fase luminosa, la clorofilla cattura la luce del Sole che fornisce l'energia per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno e produrre ATP e NADPH. 0 glucosio 0, 2 ZANICHELLI

La divisione cellulare

La divisione Cellulare B ZANICHELLILa divisione cellulare La divisione cellulare avviene quando una cellula «madre» si divide, producendo due nuove cellule «figlie». La divisione cellulare si verifica sia nel caso della riproduzione asessuata sia in quella sessuata. Le amebe si riproducono per via asessuata. La specie umana si riproduce per via sessuata.

La storia di Henrietta Lacks e delle sue cellule

ZANICHELLISTRANO MA VERO La storia di Henrietta Lacks e delle sue cellule H enrietta Lacks era una donna afroamericana. Nel 1951, a soli 31 anni, morì all'ospedale John Hopkins di Baltimora (Figura A). Pochi mesi prima le era stato diagnosticato un tumore al collo dell'utero, ma i trattamenti disponibili all'epoca non furono efficaci. Durante il ricovero al John Hopkins, l'unico ospedale che accettava di curare pazienti neri, i medici prelevarono dei campioni delle sue cellule cancerose (o tumorali). Da questi il biologo George Otto Gey ottenne la prima linea cellulare immortale umana: le ormai celebri cellule Hela (Figura B). Figura A Le cellule HeLa, utilizzate tuttora nei laboratori di tutto il mondo, appartenevano a Henrietta Lacks. Che cos'hanno di speciale le cellule Hela? Le cellule dei tumori sono in continua proliferazione, cioè si moltiplicano dividendosi per mitosi. Oltre a questo le cellule non vanno in senescenza, cioè non invecchiano per poi morire, come accade a tutte le cellule che non siano staminali. La linea cellulare Hela, inoltre, era in grado di vivere e moltip icarsi fuori dall'organismo, quindi poteva essere coltivata in modo simile a un microrganismo. Gli scienziati scoprirono anche che HeLa poteva essere clonata, cioè che una singola cellula poteva essere usata per creare una colonia geneticamente omogenea: HeLa, quindi, ha l'enorme vantaggio di essere prodotta su larga scala. Oggi, chi lavora in un laboratorio di biologia cellulare o biomedico conosce bene la sigla Hela, per via dell'importanza nella ricerca sul cancro di queste cellule, tanto resistenti da essere praticamente immortali, e per questo vendute e comprate da decenni nei laboratori di tutto il mondo. Si stima che siano state prodotte oltre 50 milioni di tonnellate di cellule Hela, che hanno aiutato a raggiungere importantissimi traguardi nella ricerca (Figura C). Il vaccino contro la poliomelite, sviluppato da Jonas Salk, per esempio, è stato testato su HeLa nel 1952, prima di passare ai test sull'essere umano. Nel database degli articoli scientifici Pubmed oggi ci sono più di 100 000 lavori che nominano la linea cellulare HeLa. Henrietta Lacks e la sua famiglia sapevano di queste cellule? No, non lo sapevano. I campioni servivano ai medici per la diagnosi, ma nessuno chiese alla donna o ai suoi familiari il permesso di usarli per scopi di ricerca. In altre parole, a Henrietta e ai suoi discendenti è stata negata la possibilità di esercitare il diritto al consenso informato. Solo 25 anni dopo la sua morte gli eredi vennero a conoscenza dei fatti. In parte perché un giornalista della rivista Rolling Stone aveva scovato la storia, e in parte perché altri scienziati avevano cominciato a cercare i discendenti di Lacks, nella speranza di scoprire il segreto genetico delle cellule HeLa. Nel 2010, il best-seller di Rebecca Skloot La vita immortale di Henrietta Lacks raccontò per la prima volta l'intera storia di Henrietta, dei suoi familiari e di HeLa. Grazie al successo del libro, è nato un dibattito sulle responsabilità etiche dei medici e delle strutture coinvolte. Oggi, a Henrietta Lacks sono intitolati edifici universitari, scuole, borse di studio e perfino un asteroide. ZANICHELLI

Riproduzione asessuata e sessuata

A I batteri si riproducono grazie alla divisione cellulare. B La divisione cellulare è alla base della riproduzione asessuata nelle piante. La fragola si riproduce attraverso rami laterali in grado di dare origine a nuove piante. C Se troncata, la coda dei gechi può ricrescere grazie alla divisione cellulare. · Si ha riproduzione asessuata quando l'organismo figlio è generato da una cellula che si distacca dal genitore e si moltiplica grazie alla divisione cellulare. Es. la riproduzione di batteri e organismi unicellulari. · Si ha riproduzione sessuata quando c'è fecondazione, cioè quando si verifica l'unione di due cellule con corredo genetico differente: i gameti (cellula uovo e spermatozoo). Si genera così una nuova cellula, chiamata zigote, da cui si sviluppa l'organismo figlio. Es. animali

Eventi della divisione cellulare

ZANICHELLIDurante la divisione cellulare questo processo si verificano sempre tre eventi in successione:

1. replicazione del DNA della cellula madre
2. segregazione: le due copie del DNA si separano e si dirigono ai poli opposti della cellula madre
3. citodieresi, cioè divisione del citoplasma, che porta alla separazione di due cellule figlie identiche fra loro e alla cellula madre. Ciascuna cellula contiene un cromosoma completo, identificabile al centro della cellula. La membrana plasmatica si è completamente riformata, separando così il citoplasma di una cellula da quello dell'altra. Soltanto un piccolo tratto di membrana rimane ancora da completare.

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