Capitolo 5 L’energia e il trasporto -...

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Capitolo 5

L’energia e il trasporto


La cellula e l’energia5.1 L’energia è la capacità di produrre lavoro

• Tutti gli organismi hanno bisogno di energia pervivere.

• L’energia è definita come la capacità di effettuareun lavoro (cioè di spostare un corpomodificandone il moto o lo stato di quiete).


• L’energia cinetica è l’energia posseduta dai corpi inmovimento.

• L’energia potenziale è l’energia immagazzinata(dovuta alla posizione del corpo) e può esseretrasformata in energia cinetica.

Figure 5.1A–C


5.2 Due principi fisici regolano le trasformazionienergetiche

• La termodinamica è lo studio delle trasformazionienergetiche che avvengono nella materia.

• Nello studio delle trasformazioni energetiche sidefiniscono «sistema» l’insieme dei corpi materialiin esame e «ambiente» tutto ciò che lo circonda.


Figura 5.2A

Il primo principio della termodinamica stabilisce che:

• l’energia può essere trasformata da una formaall’altra;

• l’energia non può essere né creata né distrutta.


Il secondo principio della termodinamica afferma chedurante le trasformazioni dell’energia aumenta ildisordine (o entropia) e parte dell’energia è persa sottoforma di calore.

Figura 5.2B


5.3 Le reazioni chimiche consentono diimmagazzinare o di liberare energia

Le reazioni endoergoniche assorbono energia edanno origine a prodotti ricchi in energia potenziale(con un livello di energia chimica superiore a quelladelle sostanze di partenza).

Figure 5.3A

Ene

rgia

pot

enzi

ale

delle

mol

ecol

e

Reagenti

Energia assorbita

Prodotti

Quantità di energia assorbita


Le reazioni esoergoniche liberano energia e dannoorigine a prodotti che contengono meno energiapotenziale dei loro reagenti.

Figura 5.3B

Reagenti

Energia liberata

Prodotti

Quantità di energia

liberata

Ene

rgia

pot

enzi

ale

delle

mol

ecol

e


• Le cellule compiono migliaia di reazioni chimiche(esoergoniche ed endoergoniche).

• L’insieme di queste reazioni costituisce ilmetabolismo cellulare.

• L’accoppiamento energetico utilizza le reazioniesoergoniche per far avvenire le reazioniendoergoniche.


5.4 Nella cellula l’ATP funge da navetta per iltrasporto dell’energia chimica

• L’ATP fornisce l’energia necessaria per tutte leforme di lavoro cellulare.

• In una molecola di ATP l’energia risiede nei legamicovalenti che uniscono i gruppi fosfato.


• L’ATP libera energia utile per le reazioniendoergoniche attraverso la fosforilazione.

• La fosforilazione è il trasferimento di un gruppofosfato a una molecola per renderla più reattiva.

Figura 5.4A

ATP

Lavoro chimico Lavoro meccanico Lavoro di trasporto

P

PP

P

P

P

P

Molecola formata Proteina mobile Soluto trasportato

ADP+

Prodotto

Reagenti

Proteina motrice

Membrana della proteina

Soluto+


ATP

ADP + P

Energia utile per le reazioni endoergoniche

Energia prodotta dalle reazioni esoergoniche

Con

dens

azio

neIdrolisi

Il lavoro cellulare può essere sostenuto nel tempoperchè l’ATP è una molecola rinnovabile, che vienerigenerata dalle cellule.

Figura 5.4B


5.5 Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche dellacellula abbassando la richiesta energetica

Perchè una reazione chimica inizi, i reagenti devonoassorbire una quantità di energia chiamata energia diattivazione (EA).

Figura 5.5A

Barriera EA

Reagenti

ProdottiE

nzim

aContenitore 1 Contenitore 2


• Un enzima è una molecola proteica che si comportacome catalizzatore biologico.

• Un enzima può abbassare l’energia di attivazionenecessaria per avviare una reazione chimica.

Figura 5.5B

Reagenti

EA senza enzima

EA con enzima

Differenza netta di energia

Prodotti

Ene

rgia

Direzione della reazione


5.6 Ogni reazione cellulare è catalizzata da unenzima specifico

• Gli enzimi hanno strutture tridimensionalicaratteristiche che determinano le reazionichimiche che essi sono in grado di catalizzare inuna cellula.

• La sostanza su cui agisce l’enzima, ossia ilreagente, si chiama substrato.

Come lavorano gli enzimi


Figura 5.6

Enzima (saccarasi)Glucosio

Fruttosio

Sito attivo Substrato (saccarosio)

H2O

1 Enzima disponibile con il sito attivo vuoto

2Il substrato si lega all’enzima che subisce un adattamento indotto

4 I prodotti vengono liberati

3 Il substrato si scinde nei prodotti

Esempio di reazione catalizzata da un enzima:


5.7 L’ambiente cellulare influenza l’attività deglienzimi

• La temperatura, la concentrazione dei sali e il pHinfluenzano l’attività enzimatica.

• Per funzionare, alcuni enzimi richiedono molecolenon proteiche chiamate cofattori.

• I cofattori possono essere sostanze inorganiche,come gli ioni metallo, o molecole organiche (in questocaso si chiamano coenzimi).


5.8 Gli inibitori bloccano l’azione degli enzimi

• Una sostanza chimica che interferisce conl’attività di un enzima è detta inibitore.

• L’azione di un inibitore è irreversibile se siformano legami covalenti tra inibitore ed enzima.È reversibile quando si formano solo legamideboli (come il legame idrogeno).


• Gli inibitori competitivi occupano il sito attivo di unsubstrato.

• Gli inibitori non competitivi cambiano la funzionedell’enzima modificando la sua forma.

Figura 5.8

Substrato

Enzima

Sito attivo

Legame normale del substrato

Inibitore enzimatico

Inibitore non competitivo

Inibitore competitivo


Le funzioni delle membrane plasmatiche5.9 Le membrane organizzano l’attività chimicadelle cellule

• Le membrane offrono la base strutturale per lesequenze metaboliche.

• Al loro interno si trovano, infatti, numerosi enzimi.

• Le membrane cellulari possiedono unapermeabilità selettiva che permette ad alcunesostanze di attraversarle più facilmente di altre eimpedisce completamente il passaggio ad altre.


5.10 Grazie alle proteine, la membrana plasmaticasvolge molteplici funzioni

Molte proteine della membrana plasmatica sono enzimiappartenenti a squadre di catalizzatori che agiscononella catena di montaggio delle molecole.

Figura 5.10A


Altre proteine di membrana funzionano da recettoridi messaggeri chimici provenienti da altre cellule.

Figura 5.10B

Messaggero chimico

Recettore

Molecola attivata


Alcune proteine di membrana hanno una funzionedi trasporto e aiutano le sostanze ad attraversarela membrana stessa.

Figura 5.10C

ATP


5.11 Numerosi stimoli diretti alle cellule agisconoattraverso recettori proteici localizzati nellamembrana plasmatica

• Un ormone che raggiunge la membranaplasmatica si lega a una specifica proteina dettarecettore.

• I recettori attraversano la membrana, sporgendosia verso l’interno sia verso l’esterno.

Figura 5.11


5.12 Le sostanze possono diffondere attraverso lemembraneNel trasporto passivo (diffusione), le sostanze diffondoattraverso le membrane senza che le cellule compianoalcun lavoro: le particelle si spostano spontaneamenteda una zona dove sono più concentrate a una dove soomeno concentrate.

EquilibrioMembranaMolecole di colorante

Figura 5.12


Piccole molecole non polari diffondono facilmenteattraverso il doppio strato fosfolipidico della membrana.Ne sono un esempio

• l’ossigeno molecolare (O2, essenziale per ilmetabolismo)

• il diossido di carbonio (CO2, un prodotto di rifiutometabolico)


Proteina ditrasporto

5.13 La diffusione di molte molecole è facilitata daproteine di trasporto

• Molte tipi di molecole non diffondono liberamenteattraverso le membrane.

• Queste molecole attraversano le membrane con l’aiuto diproteine di trasporto che forniscono un passaggioattraverso le membrane in un processo chiamatodiffusione facilitata.

Figura 5.13

Molecole di soluto


PP PLa proteina

cambia forma

Il gruppo fosfato si allontana

ATPADPSoluto

Proteina di trasporto

Legame con il soluto1 Fosforilazione2 Trasporto3 Proteina originaria4

5.14 La cellula spende energia per il trasporto attivo

Le proteine di trasporto possono spostare i soluti controun gradiente di concentrazione attraverso il trasportoattivo, un processo che richiede ATP.

Figure 5.14


5.15 L’osmosi è una diffusione di acqua attraversouna membrana semipermeabile

Figura 5.15

Minore concentrazione

di soluto

Maggiore concentrazione

di soluto

Uguale concentrazione

di soluto

H2OMolecola di solutoMembrana

selettivamente permeabile

Molecole d’acqua

Molecola di soluto circondata da molecole d’acqua

Movimento netto dell’acqua

Nell’osmosi l’acqua sisposta da una soluzionenella quale laconcentrazione di solutoè minore a unasoluzione nella quale laconcentrazione di solutoè maggiore.


5.16 Per gli organismi è molto importante unequilibrio idrico tra le cellule e l’ambiente circostante

• Il controllo dell’equilibrio idrico in una cellula sichiama osmoregolazione.

• Le condizioni ideali per una cellula animale e unavegetale sono, rispettivamente, una soluzioneisotonica e una soluzione ipotonica.


Cellula vegetale

H2O

H2O H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2OMembrana plasmatica

(1) Risulta normale (2) Si gonfia fino a scoppiare (3) Si contrae

(4) Perde consistenza (5) È turgida (6) Si contrae

Soluzione isotonica Soluzione ipotonica Soluzione ipertonica

Cellula animale

Comportamento delle cellule poste in soluzioni condiversa concentrazione:

Figura 5.16


Liquido extracellulare

Citoplasma

ProteinaVescicola

5.17 Le molecole di grandi dimensioni vengonotrasportate per esocitosi ed endocitosiLe molecole e le particelle di grandi dimensioni attraversanola membrana mediante un processo chiamato esocitosi:una vescicola, delimitata da una membrana e ripiena dimacromolecole, si fonde con la membrana plasmaticariversando fuori dalla cellula il proprio contenuto.

Figura 5.17A


Nel processo inverso all’esocitosi, l’endocitosi, lacellula ingloba le macromolecole o altre particelle,formando con la propria membrana delle vescicole nelcitoplasma.

Figura 5.17B

Formazione della vescicola


L’endocitosi può avvenire in tre modi:

• fagocitosi;

• pinocitosi;

• endocitosi mediata da un recettore.

Pseudopodiodi un’ameba

Particella di ciboda ingerire

Fagocitosi Pinocitosi Endocitosi mediatada un recettore

Molecole legate airecettori proteici

Fossetta

Citoplasma

Membrana plasmaticaT

EM

54

000×

TE

M 9

6 50

0 ×

LM 2

30×

Figura 5.17C


5.18 Membrane difettose possono sovraccaricare ilsangue di colesterolo

Se i recettori del colesterolo nelle membrane sono pochio non funzionano, il sangue può accumulare livellielevati di colesterolo.

Goccia di LDL

Proteina

Strato esterno fosfolipidico

CitoplasmaRecettore proteico

Membrana plasmatica

Vesicola

Colesterolo

Figura 5.18


5.19 I cloroplasti e i mitocondri rendono disponibilel’energia per il lavoro cellulare

• I cloroplasti svolgono la fotosintesi utilizzandol’energia solare per sintetizzare glucosio eossigeno a partire da diossido di carbonio eacqua.

• I mitocondri consumano ossigeno nellarespirazione cellulare usando l’energiaimmagazzinata nel glucosio per produrre ATP.

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