La divisione della cellula

Il ciclo cellulare:

La divisione cellulare prende il nome di mitosi, mentre viene indicato in generale con il termine interfase l'intervallo di tempo compreso tra una divisione e quella successiva. Il ciclo cellulare, è l'insieme dell'interfase e della mitosi. La sua durata in una popolazione cellulare in attiva divisione è di 11-12 ore: di queste solo 1-3 ore sono necessarie al processo vero e proprio.

In una cellula qualunque, prima della divisione, la quantità di DNA raddoppia. È la cellula stessa che duplica il proprio DNA e ciò avviene durante l'interfase, in uno stadio indicato con la lettera S (iniziale di sintesi). I due periodi dell'interfase che precedono e seguono la sintesi del DNA sono chiamati rispettivamente G e G . Lo stadio G rappresenta per la cellula la principale frase di accrescimento, durante la quale vengono sintetizzati molti nuovi componenti citoplasmatici, mentre il nucleo si prepara alla duplicazione del DNA. Nello stadio G avvengono le modificazioni biochimiche necessarie all'effettuazione della mitosi.

Una cellula si divide per dare altre cellule:

La cellula che subisce la divisione prende il nome di cellula madre, mentre le due cellule che ne derivano prendono il nome di cellule figlie.

Il meccanismo biologico che assicura una rigorosa ripartizione dei cromosomi fra le cellule figlie, è la mitosi.

Significato e importanza della mitosi:

L'obiettivo più importante della mitosi è quello di ripartire adeguatamente il DNA.

All'inizio della mitosi, la membrana cellulare si dissolve e iniziano ad evidenziarsi i cromosomi, ciascuno di essi appare costituito da due filamenti identici detti cromatidi, uniti in corrispondenza di una regione chiamata centromero. Nel corso delle fasi successive della mitosi, si separano acquistando ciascuna una propria individualità e ripartendosi equamente fra le cellule figlie.

La mitosi assicura dunque la costanza del numero di cromosomi in tutte le cellule di uno stesso individuo.

Perché il processo mitotico possa realizzarsi, la cellula deve compiere un lavoro, c'è quindi richiesta di una certa quantità di energia, ceduta in forma utilizzabile, dalla molecola dell'ATP. Propriamente il termine mitosi sta ad indicare la sola divisione del nucleo; essa è seguita dalla divisione del citoplasma, citodieresi, che ha inizio già nel corso della telofase.

Il corredo cromosomico di una cellula: il cariotipo

Il cariotipo di un organismo è l'insieme di tutti i cromosomi contenuti in una cellula della linea somatica.

I cromosomi di una cellula umana

Siccome i cromosomi sono presenti a coppie di omologhi, il numero cromosomico viene convenzionalmente indicato con 2n. l'uomo, per esempio, ha nelle sue cellule somatiche 46 cromosomi, cioè nell'uomo 2n=46.

Le cellule diploidi sono tutte le cellule che possiedono la doppia serie di cromosomi omologhi, cioè un numero 2n. si dicono invece cellule aploidi quelle che, come le cellule sessuali mature, possiedono un numero n di cromosomi, cioè un solo membro di ogni coppia di omologhi.

In particolare l'uomo ha 23 coppie di cromosomi, di cui 22 coppie di omologhi costituiscono gli autosomi, mentre una coppia è formata da due cromosomi sessuali diversi nei due sessi.

XY=MASCHIO

XX=FEMMINA

Un tipo di riproduzione più complessa: la riproduzione sessuale

I gameti sono organi specializzati che sono prodotti dalle cellule maschili e femminili per generare nuovi esseri viventi.

La fecondazione è la fusione dei due nuclei di due cellule, il gamete maschile e femminile, che dà luogo alla formazione di un'unica cellula.

Ma se ogni gamete contenesse tanti cromosomi quanti ne hanno tutte le altre cellule del corpo del genitore, il numero dei cromosomi degli individui di una specie raddoppierebbe a ogni generazione. Dal momento che questo non accade, ci deve essere un meccanismo particolare durante il quale il numero dei cromosomi, nelle cellule destinate a diventare cellule sessuali, si riduce a metà. In effetti esiste un particolare tipo di divisione cellulare, detta meiosi, che si svolge durante la maturazione dei gameti.

Nella meiosi, da una cellula animale o vegetale diploide si originano quattro cellule figlie aploidi, che sono appunto i gameti maturi. Essi possiedono esattamente la metà del numero cromosomico delle cellule somatiche, perché hanno un solo componente per ogni coppia di cromosomi omologhi.

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Il Centriolo

Il centriolo svolge una funzione fondamentale durante la divisione cellulare, in quanto da essi si origina il fuso mitoico, che permette l'esatta partizione dei cromosomi tra le cellule figlie.

I mitocondri

I mitocondri sono corpuscoli di forma ovoidale costituiti da una semplice membrana: quella più interna si introflette  e forma delle creste. In queste creste sono presenti molti enzimi respiratori e una sostanza ricca d'energia, l'ATP.

Per questo i mitocondri sono considerati le centrali energetiche della cellula.

Il citoplasma

Il citoplasma è tutto ciò che si trova all'interno della membrana cellulare ma al di fuori del nucleo.

La membrana

La membrana cellulare è presente in tutte le cellule e delimita il confine con l'ambiente esterno, chimicamente assai differente.

La membrana sarebbe composta da un doppio strato di fosfolipidi, nel quale le molecole presentano all'esterno una 'testa idrofila' e all'interno una 'coda idrofoba', con gruppi di proteine localizzate in zone circoscritte.

Le proteine possono attraversare tutto lo strato o solo in parte si spostano in modo tangenziale. I loro compiti sono vari. Essi infatti possono fungere da:

trasportatori

enzimi

recettori.

Inoltre la membrana contiene colesterolo che con la sua molecola conferisce alla struttura una maggiore rigidità. Sulla superficie esterna della membrana si trovano corte catene glucidiche che si legano ai lipidi o alle proteine e formano molecole complesse, dette glicoproteine o glicolipidi. La loro funzione sembra essere riconducibile ai processi di riconoscimento e di comunicazione intercellulari.

Il complesso di golgi

Il complesso di golgi è un sistema che delimita cavità chiuse con aspetto di cisterne flosce sovrapposte; dalle cisterne deriva poi per gemmazione un vasto sistema di vescicole. Il complesso di golgi è particolarmente abbondante nelle cellule secretrici delle ghiandole e si ritiene che esso sia una stazione intermedia d'accumulo e rielaborazione delle sostanze sintetizzate in corrispondenza dei ribosomi. Le vescicole hanno poi il compito di trasportare le sostanze all'esterno della cellula: sono in grado infatti di spostarsi all'interno del citoplasma e di fondersi con la membrana cellulare, liberando all'esterno il loro contenuto.

Il cloroplasto

Il cloroplasto è, nei tessuti vegetali verdi, in grado di compiere la fotosintesi. I cloroplasti appaiono come corpuscoli generalmente a forma di lente liconvessa delimitato da una doppia membrana, delle quali quella esterna è liscia. All'interno è presente un sistema lamellare che si origina dalla membrana interna, formato serie di sacculi, i tilacoidi, molto appiattiti e impilati a formare strutture dette grana; questi sono connessi tra loro per mezzo di lamelle e sono immersi in una sostanza fluida, la stroma. Alle lamelle dei grana è associata la clorofilla, il pigmento verde in grado di catturare l'energia luminosa e di convertirla in energia chimica, immagazzinandola nei legami delle sostanze organiche prodotte durante il processo fotosintetico.

I vacuoli

I vacuoli sono organuli particolarmente evidenti nelle cellule vegetali, in cui raggiungono dimensioni molto maggiori di qualunque altra struttura equivalente delle cellule animali. I vacuoli sono cavità piene di liquido, circondate da una membrana, il tonoplasto, e contenenti soluzioni diluite di varie sostanze tra cui sali organici e inorganici, acidi grassi, zuccheri e pigmenti vari.

Il nucleo

Il nucleo è la struttura più evidente nel citoplasma di una cellula. Il nucleo viene delimitato da una membrana nucleare. Al suo interno il nucleo ha invece un fluido chiamato succo nucleare o anche nucleoplasma. Questo contiene una rete di sottili filamenti di DNA e proteine che costituiscono la cromatina.

All'interno del nucleo troviamo invece i nucleoli, che durante la divisione cellulare non sono più visibili. Questo organulo è la sede della sintesi dei ribosomi che ritroviamo nel citoplasma o addossati alle membrane del reticolo endoplasmatico.

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Metabolismo cellulare

Metabolismo = reazione chimica, attività metaboliche della cellula.

Catabolismo = insieme delle azioni distruttive.

Anabolismo = insieme delle azioni di composizione (sintesi proteica).

Attività metaboliche

Queste avvengono con l'ambiente esterno attraverso la membrana cellulare.

Membrana cellulare:

Processo passivo = non c'è scambio o dispersione d'energia.

Processo attivo = c'è scambio d'energia.

Processo osmotico (osmosi) = Questo avviene attraverso una membrana semimpermeabile che     fa passare la sostanza solo in una direzione.

C'è un passaggio di una soluzione più concentrata a una meno concentrata.

Le molecole dell'acqua sono più piccole di quelle del sale e perciò passano più facilmente.

La molecola dell'acqua è polare.

O

H O = molecola dell'acqua

Nel mare la concentrazione salina esterna è molto più alta di quella interna. La membrana dovrebbe così svuotarsi dato che all'interno c'è una concentrazione minore. Questo però non avviene perché la cellula 'inganna' la membrana.

ENDOCITOSI

FAGOCITOSI

ESOCITOSI

C H O = glucosio

Il glucosio fornisce energia all'organismo.

PROCESSO:

il glucosio o zucchero viene catabolizzato tramite dei passaggi di ossidazione dando come prodotto finale 58 K cal .

Gli ATP o ADP trasportano le calorie per tutta la cellula.

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RESPIRAZIONE CELLULARE

La respirazione cellulare o respirazione ossidativa è un processo con il quale le cellule utilizzano l'ossigeno per demolire completamente un substrato organico (tipo il glucosio) fino a CO e H O (sostanze di rifiuto), liberando l'energia in esso contenuta.

Poiché, nel processo respiratorio, la molecola del substrato viene demolita completamente, tutta l'energia che essa contiene viene messa disponibile. Dal momento che il cpmbustibile cellulare tipico, cioè il glucosio, reagisce con l'ossigeno, la reazione complessiva è da considerarsi una combustione.

Reazione di ossidazione del glucosio in presenza di ossigeno:

C H O + 6 O = 6 CO + 6 H O

In questo processo gran parte dell'energia presente nella struttura della molecola del glucosio si libera e si disperde sotto forma di calore.

Per non liberare questa energia tutta in un colpo, la cellula ha ideato un sistema per ossidare il glucosio in modo vantaggioso. Il glucosio viene infatti ossidato in più tappe.

La glicolisi:

Nella glicolisi la cellula scinde, senza l'aiuto dell'ossigeno una molecola di glucosio in due producendo acido piruvico, prima consumando e poi producendo ATP, con un guadagno netto di 2 ATP e 2 NADH. Questa fase si svolge nel citoplasma mentre tutte le altre avvengono nei mitocondri. Entrato nei mitocondri , l'acido piruvico perde un atomo di carbonio che viene eliminato come CO e uno di idrogeno, che a sua volta viene catturato da un accettore, il NAD . La molecola di C che rimane viene legata a una molecola complessa chiamata acetil-coenzema A, la quale si inserisce poi nel ciclo di Krebs.

Il ciclo di Krebs:

in questo ciclo detto anche dell'acido citrico l'acetil-CoA viene completamente decomposto liberando molecole di CO e idrogeno, i quali vengono catturati da accettori di idrogeno come il NAD e il FAD.

I passaggi principali del ciclo di Krebs sono:

per entrare nel ciclo l'acetil-CoA si lega a un composto a quattro atomi di C, l'acido ossalacetico, per formare acido citrico (6 atomi di C);

una serie di reazioni successive, catalizzate ciascuna da enzimi specifici, trasforma nuovamente la molecola di acido citrico in acido ossalacetico, liberando due atomi di CO2, per equilibrare quelli entrati insieme all'acetil-CoA;

nei vari passaggi si formano molecole da NADH, ATP e FADH , che fissano il rendimento complessivo di Krebs in 30 ATP.

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La sede della fotosintesi: il cloroplasto

Nelle cellule verdi eucariote, la fotosintesi si realizza all'interno dei cloroplasti ( vedi organuli cellulari). Una sola cellula ne può contenere da 30 a 50, ma in un solo millimetro della superficie di una foglia è possibile contarne fino a 500.000.

I pigmenti clorofilliani non sono uniformemente distribuiti nel cloroplasto, ma sono localizzati nella membrana che costituisce i tilacoidi. Ed è appunto a livello della membrana dei tilacoidi che avvengono le reazioni fotochimiche che danno il via al processo fotosintetico; le successive reazioni chimiche si svolgono invece nello stroma, la porzione fluida del cloroplasto, dove si trovano in soluzione gli enzimi specifici, necessari alla reazione di ossidoriduzione e alla sintesi dell'ATP.

Il meccanismo della fotosintesi

Da tempo si sapeva che, quando il Sole illumina le foglie di un vegetale verde, parte dell'energia luminosa viene usata per promuovere reazioni chimiche, il cui risultato è che l'acqua e l'anidride carbonica sono trasformati in ossigeno e composti organici. Del processo fotosintetico si conosceva con esattezza le sostanze iniziali e i prodotti finali; si sapeva inoltre che durante il processo viene assorbita energia solare e che questa energia viene in qualche modo conservata nella molecola del glucosio prodottosi durante la fotosintesi. Si riteneva inoltre che tutto ciò avvenisse attraverso un'unica reazione chimica e il processo era globalmente rappresentata con la seguente equazione:

6 CO + 6 H O C H O + 6 O

Le basi molecolari della fotosintesi

La fotosintesi consiste essenzialmente nell'assorbimento di CO dall'aria atmosferica e nella sua conversione in composti organici del carbonio più ridotti, soprattutto glucidi. Questo processo è detto fissazione della CO . La fissazione di CO richiede un notevole apporto di energia, che proviene soprattutto dai legami fosforici dell'ATP, e una fonte di elettroni  per ridurre la CO

Tutto ciò avviene grazie alla luce. Gli elettroni provengono dall'enzima NADPH secondo l'equazione chimica:

NADPH NADP + 2 e- + H

Gli elettroni necessari sono forniti secondo queste equazioni chimiche:

energia

2 H O ----------- O + 4 H + 4 e-

luminosa

2 H + 4 e- + 2 NADP 2 NADPH

L'acqua funziona quindi da donatore di protoni ed elettroni per la riduzione della CO

Le reazioni viste sopra si sintetizzano perciò così:

un processo di cattura dell'energia luminosa. La luce, a sua volta, genera un donatore di elettroni e provoca la liberazione di ossigeno;

un complesso di reazioni di ossidoriduzione, nelle quali avviene un trasferimento di elettroni che permettono la produzione di ATP e di NADPH;

una serie ciclica di reazioni che utilizzano l'energia chimica fornita dall'ATP e dagli elettroni NADPH, per ridurre la CO e fissarla in molecole organiche complesse.

Le prime due fasi avvengono grazie all'energia luminosa, mentre l'ultima non richiedendo questa energia viene detta reazione della fase oscura. La fotosintesi può essere considerata globalmente come un processo di ossidoriduzione fra l'acqua (che viene ossidata ) e la CO (che viene ridotta ).

Vocaboli

Metabolismo: reazioni chimiche attività metaboliche della cellula.

Catabolismo: insieme delle azioni distruttive.

Anabolismo: insieme delle azioni di composizione (sintesi proteica).

Eucariote: nucleo ben formato (animale).

Procariote: nucleo primitivo (vegetale).

Membrana cellulare: confine tra esterno ed interno della cellula.

Membrana semimpermeabile: o anche selettiva lasciano passare certe sostanze e ne bloccano altre.

Citoplasma: tutto il materiale che sta all'interno della membrana.

Citoscheletro: una sorta di scheletro delle cellule eucariote, è parte integrante del citoplasma.

Reticolo endoplasmatico: è un complesso sistema di membrane che delimita cavità con l'aspetto di tubuli e cisterne che si estendono nel citoplasma.

Ribosomi: campi tondeggianti che sono messi sulla superficie del reticolo endoplasmatico.

Complesso di golgi: sistema di membrane che delimitano cavità chiuse a forma di cisterne. Nelle cisterne ci sono le vescicole che gemmano.

Lisosomi: ultra strutture di forma sferica circondati da una membrana e contengono enzimi digestivi.

Mitocondri: corpuscoli di forma ovoidale hanno una duplice membrana e delle creste.

Creste: sono all'interno dei mitocondri il loro numero varia a seconda delle cellule.

Nucleo: struttura più evidente immersa nella cellula. Tutte o quasi ne hanno uno.

Membrana nucleare: membrana che delimita il nucleo della cellula.

Succo nucleare: fluido detto anche 'nucleoplasma' è all'interno del nucleo.

Cromosomi: strutture filiformi che si spiralizzano e si condensano.

RNA messaggero: è l'RNA che viene sintetizzato all'interno del nucleo. Ha il compito di trasferire al citoplasma le informazioni genetiche necessarie alla sintesi proteica.

Nucleoli: piccoli organuli all'interno del nucleo, non sono visibili durante la divisione cellulare, costituiti da DNA, RNA e proteine.

Ciglia e flagelli: organuli filiformi responsabili delle attività motorie della cellula negli ambienti liquidi.

Centriolo: ultrastruttura presente in numero di 1 o 2 esemplari per ogni cellula animale. Cilindro formato da tanti microtubi.

Parete cellulare:

struttura esterna alla membrana cellulare e presente solo nelle cellule dei batteri, funghi e vegetali.

Primaria; elastica, racchiude cellule giovani.

Secondaria spessa; alto contenuto di cellulosa.

Plasticidi:

organuli presenti solo nelle cellule vegetali.

nei tessuti vegetali; cloroplasto compie ed è in grado di fare fotosintesi

Stroma: liquido nel quale è immerso il sistema lamellare dei cloroplasti.

Vacuoli:

organuli particolarmente evidenti nelle cellule vegetali.

cavità piena di liquido circondate da membrana, il tonoplasto.

Respirazione cellulare o respirazione ossidativa processo con il quale le cellule utilizzano O2 per demolire un substrato organico (es. glucosio) liberando l'energia in essa contenuta (molecola di glucosio).

Glicolisi        fase iniziale del processo di respirazione cellulare che si svolge nel  citoplasma.

Ciclo di Krebs fase intermedia e finale della respirazione. Comprende reazioni di diverso genere. Nella respirazione è il momento più produttivo.

Fosforilazione ossidativa            processo di formazione dell'ATP nel quale NAD e FAD             cedono elettroni e protoni formando H O, avviene nei mitocondri.

Respirazione            processo mediante il quale i sistemi viventi si procurano l'energia necessaria al loro funzionamento e non è altro che una combustione a velocità controllata.

Glucosio viene definito una delle molecole nutritive più importanti per quasi tutte le cellule.

Reazioni di fosforilazione: il legare un gruppo fosforico ad una data molecola.

Fotosintesi clorofilliana: processo attraverso il quale l'energia luminosa del sole viene trasformata dalle piante vegetali in energia chimica.

Acqua: H Osostanza allo stato liquido che è nel processo fotosintetico.

Anidride carbonica: CO presente nello stato gassoso 0.02% e in soluzione. Acquosa al 0.04% è assorbita dai vegetali (dagli stomi).

Luce solare: si propaga come onda elettromagnetica, è composta da vari tipi di raggi, prende parte alla fotosintesi.

Pigmenti: particolari sostanze colorate contenute nei cloroplasti.

Clorofilla: è il pigmento contribuisce maggiormente alla fotosintesi.

Cloroplasti: organuli della cellula nei quali avviene la fotosintesi.

Chlorella: verde microscopica sulla quale si sono fatti degli esperimenti.

Fissazione della CO processo di assorbimento di CO e la sua conversione in composti organici del carbonio più ridotti, soprattutto glucidi.

Reazione della fase luminosa: avvengono in seguito all'interazione della luce (pag. 234).

Reazioni della fase oscura: reazioni che non chiedono l'intervento della luce (pag. 234).

Fotosistemi: associazione di clorofilla a e b che non agiscono da sole ma sono associate in complessi detti fotosistemi.

Fermentazione: processo più primitivo di ricavo dell'energia messo in atto dalle cellule per ricavare energia dalle molecole organiche avviene in assenza di O è quindi un processo anaerobico.