La cellula

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BIOLOGIA
La cellula può esistere come entità distinta grazie alla membrana cellulare, che regola il passaggio di sostanze dentro e fuori la cellula. La membrana cellulare (detta anche membrana plasmatica) ha uno spessore che varia tra i 7 e i 9 nanometri. La membrana serve anche per far rimanere costante la concentrazione del soluto dentro la cellula.
La membrana degli eucarioti è costituita da un doppio strato di fosfolipidi, molecole di colesterolo collocate nella parte interna idrofoba del doppio strato fosfolipidico; e ci sono sospese anche numerose molecole di proteine integranti.
Lo strato esterno è ricco di glicolipidi che sporgono la testa polare sulla superficie della membrana, mentre le code si trovano all’interno. Altre proteine si attaccano alle proteine integranti e prendono il nome di proteine periferiche.
Nel lato esterno corti molecole di carboidrati sono attaccate alle proteine sporgenti.
Una distinzione tra le cellula animali e quelle vegetali è la parete cellulare, questa parete è esterna alla cellula.
Quando la cellula vegetale si divide tra le due cellule si forma uno strato sottile di materiale colloso che si chiama lamella mediana. La lamella mediana è formata da pectina e altri polisaccaridi. Su ogni lato della lamella mediana, ogni cellula vegetale costituisce una parete primaria. Questa parete contiene molecole di cellulosa, c’è anche una parete secondaria che non è capace di espandersi ed è formata da molecole come la lignina, che conferiscono rigidità.
Il nucleo delle cellule eucariote è il più delle volte sferico, è circondato da un’involucro nucleare costituito da due membrane, ognuna è un doppio strato fosfolipidico, queste due membrane sono fuse insieme creando piccoli pori nucleari, attraverso i quali possono passare sostanze tra il nucleo e il citoplasma.
I cromosomi si trovano all'interno del nucleo; quando la cellula non è in divisione, i cromosomi sono visibili come massa di sottili filamenti, detti cromatina. La struttura più evidente all’interno del nucleo è il nucleolo. Ci sono in genere due nucleoli per nucleo.
Il nucleo svolge due ruoli: il primo è che porta informazioni ereditarie, ogni volta che la cellula si divide queste informazioni passano alle due nuove cellula. Il secondo ruolo è che il nucleo esercita un’influenza sulle attività della cellula, assicurando che le molecole complesse necessarie siano sintetizzate in quantità e qualità giuste.
Il citoscheletro, che mantiene la forma della cellula, le consente di muoversi tenendo fermi i sugli organuli; il citoscheletro è formato da diversi filamenti; i microtuboli, i filamenti di actina e i filamenti intermedi, e l’intreccio tra questi filamenti da origine al citoscheletro.
Nelle cellule vegetali nel citoplasma c’è un grosso vacuolo che è una cavità citoplasmatica piena d’acqua e altri soluti, racchiusa in un’unica membrana chiamata tonoplasto. In tutte le cellule ci sono le vescicole, hanno la stessa funzione del vacuolo ma sono molto più piccole, una funzione delle vescicole è il trasporto.
I ribosomi non si trovano attaccati ad una membrana, i ribosomi servono per l’assembramento degli amminoacidi Nelle cellule che sintetizzano materiale della membrana versate pio all’esterno della cellula i ribosomi si trovano attaccati ad un reticolo endoplasmatico; invece nelle cellule che sintetizzano proteine per uso proprio, i globuli rossi, i ribosomi sono dispersi nel citoplasma.
Il reticolo endoplasmatico è una rete intrecciata di strati, tubuli e canali; e si trova nelle cellule eucariote.
Ci sono due tipi di reticolo endoplasmatico: quello ruvido e quello liscio. Il reticolo endoplasmatico ruvido è presente in tutte le cellule eucariote. Esso si fonde con lo strato esterno dell’involucro nucleare che anch’esso è provvisto di ribosomi.
L’apparato di Golgi è costituito da sacchi appiattiti sovrapposti. La funzione dell’apparato del Golgi è di ricevere le vescicole provenienti dal reticolo endoplasmatico, e modificarne le membrane e i contenuti delle vescicole quindi inglobando i prodotti finali in vescicole di trasporto che lo distribuisce in altri parti della cellula, soprattutto nella membrana cellulare. L’apparato del Golgi è un centro d’immagazzinamento e di distribuzione.
La maggior parte di prodotti immagazzinati e distribuiti dal’apparato del Golgi sono destinarti alla membrana cellulare.
All’interno delle cisterne avviene l’assemblaggio di carboidrati con proteine e con lipidi. Al termine del processo chimico il materiale della nuova membrana è messo in vescicole che possono andare nella membrana cellulare o di un organulo preciso. Nelle cellule vegetali l’apparato del Golgi aggrega alcuni componenti delle pareti cellulari e li trasporta su per la cellula, dove verranno assemblati.
I lisosomi sono vescicole che racchiudono enzimi idrolitici questi enzimi sono coinvolti nella demolizione di proteine, polisaccaridi e lipidi. Se un lisosoma si rompe e si apre la cellula viene distrutta perché gli enzimi sono capaci di idrolizzare tutte le principali macromolecole presenti.

Perossisomi, vescicole contenenti enzimi litici. Servono per la demolizione di purine. Le reazioni e demolizioni danno luogo ad un prodotto il perossido d’idrogeno, un composto tossico per le cellule. I perossisomi contengono un altro enzima che scinde il perossido d’idrogeno in acqua e ossigeno.
I mitocondri sono gli organuli più grossi della cellula, in esso vengono demolite molecole organiche ricche d’energia, che poi viene immagazzinata in piccole unità, e l’energia viene liberata quando ci sono delle reazioni da innescare.
Più una cellula richiede energia più è il numero dei mitocondri che possiede. I mitocondri all’interno sono pini di creste che sono le superfici di lavoro per le reazioni. I mitocondri sono costituiti da due membrane un’esterna e un’interna.
Plastidi: sono organuli presenti esclusivamente nelle cellule delle piante. Sono circondate da due membrane come i mitocondri; ci sono tre tipi di plastidi:

* Leucoplasti: immagazzinano amido e talvolta oli o proteine.

* Cromoplasti: contengono pigmenti e sono associati ai colori gialli e arancione dei frutti, fiori, ecc.:

* Cloroplasti: sono plastidi contenenti clorofilla, nei quali avviene la fotosintesi.

I filamenti d’actina che sono presenti nel citoscheletro, l’actina per far muovere la cellula interagiscono con un’altra proteina la miosina. Ciglia e flagelli sono strutture lunghe e sottili. Le ciglia e i flagelli differiscono solo per la lunghezza. Quando sono corte e numerose sono le ciglia; quando sono lunghe e poco numerose sono i flagelli.
Alcune cellule del nostro corpo (organi respiratori) sono presenti delle ciglia e non servono a far muovere la cellula ma a ripulire la membrana cellulare. La struttura interna di ciglia e flagelli sono formati da una struttura circolare di microtuboli, e non hanno una coppia interna.
Alla base di ciascun ciglio si trova una struttura detta corpo basale che è costituito da nove triplette di microtuboli.
Molti tipi di cellule eucariote contengono centrioli, che sono piccoli cilindri disposti in coppie; la loro struttura è identica ai corpi basali. Si trovano a coppie vicino all’involucro nucleare e possono partecipare alla formazione del fuso durante la divisione cellulare.

Negli organismi pluricellulari la membrana ha il compito di regolare gli scambi di sostanze fra le diverse cellule specializzate che costituiscono l’organismo. E’ importante mantenere il controllo di questi scambi per difendere l’integrità d’ogni cellula, per mantenere costante il pH e le concentrazioni di ioni che permettano le attività metaboliche d’avvenire. La membrana cellulare controlla anche il passaggio delle sostanze fra cellula e l’ambiente circostante.
La diffusione comporta il movimento casuale delle molecole o ioni secondo un gradiente di concentrazione. Es. se spargiamo alcune gocce di profumo in un’angolo della stanza, l’odore si diffonderà dappertutto anche se non ci sono correnti d’aria. Quando le sostanze si spostano da una regione in cui la concentrazione è maggiore ad una regione la cui concentrazione è minore si chiama secondo gradiente. Invece la sostanze che si sposta nella direzione opposta si chiama contro gradiente. La diffusione viene soltanto secondo gradiente. Le caratteristiche essenziali della diffusione sono: 1) ogni molecola o ione si muove indipendentemente dalle altre. 2) questi movimenti sono casuali.
La velocità con la quale le sostanze entrano nella cellula è aumentata delle correnti citoplasmatiche.
In diversi organismi pluricellulari, scambi controcorrente mantengono un gradiente di concentrazione costante e rende massima la velocità di diffusione.
La membrana che permette il passaggio d’alcune sostanze mentre impedisce il passaggio ad altre è dette selettivamente permeabile. L’osmosi consiste in un trasferimento netto di un’acqua di una soluzione che ha potenziale idrico maggiore (con concentrazione minore di soluto) ad una soluzione che ha potenziale idrico minore (concentrazione maggiore).
Soluzione isotonica: concentrazione uguale con lo stesso potenziale idrico.
Soluzione ipotonica: soluzione meno concentrata con più potenziale idrico
Soluzione ipertonica: soluzione più concentrata con minore potenziale idrico.
Se in un’organismo entra troppa acqua nella cellula, diluirebbe il contenuto cellulare al punto de interferire con la sua funzione e potrebbe provocare un rottura della membrana cellulare. Ciò viene impedito da un organulo specializzato, il vacuolo contrattile, che raccoglie l’acqua dalle varie parti del corpo e la pompa fuori mediante contrazioni ritmiche.
Il potenziale osmotico è la tendenza dell’acqua ad attraversare una membrana verso quella soluzione.
Minore è il potenziale idrico di una soluzione, maggiore è la tendenza delle molecole d’acqua ad entrare in essa per osmosi.
Le cellule vegetali hanno un alto potenziale osmotico, cioè l’acqua ha una forte tendenza ad entrare nelle cellule. Nella cellula matura (quando la parete cellulare cessa di crescere) la parete cellulare non si espande ulteriormente. La sua resistenza all’espansione produce una pressione, nota come pressione di parete, impedisce il movimento netto di altra acqua verso la cellula, di conseguenza non si raggiunge un equilibrio di concentrazione idrica e l’acqua continua a cercare di entrare nella cellula mantenendo una pressione constante. Questa pressione dell’acqua che esercita dell’interno sulle pareti si chiama turgore. Il turgore mantiene rigida la parete cellulare e mantiene eretta la pianta.
Le molecole attraversano la membrana cellulare per diffusione o sono trasportate da molecole proteiche.
Se il movimento è azionato da un gradiente di concentrazione il processo è chiamato diffusione facilitata.
Se il movimento richiede un consumo d’energia da parte della cellula, è detto trasporto attivo. Le molecole o ioni vengono trasportati contro gradiente, è un processo che richiede energia.
Un sistema di trasporto attivo è la pompa sodio-potassio, che mantiene la concentrazione degli ioni sodio ad un livello basso e la concentrazione degli ioni potassio ad un livello alto.
Lo ione sodio viene trasportato da una proteina detta proteina di trasporto, che accoglie lo ione con l’assunzione di ATP e attaccando un gruppo fosfato alla proteina di trasporto e liberando ADP; dopo la proteina libera, fuori dalla cellula, lo Ione sodio. Dopo liberati lo ione sodio accoglie lo ione potassio che lo libera dentro la cellula con la liberazione del gruppo fosfato che era attaccato alla proteina.
Un altro modo di trasportare sostanze è mediante vescicole, questi fenomeni sono distinti in esocitosi, quando le vescicole espellono la sostanza fuori dalla cellula, e endocitosi, che si suddivide in tre tipi, fagocitosi, pinocitosi e endocitosi mediante recettori. La fagocitosi, quando particelle solide devono essere trasportate dentro le cellula; pinocitosi, quando dei liquidi devono essere introdotti nella cellula; endocitosi mediante recettori, quando gli ioni o molecole che devono entrare nella cellula si legano ai recettori.
Negli organismi pluricellulari le comunicazioni tra cellule possono avvenire direttamente attraverso canali chiamati plasmodesmi, mettendo a contatto il citoplasma con le cellule adiacenti.
Nei tessuti animali ci sono le giunzioni comunicanti, che permettono il passaggio di sostanze fra le cellule.

1° legge della termodinamica: l’energia può essere trasformata da una forma ad un’altra, ma non può essere né creata né distrutta.
2° legge della termodinamica: in tutte le trasformazioni e in tutti gli scambi energetici, se il sistema non cede o non acquista energia, l’energia potenziale presente alla fine sarà sempre minore dell’energia potenziale presente all’inizio.
Processo esoergonico: processo che libera energia (energia potenziale minore di quella iniziale). Il processo endoergonico acquista energia dall’esterno (l’energia potenziale, alla fine, è maggiore di quella iniziale).
L’Entropia è la misura del disordine. Variazione d’energia libera:
G rappresenta la variazione d’energia libera, e H rappresenta la variazione di calore, T è la temperatura assoluta.

Nella combustione del glucosio, la molecola di glucosio perde atomi d’idrogeno e l’ossigeno li accetta, gli elettroni passano ad un livello d’energia più basso e si ha liberazione d’energia.

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C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energia

Nel processo di fotosintesi, gli atomi d’idrogeno sono trasferiti dall’acqua alla CO2, riducendo la CO2 per formare glucosio, in questo caso gli elettroni passano ad un livello d’energia più alto ed è necessario un apporto d’energia.

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6CO2 + 6H2O + energia C6H12O6 + 6O2

Il metabolismo sono tutte le reazioni che avvengono all’interno della cellula, e si suddivide in anabolismo e catabolismo.
Le reazioni anaboliche o di sintesi sono endoergoniche , cioè che richiedono energia (ADP + P = ATP).
Le reazioni cataboliche o di demolizione cono esoergoniche, cioè che liberano energia.
L’energia che la molecole devono acquistare per reagire è detta energia d’attivazione.
Le cellule per far avvenire le reazioni abbassano l’energia d’attivazione con dei catalizzatori.
La molecola su cui agisce un enzima è detta substrato, il substrato si attacca al sito attivo dell’enzima e cosi fa avvenire la reazione. Gli enzimi sono proteine globulari complesse, formate da una o più catene polipeptidiche.
Questi enzimi sono ripiegati in modo da formare una depressione dove s’incastrano le molecole reagenti (substrato), e dove avvengono reazioni. Questa regione dell’enzima si chiama sito attivo.
Alcuni enzimi richiedono dei cofattori , per esempio ioni, per facilitare la reazione. Lo ione Mg è necessario per il trasporto di un gruppo fosfato. Altri enzimi richiedono come cofattori certe molecole organiche, queste molecole sono chiamate coenzimi, e si legano all’enzima.
Le reazioni catalizzate sono controllate dalle cellule per evitare una sovrapproduzione e uno spreco di materiale ed energia. I principali fattori della velocità di reazione sono: la concentrazione dell’enzima, il substrato e la disponibilità dei cofattori richiesti. Anche la temperatura e il pH influiscono sulla velocità di reazione. La temperatura agisce più efficacemente fra i 35 e i 40°C, oltre l’enzima non funziona più perché perde la sua struttura terziaria e vengono denaturate. Gli enzimi denaturati riprendono la loro attività se raffreddati.
Al variare del pH, cambiano le cariche negative e positive presenti sugli amminoacidi e di conseguenza la forza con cui si attraggono o si respingono. L’interazione allosterica è un meccanismo per attivare o disattivare un’enzima.
Questo tipo d’interazione avviene tra enzimi che hanno almeno due sito di legame (un sito attivo e un’altro per l’effettore allosterico). L’effettore allosterico entra nel suo sito attivo e deforma la molecola enzimatica .

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