FisiologiaLibro I

194 CAPITOLO 7 Cellule nervose e segnali elettrici

neurone fino al valore soglia, si genera un potenziale d'azione. In genere un singolo potenziale graduato non in grado di depolarizzare la membrana fino al valore soglia; tuttavia i potenziali graduati possono sommarsi tra loro mediante una sommazione spaziale o temporale. I potenziali d'azione rappresentano rapide depolarizzazioni della membrana cellulare che si propagano lungo l'assone, dal monticolo assonale fino al terminale assonico. La fase di rapida depolarizzazione di un potenziale di membrana determinata dall'apertura di canali voltaggio-dipendenti per il sodio e dal movimento di tali ioni all'interno della cellula. La fase di ripolarizzazione determinata dalla chiusura dei canali per il sodio e dall'apertura di canali per il

potassio che determina la fuoriuscita di tale ione dalla cellula. L'iperpolarizzazione postuma dovuta al fatto che i canali per il potassio si chiudono lentamente prolungando la fuoriuscita del potassio dalla cellula per un breve periodo. I potenziali d'azione rappresentano dei fenomeni "tutto o nulla" in quanto la loro ampiezza non varia al variare dell'intensit dello stimolo che li determina. L'intensit dello stimolo codificata dalla frequenza dei potenziali d'azione: maggiore l'intensit dello stimolo, maggiore il numero dei potenziali d'azione nell'unit di tempo. I periodi refrattari assicurano l'unidirezionalit della propagazione del potenziale d'azione e, nello stesso I limitano la massima frequenza dei potenziali d'azione.

Mantenimento della stabilit del potenziale di riposo, p. 191

La pompa Na+/K+ svolge un ruolo cm nella funzione del neurone in quanto genera dei gradienti di concentrazioi il sodio e per il potassio che generi potenziale di riposo. La pompa, in previene la dissipazione dei gradie concentrazione del sodio e del potai sia attraverso i canali passivi al ] di riposo, che attraverso i canali voltai dipendenti (a porta elettrica) durantj| potenziali d'azione.

ESERCIZIDomande a scelta multipla

1. La depolarizzazione di un neurone fino al valore soglia stimola: a) l'apertura dei canali per il sodio b) la chiusura dei canali per il sodio c) l'apertura dei canali per il potassio d) a e c e) nessuna delle precedenti risposte 2. I neurotrasmettitori sono rilasciati in corrispondenza di: a) corpo cellulare b) dendriti c) terminale assonico d) monticolo assonale 3. Se un catione equamente distribuito ai due lati della membrana cellulare (la sua concentrazione all'interno uguale a quella all'esterno), quale delle seguenti affermazioni falsai a) A -70 mV la forza chimica che si esercita sullo ione pari a zero b) A -70 la forza elettrica di uno ione lo spinge all'interno della cellula c) A +30 mV la forza chimica che si esercita sullo ione pari a zero. d) Il potenziale di equilibrio per lo ione sar pari a zero e) A -70 mV la forza elettrochimica sullo ione agisce spingendolo fuori dalla cellula 4. La fase di depolarizzazione di un potenziale d'azione causata: a) dall'apertura dei canali per il potassio

b) dalla chiusura dei canali per il potassio c) dall'apertura dei canali per il sodio d) dalla chiusura dei canali per il sodio 5. Durante il periodo refrattario relativo, un secondo potenziale d'azione: a) non pu essere evocato b) pu essere evocato da uno stimolo soglia c) pu essere evocato da uno stimolo sottosoglia d) pu essere evocato da uno stimolo soprasoglia 6. I nervi si trovano: a) nel sistema nervoso centrale b) nel sistema nervoso periferico c) sia in a che in b d) n in a n in b 7. Se il potenziale di riposo di un neurone diviene pi negativo rispetto alle condizioni di riposo, il neurone _________________ . In tal caso il neurone _____________________ eccitabile. a) depolarizzato/pi b) iperpolarizzato/pi c) depolarizzato/meno d) iperpolarizzato/meno 8. L'ouabaina una sostanza che blocca la pompa Na+/K+. Se questa pompa bloccata, la concentrazione del K+ all'interno della cellula: a) aumenta b) diminuisce c) non cambia

9. Se le concentrazioni di K+ nel liquido extracellulare del sistema nervoso aumentano, l'attivit dovrebbe: a) aumentare b) diminuire c) non cambiare 10. Quale dei seguenti neuroni fa pai del sistema nervoso periferico? a) Motoneurone che innera il muscolo scheletrico b) Neurone parasimpatico c) Neurone simpatico d) Tutti e tre 11. Quale dei seguenti assoni ha la maggiore velocit di conduzione? a) un assone amielinico del dia di 5 pm b) un assone mielinico del dia di 5 pm c) un assone amielinico del dia di 20 pm d) un assone mielinico del dia di 20 pm 12. Quale delle seguenti frasi descri meglio lo stato dei canali del sodi potenzaile di riposo? a) Le porte di attivazione sono api e quelle di inattivazione sono chiuse b) Le porte di attivazione sono chi e quelle di inattivazione sono aperte

c) Le porte di attivazione inattivazione sono chiuse d) Le porte di attivazione inattivazione sono aperte

ed ed

13. Quale delle seguenti non fa parte] della via efferente del sistema nervoso? a) Il sistema nervoso parasimpati b) Il sistema nervoso simpatico

194 CAPITOLO 7 Cellule nervose e segnali elettrici

Introduzione alla FisiologiaIl nostro corpo si pu adattare a molte condizic

Il COrpO umano capace di sopravvivere ad una incredibilevariet di condizioni ambientali. Pu vivere nella giungla, sulle montagne, in citt popolose o nei deserti. Pu sopportare il calore dell'estate in India o il freddo dell'inverno nel Nord America. Con adeguati allenamenti il corpo si pu adattare a cambi di altitudine mentre scala l'Everest, o portare a termine una maratona di 42 chilometri. Come fa il corpo umano a far tutto ci? Come imparerete in questo capitolo - e attraverso tutto il libro - il nostro corpo ha un'incredibile capacit di adattamento a cambiamenti ambientali, minimizzando i propri cambiamenti interni. Per esempio, quando una persona si sposta da un ambiente freddo ad uno caldo (con corrispondente aumento della temperatura corporea), il corpo risponde velocemente sudando e aumentando il flusso di sangue cutaneo per riportare la temperatura corporea al suo valore normale. L'abilit del corpo di mantenere un ambiente interno normale chiamata omeostasi e sar il tema principale di questo libro. Benvenuti allo studio della Fisiologia umana.

CONTENUTO DEL CAPITOLOOrganizzazione dell'organismo 2 L'omeostasi: un principio organizzativo fondamentale della Fisiologia 9 L'omeostasi alla prova: studio dell'interazione tra sistemi durante l'esercizio fisico 15

10 CAPITOLO 1 Introduzione alla Fisiologia

V

Q NNE S S I Q NI CL I N I C HE

Shock da calore e colpo di caloreLo shock da calore la conseguenza dello sforzo dell'organismo di regolare la sua temperatura e, pi in particolare, del suo sforzo di disperdere l'eccesso di calore. Quando l'organismo deve disperdere una grande quantit di calore, la produzione di un elevato volume di sudore pu portare ad una significativa riduzione del volume del plasma circolante. In aggiunta, il flusso di sangue diretto alla cute aumenta enormemente deviando da altri distretti. Considerati nel loro complesso, questi cambiamenti inducono un abbassamento della pressione arteriosa, il che a sua volta riduce il flusso di sangue al cervello e fa quindi precipitare la situazione provocando sintomi quali debolezza, vertigini e anche perdita di coscienza. Una condizione molto pi grave quella del colpo di calore, durante il quale viene perso il controllo della temperatura corporea a causa del malfunzionamento del sistema termoregolatore. Sforzi fisici estremi o estreme temperature ambientali possono sopraffare la capacit dell'organismo di disperdere calore. Quando ci si verifica, la temperatura corporea cresce nonostante gli sforzi termoregolatori. Mano a mano che la temperatura sale, il cervello inizia a funzionare sempre peggio, dando luogo ad episodi di delirio seguiti da perdita di coscienza e dalla possibile disfunzione dei centri termoregolatori. Quando ci si verifica, il cervello in maniera inopportuna smette di mandare segnali alle ghiandole sudoripare. Come risultato la produzione di sudore si arresta, compromettendo la capacit dell'organismo di disperdere il calore e provocando cos un aumento pi rapido della temperatura corporea. Se il colpo di calore non viene trattato, questa spirale di eventi porta inesorabilmente alla morte. La cute degli individui affetti da colpo di calore, da un lato appare arrossata (a causa dell'aumento del flusso sanguigno) ma dall'altro asciutta a causa dell'assenza di sudorazione. Questi segni rendono facile distinguere il colpo di calore dallo shock da calore, in cui presente un'abbondante sudorazione e la pelle appare arrossata e umida. Nel caso in cui un individuo inizi ad accusare un colpo di calore necessario un intervento medico immediato. Spesso la vita pu essere salvata grazie ad un bagno gelato, che riporta rapidamente la temperatura corporea nell'ambito di valori che consentono una normale termoregolazione. Nel caso in cui l'ipertermia non abbia prodotto un danno permanente ai centri cerebrali responsabili della termoregolazione, possibile assistere ad un ripristino del meccanismo regolatore.

mantenere le variabili regolate vicine al loro set point, la loro funzione principale quella di ridurre il pi possibile i segnali di errore. Ad esempio, un segnale di errore che origina quando la temperatura corporea supera il normale set point di 37C, attiva i meccanismi regolatori che agiranno per riportare la

comporta nello stesso modo: se una variabile regolata aumenta, il sistema risponde facendola diminuire; se al contrario si riduce, il sistema risponde provocandone l'aumento. I sistemi che si comportano in questo modo vengono definiti sistemi a feedback negativo. Un esempio tipico di sistema a feedback negativo rappresentato dal controllo automatico di velocit di un autoveicolo, che opera per mantenere la velocit costante intorno a un valore prefissato (Figura 1.6a e b). Se un'automobile che sta procedendo su terreno pianeggiante improvvisamente incontra una salita, inizier a rallentare. Quando il meccanismo di controllo rileva una differenza tra la velocit reale e quella desiderata, fa in modo che giunga pi benzina al motore aumentando quindi la velocit. Nel momento in cui la velocit dell'automobile raggiunge il valore desiderato, lo stesso sistema decelera per mantenere quella velocit. Se invece l'automobile sta procedendo con velocit costante e uguale a quella desiderata, il sistema di controllo non avr bisogno di intervenire variando il flusso di benzina. Analogamente, la maggior parte dei meccanismi di regolazione omeostatica produce degli aggiustamenti solo quando esistono delle differenze tra il valore reale di una variabile regolata e il valore normale "desiderato", chiamato set point. Ogni differenza tra il valore reale e il set point costituisce un segnale d'errore. Poich tali meccanismi agiscono normalmente per

temperatura attorno al valore di 37C (Figura 1.6c e d). Per poter funzionare in maniera corretta, un meccanismo regolatore omeostatico deve essere in grado di rilevare le oscillazioni della variabile regolata. Questa capacit viene assicurata dall'azione di sensori, cellule (spesso neuroni) che sono sensibili alle modificazioni delle variabili in questione. Ad esempio, alcuni vasi sanguigni contengono cellule chiamate chemocettori che sono sensibili alle concentrazioni di ossigeno e al l'anidride carbonica del sangue. Al tempo stesso nel cervello e in altre regioni del corpo ci sono neuroni chiamati termocettori che sono sensibili alla temperatura. Tipicamente, i sensori inviano segnali (chiamati input) che raggiungono un centro integrativo (spesso un particolare insieme di circuiti nervosi nel cervello) che compara la variabile regolata al valore del set point e organizza le risposte appropriate. In risposta agli input che riceve, il centro integrativo genera segnali di uscita (chia mati output) diretti a cellule, tessuti o organi coinvolti nella ge-1 nerazione della risposta finale. Queste cellule, tessuti o organi | sono chiamati effettori.

CAPITOLO 4 Trasporti di membrana 103

Correnti'd'aria che lo trasportano verso il nostro naso. Questo d verifica poich certe molecole si muovono dalla bottiglia di profumo al nostro naso per semplice diffusione attraverso HL Le molecole si allontanano dalla bottiglia perch sono ^ptncentrate vicino ad essa e meno concentrate lontano da essa e perch queste molecole, come tutte le altre, si muovono spontaneamente secondo il loro gradiente di concentrazione a causa della loro continua agitazione termica. Il movimento di molecole da un punto ad un altro, sempli- come risultato della loro agitazione termica, viene io diffusione, un termine generale che si applica a tutte molecole che si muovono in qualsiasi mezzo. L'agitazione viene spesso chiamata agitazione termica casuale poich le singole molecole si muovono avanti e indietro nelle varie direzioni in seguito a collisioni con altre molecole. Di conseguenza, le singole molecole non seguono alcuna particolare direzione ed in seguito a collisioni cambiano traiettoria in modo imprevedibile. Se l'agitazione termica casuale, come possibile allora che le molecole si muovano secondo il loro gra- libte di concentrazione, che chiaramente un fenomeno ^Hjguale? La risposta sta nella distinzione tra singole molecole, che si muovono casualmente, e popolazioni di molecole, che si muovono sempre secondo il proprio gradiente di concentrazione (Figura 4.7). Poich il movimento di ogni molecola nella Figura 4.7 casuale, ogni molecola ha la stessa probabilit di muoversi a destra o a sinistra (e cos di attraversare o meno la membrana); il flusso netto da sinistra a destra nella figura semplicemente il risultato della presenza di un maggior numero di molecole nel lato sinistro della membrana.

mentre la concentrazione nel compartimento 2 aumenta. Nella Figura 4.8b, la concentrazione nel compartimento 1 si ridotta a 0,75 M, mentre quella nel compartimento 2 diventata 0,25 M. Poich in tal modo si ridotto il gradiente di concentrazione,Lato 1 (concentrazione pi alta)

Lato 2 (concentrazione pi bassa)

anche il flusso netto cala,Molecole che si muovono da sinistra a destra: Molecole che si muovono da destra a sinistra: Molecole che si muovono dal compartimento 1 al compartimento 2: Molecole che si muovono dal compartimento 2 al compartimento 1 : Movimento netto di molecole dal compartimento 1 al compartimento 2:1

Fattori che influenzano la velocit della diffusione sempliceQuando una sostanza viene trasportata passivamenteattraverso |iia membrana per diffusione semplice, la velocit con la quale trasportata dipende da tre fattori: l'ampiezza della forza motrice, la superficie della membrana e la permeabilit della membrana, che indica la facilit con cui le molecole possono attraversarla. Discuteremo adesso in dettaglio ognuno di questi fattori. Ampiezza della forza che guida il trasporto Quando una forza motrice agisce su molecole che attraversano una membrana, questa in grado di influenzare non solo la direzione in cui f s i muovono, ma anche la velocit con cui sono trasportate. Nella maggior parte dei casi, il flusso netto aumenta all'aumentare della forza, ma non sempre. Nella diffusione semplice, la velocit di trasporto direttamente correlata all'entit della forza motrice. Considerate una situazione in cui una membrana separa due soluzioni poste in un contenitore (Figura 4.8). Inizialmente (Figura 4.8a) il compartimento 1 contiene una soluzione 1 M, mentre il compartimento 2 contiene un uguale volume di acqua distillata. A causa della presenza di questo gradiente di concentrazione, si verifica un flusso netto di molecole di soluto dal compartimento ' al compartimento 2. Come risultato, la concentrazione nel scompartimento 1 si riduce

FIGURA 4.7 Modello semplificato che mostra come l'agitazione termica casuale d origine a un movimento di molecole lungo il loro gradiente di concentrazione. Inizialmente, alla sinistra della membrana sono presenti quattro molecole e sulla destra due, ad indicare che la concentrazione maggiore nel versante sinistro. Poich il movimento dovuto all'agitazione termica casuale, met delle molecole si muover verso sinistra e met si muover verso destra.Membrana cellulare Numero di molecole vicino alla membrana: 4 2

Considerando solo le molecole che attraversano la membrana, la direzione generale del movimento sar da sinistra a destra, cio lungo il gradiente di concentrazione.

come indicato dalla freccia pi sottile. Queste modificazioni continuano fino a che le due concentrazioni diventano uguali e, a quel punto, il flusso si ferma (Figura 4.8c). Il grafico della Figura 4.8d mostra che le concentrazioni cambiano sempre pi lentamente man mano che si riduce la loro differenza. In altri termini, il flusso netto diminuisce al diminuire del gradiente di concentrazione. Nel momento in cui le concentrazioni sono diventate uguali, non vi sono pi modificazioni poich il flusso netto zero. In queste condizioni, le molecole continuano a muoversi avanti e indietro attraverso la membrana, ma con uguale velocit in entrambe le direzioni.


Nella diffusione semplice, il flusso netto di una sostanza direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione o al gradiente elettrochimico se la sostanza carica (Figura 4.9). Se il gradiente di concentrazione aumenta o diminuisce di un dato fattore, il flusso aumenta o diminuisce dello stesso fattore.

211

CAPITOLO 6 Trasporti di membrana 103Lato 1 Lato 2

HHnnnnni

Fluss::

netto

una membrana posta in un contenitore, con una certa velocit. Se aumentiamo l'ampiezza del contenitore, raddoppiando la superficie della membrana, il numero di molecoleFIGURA 4.8 Modificazioni del flusso netto di molecole attraverso; una membrana al cambiare del gradiente di concentrazione, (a) Un] elevato gradiente di concentrazione provoca il flusso netto indicato i freccia, (b) In seguito a tale flusso, la concentrazione nel compartimento 1] riduce a 0,75 M, mentre quella nel compartimento 2 cresce a 0,25 M. Am flusso netto si riduce, come indicato dalla freccia pi sottile, (c) Le concentrazioni ai due lati della membrana sono diventate uguali e netto adesso zero, (d) Modificazione nel tempo delle concentrazioni aie lati della membrana.

H _____ m : -

0 M (Acqua pura)

Lato 2

D Con il passare del tempo, il flusso unidirezionale dal compartimento 2 alcompartimento 1 aumenta, diminuisce o resta inalterato?

ilipfii! netto

eiudiu ni che l'attraversa nell'unit di tempo, raddoppia. Notate chec sto vero indipendentemente dal meccanismo di trasporto. Poich l'effetto sul trasporto dovuto alla superficie dj membrana cos evidente, lo tralasceremo nella nostra disi sione. Ricordate, comunque, che i vari tessuti specializzati il trasporto, come l'epitelio polmonare, l'epitelio intestini le pareti dei capillari, sono dotati di ampie superfici di : bio che migliorano la capacit di questi tessuti di trasporj rapidamente grandi quantit di materiale. Mentre la superi dell'epitelio polmonare e di quello intestinale aumen| grazie all'elevato numero di cavit e di invaginazioni, qf dei capillari aumentata dal gran numero di ramificazioni] caratterizzano questi vasi. Permeabilit della membrana La permeabilit di una i brana nei confronti di una particolare sostanza dipendel dalla natura della sostanza trasportata che da varie propj della membrana (diverse dall'area di superfcie) che influeq no la facilit con cui le molecole sono in grado di penet| Per qualsiasi meccanismo di trasporto passivo, una ma permeabilit si traduce in una maggiore velocit di traspoij parit delle altre condizioni. L'influenza della permeabili^ trasporto illustrata graficamente nella Figura 4.10, che! ferisce a una sostanza che attraversa una membrana per $ plice diffusione. Quando la permeabilit elevata, il flit netto aumenta, a parit di gradiente di concentrazione) Approfondimento: Legge di Fick e permeabilit). Discu mo ora brevemente i vari fattori che influenzano la perii lit della membrana. La permeabilit di una membrana nei confronti di un stanza X indicata col simbolo Px e viene spesso definita^ "permeabilit di X". Ad esempio, PNa identifica la perme del sodio (o in alternativa, e pi correttamente, la permeafl "al" sodio). Sebbene l'espressione "permeabilit di X" siar to comune, notate che il termine permeabilit si applica membrane e non alle molecole trasportate, anche se la j meabilit di una membrana non la stessa per tutte le sos ze e dipende pertanto anche dalla natura della molecol^j sportata. Per essere rigorosi, se una sostanza attraver membrana, la sostanza permeante, mentre la membri permeabile (capace di essere permeata-).

__________________Concentrazione: 0,75 M (b) 0,25 M

Lato 1

Lato 2

Concentrazione: 0,5 M (Flusso netto = 0)(c)

0,5 M

__________

2 0,5

Tempo(d)

Superficie della membrana Come regola generale, la velocit con cui le molecole vengono trasportate attraverso una membrana varia in proporzione diretta alla superfcie della membrana stessa. Per capire perch, immaginiamo delle molecole che attraversano


La permeabilit delle membrane cellulari influen seguenti fattori:

CAPITOLO 1 Introduzione alla Fisiologia 11 60 km/h58 km/h 55 km/h 60 km/h

(a)60Set point

Tempo

50

(b)

(c)

Set point (normale)

(d)

Tempo

FIGURA 1.6 Controllo a feedback negativo di una variabile regolata, (a) Eventi che si verificano quando la velocit di un'automobile controllata da un sistema di guida automatica, (b) Il grafico mostra come si modifica la velocit dell'automobile durante la salita. La linea tratteggiata rappresenta la velocit di riferimento (set point) mentre le frecce verticali indicano il segnale di errore, (c) Eventi che si verificano quando la temperatura corporea viene riportata alla normalit dopo un aumento iniziale, (d) Il grafico illustra le modificazioni della temperatura in tale situazione.

La Figura 1.7 mostra un esempio di meccanismo di controllo omeostatico della temperatura corporea. Per controllare la temperatura corporea, i termocettori mandano segnali ai centri termoregolatori del cervello, responsabili della regolazione della temperatura. Quando la temperatura cresce oltre il set point, i centri termoregolatori inviano segnali agli effettori, che inducono una riduzione della temperatura corporea. Poich questa riduzione della temperatura viene avvertita dai termocettori e nuovamente segnalata

all'indietro ai centri termoregolatori, la risposta del sistema effettivamente rimandata indietro all'ingresso del sistema, generando il cosiddetto ciclo a feedback (Figura 1.7). Questo meccanismo viene chiamato


Variabile regolata (| temperatura corporea)

Ipofisi Secrezione di LH

t Segnali agli effettori Centri termoregolatori del cervello Effettori (ghiandole sudoripare, cute, circolo sanguigno e muscoli scheletrici) Risposta (I temperatura corporea)

Feedbac k positivo

Secrezione Ovaie di estrogeni

I

Feedback negativo

T

FIGURA 1.8 Sistema a feedback positivo. Questo sistema a retroazione opera controllando la secrezione di estrogeni dalle ovaie. L'ormone LH stimola la secrezione di estrogeni, che stimola a sua volta rilascio di LH, che stimola maggior rilascio di estrogeni, ecc.

FIGURA 1.7 Sistema a feedback negativo. Questo sistema a retroazione opera controllando la temperatura corporea come descritto nel testo. Le frecce verso l'alto e verso il basso all'interno dei riquadri indicano rispettivamente aumento e diminuzione. La linea tratteggiata indica che la risposta del sistema influisce sul segnale afferente.

rifica mai una sua crescita all'infinito o una perdita del suo controllo; ci avviene perch vi sono sempre fattori che agiscono per far terminare il feedback positivo, sia rimuovendo lo stimolo originale, sia limitando la capacit del sistema di rispondere a quello stimolo. Durante il picco dell'LH, ad esempio, la concentrazione di LH cresce rapidamente, ma poi inizia a decrescere poich l'ovulazione provocata dal picco a sua volta inibisce temporaneamente la capacit delle ovaie di secernere estrogeni. La risultante caduta di concentrazione degli estrogeni plasmatici rimuove lo stimolo che ha provocato la crescente secrezione di LH e causa il ritorno dell'LH ai valori di base.

feedback negativo poich la risposta del sistema (la riduzione della temperatura) ha direzione opposta rispetto al cambiamento che l'ha prodotta (un aumento della temperatura). Il feedback negativo importante perch consente ad un sistema di regolazione di sapere se si stanno verificando gli aggiustamenti appropriati della variabile regolata. Ad esempio, nel momento in cui l'aumento della temperatura corporea scatena una risposta compensatoria di segno opposto attraverso un feedback negativo, il segnale di errore diminuisce fino al raggiungimento di una temperatura corporea pressoch normale. Se cos non fosse, i meccanismi termoregolatori potrebbero continuare a ridurre la temperatura anche sotto il valore di set point. Allo scopo di illustrare in maniera pi concreta la funzione dei meccanismi a feedback negativo, i meccanismi di controllo della temperatura corporea verranno discussi in maggiore dettaglio nel prossimo paragrafo. Oltre ai sistemi a feedback negativo, esiste anche qualche sistema a feedback positivo importante in Fisiologia. Nel feedback positivo, la risposta del sistema va nella stessa direzione del cambiamento della variabile che l'ha prodotta. Nelle femmine, per esempio, l'ipofisi (una piccola ghiandola che si trova alla base del cervello) secerne un ormone chiamato ormone luteinizzante (LH) che stimola le ovaie a secernere altri ormoni chiamati estrogeni, che regolano la funzione riproduttiva. In particolari condizioni, un aumento della concentrazione plasmatica degli estrogeni pu indurre un aumento della screzione di LH. Ci stimola a sua volta la secrezione di estrogeni, che aumenta ulteriormente la secrezione di LH, quindi di estrogeni, di LH, e cos via (Figura 1.8). Il risultato un rapidissimo aumento dell'LH plasmatico, conosciuto come picco dell'LH, che inizia l'ovulazione. Al contrario del feedback negativo, che riduce al minimo le modificazioni delle variabili fisiologiche, il feedback positivo utile ad alcuni meccanismi fisiologici per permettere ad una variabile di cambiare molto rapidamente in risposta ad uno stimolo. Nonostante un feedback positivo permetta il rapido cambiamento di una variabile, in condizioni fisiologiche non si ve-

Test veloci 1.31. Definite il concetto di omeostasi e spiegate come essa permetta al corpo di adattarsi ai cambiamenti dell'ambiente. 2. Spiegate come agisce il feedback negativo nel mantenere l'omeostasi.

L'omeostasi in azione: la termoregolazioneQuando giunge la notte nel deserto, i serpenti, le lucertole e gli insetti che di giorno sono attivi iniziano a cadere in uno stato di torpore e alcuni diventano appena incapaci di muoversi. Questo cambiamento del loro comportamento si verifica poich la riduzione della temperatura induce un raffreddamento corporeo di questi animali che, a sua volta, rallenta le reazioni biochimiche e gli altri processi metabolici. Al contrario, gli esseri umani e gli altri mammiferi sono influenzati in misura minore dai cambiamenti della temperatura esterna perch sono dotati della capacit di mantenere la loro temperatura corporea all'interno di un ambito piuttosto ristretto (un processo chiamato termoregolazione). Gli animali provvisti di questa capacit vengono definiti omeotermi, quelli che invece ne sono sprovvisti sono chiamati pecilotermi. Tutti gli animali (e gli altri esseri viventi) producono calore in j conseguenza del metabolismo, ma gli animali Qmeotermi sono capaci di controllare la temperatura corporea regolando la velocit con la quale il calore viene prodotto e disperso dall'organismo. Aumentando la velocit di produzione del calore e/o ridu- I


cendo la velocit della sua dispersione, la temperatura corporea viene fatta salire; riducendo la produzione di calore e/o aumentando la sua dispersione, la temperatura del corpo si riduce. Vi sono comunque dei limiti entro i quali questi meccanismi termoregolatori possono funzionare. L'esposizione prolungata a temperature estremamente rigide pu causare una riduzione della temperatura corporea al di sotto del valore di set point, condizione nota come ipotermia. Questo succede a coloro che sfortunatamente sono bloccati da una tempesta di neve in montagna o cadono dalla barca in acque gelide. Questa serie di sfortunati eventi causa rapidamente torpore, perdita di coscienza, malfunzionamento di molti organi e infine a morte. Al contrario, sforzi fisici imponenti o l'esposizione a temperature ambientali estremamente elevate possono indurre la temperatura corporea a superare il set point, condizione chiamata ipertermia. Se l'ipertermia diviene abbastanza grave, pu portare a perdita di coscienza, convulsioni, arresto respiratorio e morte. Questi effetti avversi iniziano ad apparire quando la temperatura corporea si avvicina ai 41C mentre una temperatura di 43C, o oltre, in genere fatale.

Meccanismi di scambio di calore tra l'organismo e l'ambiente esternoNella maggior parte delle condizioni, l'organismo cede calore all'ambiente poich la temperatura circostante normalmente pi bassa di quella corporea. Quando la velocit di perdita di calore uguale alla velocit di produzione di calore, la temperatura corporea non cambia. In genere la dispersione di calore avviene in tre modi: (1) per irraggiamento, (2) per conduzione e (3) per evaporazione. Nell'irraggiamento, l'energia termica trasferita dal corpo all'ambiente sotto forma di onde elettromagnetiche. una legge fisica generale, secondo la quale tutti gli oggetti emettono e assorbono queste onde, seppure in maniera variabile. Quando un oggetto pi caldo dell'ambiente circostante, emette pi energia di quanta ne assorbe e quindi perde calore. Al contrario, se un oggetto pi freddo dell'ambiente circostante, assorbe pi energia di quanta ne emette e si riscalda. Se vi mai capitato di avvertire il calore proveniente da un fuoco, pur trovandovi a diversi metri di distanza, ci avviene perch state assorbendo calore sotto forma di energia radiante. La conduzione il trasferimento di energia termica tra oggetti in diretto contatto gli uni con gli altri. Come nell'irraggiamento, il calore sempre trasferito da un oggetto pi caldo ad uno pi freddo. Quando ad esempio si tocca un metallo freddo, si avverte freddo poich l'energia termica trasferita direttamente dalla nostra pelle al metallo freddo. Nell'evaporazione, un oggetto perde calore mediante l'evaporazione dell'acqua dalla sua superfcie. Per far s che l'acqua evapori dal corpo, deve essere convertita dalla forma liquida a quella gassosa. Il processo richiede l'assorbimento di energia termica dal corpo. L'evaporazione si verifica attraverso la pelle, la superficie interna dei polmoni e altre superfici umide come l'interno della bocca. Questo processo conosciuto come perdita insensibile di acqua, poich si verifica continuamente senza che ve ne sia consapevolezza. Il corpo perde acqua anche attraverso l'evaporazione del sudore, una soluzione salina che viene secreta da numerose piccole ghiandole sudoripare presenti sulla pelle. Al contrario della perdita insensibile di acqua, che per definizione inevitabile, la produzione di sudore regolata sulla base delle necessit dell'organismo. Ad esempio, quando

necessario aumentare la dispersione di calore, aumenta la sudorazione. In seguito a ci, aumentando la quantit di acqua che evapora dalla pelle, aumenta la quantit di energia termica dispersa dal corpo. Quando la temperatura ambientale pi calda della temperatura corporea, l'irraggiamento e la conduzione trasferiscono calore al corpo. Poich in tale modo viene aggiunto calore a quello generato dal corpo stesso, come possibile regolare la temperatura corporea in condizioni simili? La risposta che l'organismo pu servirsi solamente dell'evaporazione per disperdere calore, pertanto aumenta la sudorazione. V, evaporazione e\ sudore riesce a raffreddare l'organismo anche in queste condizioni poich l'acqua continua ad evaporare anche se pi fredda dell'ambiente circostante, a condizione che il tasso di umidit ambientale non sia troppo alto. La convezione, il trasferimento di calore da un luogo all'altro mediante movimento di gas o liquidi, contribuisce alla perdita di calore in un giorno di vento. In queste condizioni l'aria che pi vicina alla nostra pelle si riscalda grazie al calore sottratto alla nostra superficie cutanea. Questo strato di aria pi calda forma cos una specie di "coperta" attorno al corpo che rallenta la perdita di calore dovuta alla conduzione. Inoltre, poich l'aria che forma questo strato protettivo contiene l'umidit evaporata dalla pelle, tende a essere pi umida dell'aria circostante e riduce di conseguenza la velocit di perdita di calore della pelle mediante evaporazione. Al contrario, nel caso in cui ci sia un movimento d'aria attorno al corpo, come accade in una giornata ventosa, si riduce lo spessore della "coperta" d'aria ed aumentano le perdite di calore dovute alla conduzione e all'evaporazione.

I componenti che formano il sistema termoregolatoreGli sforzi termoregolatori dell'organismo sono coordinati da diversi centri nel cervello. Tra questi il pi importante nell'ipotalamo, una regione che si trova alla base del cervello proprio sopra l'ipofisi. I segnali di ingresso (input) a questi centri cerebrali provengono da termocettori localizzati nel cervello, nel midollo spinale e in altri organi interni. Questi recettori, conosciuti come termocettori centrali sono particolarmente importanti poich misurano la temperatura nelle regioni pi profonde dell'organismo (conosciuta come temperatura centrale). Altri termocettori, chiamati termocettori periferici, si trovano nella cute, esposti a temperature in genere molto al di sotto della temperatura centrale e molto pi variabili di questa. Questi recettori, ci permettono di percepire la temperatura dell'ambiente esterno. Tale capacit agisce indirettamente sulla termoregolazione, poich consente di compensare i cambiamenti di temperatura ambientale mediante aggiustamenti comportamentali, come il vestirsi adeguatamente o l'evitare le temperature estreme. I segnali in uscita (output) dai centri termoregolatori del cervello vengono trasmessi dai neuroni a vari effettori che modificano la velocit di produzione o dispersione del calore. Questi effettori comprendono: le ghiandole sudoripare, che controllano la dispersione termica indotta dall'evaporazione aumentando o riducendo la secrezione di sudore; i vasi sanguigni cutanei, che controllano la dispersione termica per conduzione e irraggiamento aumentando o riducendo il flusso sanguigno cutaneo; i muscoli scheletrici, che controllano la produzione di calore mediante i brividi, rapide contrazioni involontarie dei muscoli che generano calore in seguito all'aumento del metabolismo correlato alla contrazione muscolare.


30

II C + D i reagenti A e B vengono trasformati nei prodotti C e D. Per convenzione le reazioni vengono di norma scritte con i reagenti a sinistra e i prodotti a destra. Si dice che una reazione procede "in avanti" quando procede da sinistra a destra - cio, quando i reagenti vengono trasformati in prodotti. In alcune condizioni, alcune reazioni possono procedere nella direzione opposta; in questo caso si dice che la reazione procede "all'indietro". Per poter comprendere appieno le reazioni chimiche necessario aver chiaro che nonostante parliamo di reazioni che procedono in avanti o all'indietro, esse in realt sono bidirezionali, intendendo con questo termine il fatto che esse nello stesso tempo procedono in entrambe le direzioni. Questo significa che quando le molecole di reagenti vengono convertite in prodotti, alcune molecole di prodotto vengono riconvertite in reagenti. Per indicare questo, le reazioni vengono spesso disegnate con la doppia freccia: A+B^C+D Quando diciamo che una reazione procede in avanti o all'indietro, ci riferiamo alla direzione dell'intera (netta) reazione. Supponiamo, per esempio, che in un dato intervallo di tempo alcune molecole di prodotto vengano convertite in reagenti, ma che un numero maggiore di molecole di reagente venga convertito in prodotti. In questo caso, la reazione netta procede in avanti, in quanto un maggior numero di molecole di reagente viene convertito in prodotto e viceversa. A meno che non sia diversamente specificato, utilizzeremo il termine in avanti o all'indietro per riferire la direzione netta della reazione. Le reazioni metaboliche vengono classificate in due classi generali: cataboliche o anaboliche, a seconda che le molecole prodotte siano pi semplici o pi complesse delle molecole di reagente. Una reazione viene detta catabolica se determina la rottura di molecole grandi in molecole pi piccole. Esempi di reazioni cataboliche sono la rottura di proteine in aminoacidi e la rottura del glicogeno in singole molecole di glucosio, che hanno luogo, entrambe, in seguito all'ingestione di cibo. Una reazione viene detta anabolica se determina la produzione di molecole pi grandi a partire da reagenti pi piccoli. Esempi sono la sintesi di proteine a partire dagli aminoacidi e la sintesi di glicogeno a partire dal glucosio. Entrambi si verificano nelle cellule in seguito all'assorbimento di nutrienti assunti. La rottura e la sintesi di grosse molecole vengono a volte indicate, rispettivamente, con i termini di catabolismo e anabolismo. In molti casi, le reazioni metaboliche sono tra loro legate da una serie di passaggi nei quali i prodotti di una reazione diventano i reagenti della successiva. Questa serie di reazioni viene chiamata via metabolica e pu essere indicata nel modo seguente: A + X>B>C>D+Y oppure

Suggerimenti per lo studio Verificare di aver compreso i seguenti argomenti:ili. Biomolecole, p. 22 p. Mitocondri, p. 38 3. Struttura membrana, p. 32 della

el Capitolo 1, abbiamo descritto l'omeostasi come un tema fondamentale della Fisiologia. L'omeostasi richiede coordinazione dei sistemi nel mantenere il mezzo interno dell'organismo in uno stato compatibile con la vita. Per poter portare avanti le loro funzioni, le cellule che formano i sistemi devono lavorare in maniera efficiente, il che richiede molte reazioni chimiche ed energia. L'insieme di tutte le reazioni chimiche che hanno luogo nelle cellule viene chiamato metabolismo. In questo capitolo ci focalizzeremo sui tipi di reazioni che forniscono l'energia necessaria per svolgere il lavoro cellulare. In primo luogo, questa energia deve essere estratta dalle biomolecole assunte con il cibo; poi deve essere trasformata prima di essere impiegata o immagazzinata per essere utilizzata in seguito. L'insieme delle reazioni coinvolte nell'immagazzinamento e nell'utilizzo di energia (chiamato anche bilancio energetico) viene detto metabolismo energetico.

N

Tipi di reazioni metaboliche

x

r

Ciascuna reazione chimica comporta la trasformazione dei Questa via metabolica consiste in una serie di tre reazioni. Nel materiali che vengono utilizzati nella reazione, detti reagenti, in primo passaggio, il materiale di partenza A reagisce con X per materiali diversi, detti prodotti. Nella reazione:Y

>

CAPITOLO 3 Metabolismo cellulare 59 TABELLA 1.1 Sistemi di organi Sistema

Endocrino Nervoso Muscolo-scheletrico Cardiovascolare Respiratorio Urinario Gastrointestinale Riproduttivo Immunitario

Provvede alla comunicazione tra cellule del corpo attraverso segnali elettrici e al rilascio di neurotrasmettitori in piccole zone di connessione tra cellule Alcuni organi/tessuti del sistema Sostiene il corpo; permette i movimenti volontari del corpo; permette le espressioni facciali Trasporta le molecole lungo il corpo attraverso il circolo ipotalamo, ghiandola pituitaria, ghiandola sanguigno surrenale, ghiandola tiroide, ghiandole paratiroidi, timo, pancreas Fornisce ossigeno a tutto il corpo ed elimina l'anidride carbonica dal corpo Cervello, midollo spinale, nervi periferici Filtra il sangue per regolare l'acidit, il volume ematico e la concentrazione ionica; elimina le sostanze di scarto Muscolo scheletrico, ossa, tendini, legamenti Frantuma il cibo e lo assorbe nel corpo Cuore, vasi, sangue Polmoni, faringe, trachea, bronchi Rene, uretere, vescica, uretra Bocca, esofago, stomaco, intestino tenue, intestino crasso, fegato, pancreas, cistifellea Genera prole Protegge il corpo da cellule patogene e anomale Protegge il corpo dall'ambiente esterno

non assomiglia per niente ad un organismo reale: non solo la forma sbagliata, ma semplicistica e sembra Tegumentario Gonadi, tratti e ghiandole riproduttive trascurare alcune parti. Il sistema gastrointestinale, ad Globuli bianchi, timo, linfonodi, milza, tonsille esempio, rappresentato come un tubo dritto che si no fisicamente connessi estende attraverso il corpo da una parte all'altra e i Pelle gli uni agli altri, mentre polmoni sono mostrati come una saccoccia. L'intricata in altri casi gli organi che rete dei vasi sanguigni mostrata come un singolo formano un sistema sono canale e il cuore, che pompa il sangue all'interno del sipi dispersi e non constema circolatorio, rappresentato come una scatola. Inoltre, nessi reciprocamente. Questo il caso del sistema endocrino, che diversi tipi cellulari come le fibre nervose, muscolari e connetcomprende tutte le ghiandole del corpo che secernono ormoni, e tivali sono disegnati come elementi a s stanti e sono denominati del sistema immunitario, che protegge l'organismo dai genericamente "cellule". Inoltre, i reni sono rappresentati microrganismi e da altre sostanze estranee ad esso. Tutti i sistemi semplicemente come un tubulo cieco che, eterno V^ e le loro principali attivit sono elencati nella Tabella 1.1. realt ogni rene composto da un gran numero di tubuli che Nonostante il concetto di sistemi sia apparentemente producono urina). semplice, la linea di demarcazione tra i vari sistemi non sempre Nonostante la sua mancanza di dettagli (o pi correttamente, chiara poich vari organi svolgono funzioni che appartengono a grazie a ci), la Figura 1.4 sottolinea un importante concetto che pi di un sistema. Un esempio tipico il pancreas, che CQ^ttoft non emergerebbe in maniera cos esplicita da una M%\%\ 6 C02 + 6 H20 In questa reazione, 02 la forma molecolare dell'ossigeno, la forma nella quale presente nell'atmosfera, e C02 l'anidri] de carbonica. Questa definizione specifica di ossidazione in accordo con la definizione pi generica (rimozione di elettro] ni) in quanto un atomo di ossigeno trattiene molto stretta] mente gli elettroni e tende a strapparli agli altri atomi ai qua! essi sono legati, anche se non riesce a rimuoverli completai mente. Il termine ossidazione viene anche utilizzato in riferimeij to alla rimozione di atomi di idrogeno da una molecola, comej viene mostrato dalla seguente reazione:

Reazioni di idrolisi e condensazione

Dopo aver ingerito un pasto ricco di proteine, il tratto gastrointestinale rompe le molecole proteiche relativamente grosse in aminoacidi, che sono considerevolmente pi piccoli e pi facili da assorbire in circolo. Questa reazione, come molte altre reazioni cataboliche, un esempio di idrolisi. Nel processo di idrolisi, che significa "scindere con l'acqua", l'acqua reagisce con le molecole, determinando la rottura dei legami che tengono assieme la HABH A=B + 2 H molecola. In questo caso, i legami che vengono interrotti sono i legami peptidici che legano assieme gli aminoacidi per formare le In questo esempio, la rimozione di due atomi di idrogeno de l proteine. La forma generale della reazione di idrolisi la seguente: termina la sostituzione del singolo legame che lega A e B coni un doppio legame. Anche se vengono rimossi gli atomi di idra geno AB + H20 -> AOH + HB (e non gli elettroni), la reazione viene sempre considera In questa reazione, la molecola AB viene scissa nelle parti che la un'ossidazione in quanto ciascuno di questi atomi trattiene uni compongono A e B, in seguito alla scissione dei legami che elettrone. Quindi, la rimozione di questi atomi implica la rimofl originariamente le legavano assieme. In questo processo, una zione di elettroni che originariamente facevano parte della m-fl molecola d'acqua (H20) si divide in due parti, un gruppo lecola di reagente (di conseguenza, gli atomi di idrogeno ven-B ossidrilico (OH) e un idrogeno (H), uno dei quali si combina gono, a volte, chiamati riducenti equivalenti). L'aggiunta M con A mentre l'altro si combina con B. Come risultato, il legame tra idrogeno ad una molecola, reazione contraria alla precedenlM viene detta riduzione e viene indicata come segue: A e B viene rotto e sostituito con nuovi legami. Il processo contrario all'idrolisi chiamato condensazione e A=B + 2H-) HABH consiste nel legare assieme due o pi molecole piccole per Alcune reazioni di ossidazione o di riduzione richiedoiM formarne una pi grossa, cos come succede quando gli aminoacidi si legano assieme per formare le proteine. In questo l'effettiva rimozione o l'aggiunta di elettroni, causando modiijfl cazioni della carica elettrica delle molecole. Questo, come viH processo l'acqua viene generata come prodotto: dremo, avviene nella fosforilazione ossidativa, un processo cflH ha AOH + HB AB + H20 luogo nei mitocondri e che cruciale per il metabolismi energetico. In alcuni punti di questo processo gli elettroni vengono rimossi da coppie di atomi idrogeno che diventai

Reazioni di fosforilazione e defosforilazione

In molte reazioni metaboliche, particolarmente in quelle coinvolte negli scambi di energia, un gruppo fosfato viene o aggiunto ad una molecola o rimosso da essa. L'aggiunta di un gruppo fosfato (abbreviato con P) viene detta fosforilazione e pu essere scritta in modo abbreviato nel modo che segue: A + Pj AP In questo caso, il gruppo fosfato libero viene abbreviato con P| per indicare il fosfato inorganico che, in condizioni fisiologiche, esiste principalmente nella forma ionizzata HP0 42_ o H2P04-. Il legame che si forma in seguito a questa reazione (che il legame che lega A a P) noto come legame fosforico. La rimozione di un gruppo fosfato viene detta defosforilazione e pu essere scritta nella maniera che segue: AP A + Pj

i#aki i ulu 3 Metabolismo cellulare 68

Reagenti Liberazione di energia Prodotti Richiesta di energia

Prodotti

AE negativ o Andamento della reazione

Reagenti

aF=positivo

(a)

(b)

Andamento della reazione

FIGURA 3.1 Bilancio energetico delle reazioni. Le frecce ondulate indicano il trasferimento di energia nella reazione, (a) Quando l'energia dei reagenti maggiore di quella dei prodotti, il bilancio energetico negativo e l'energia rilasciata dalla reazione, (b) Quando l'energia dei prodotti maggiore di quella dei reagenti, il bilancio energetico positivo e l'energia viene aggiunta alla reazione.

idrogenioni carichi positivamente (H+). Un esempio di ossidazione : H2 -> 2 H+ + 2 e-

considerazione la natura della relazione che intercorre tra reazioni chimiche e energia.

In altri punti della fosforilazione ossidativa avviene il processo contrario; con gli elettroni che si combinano agli ioni idrogeno una verit innegabile della natura che le reazioni chimiche per formare atomi di idrogeno elettricamente neutri. Un sono sempre accompagnate dalla liberazione o dall'utilizzo di energia. In altre parole, tutte le reazioni richiedono scambi esempio di riduzione : energetici di un tipo o dell'altro. Questi scambi si attuano in quanto le molecole possiedono energia; tipi diversi di molecole 2 H+ + 2 e- -> H2 possiedono diverse quantit di energia. Quando una reazione libera energia, questo avviene poich le molecole dei reagenti possiedono pi energia delle molecole dei prodotti; in questo Test veloci 3.1 caso i reagenti entrano nella reazione con una certa quantit di energia e i prodotti ne escono con una quantit inferiore. In '1. Qual la distinzione fondamentale tra una reazione anabolica e una accordo con la prima legge della termodinamica, l'energia di un reazione catabolica? sistema chiuso costante, ovvero, l'energia non pu essere n creata Descrivere in termini generali che cosa avviene nell'idrolisi, nella fosforilazione e nelle reazioni ossidative. 3. Per ogni tipo di reazione elencata n distrutta ma pu solamente cambiare forma. Quindi, se i prodotti della reazione hanno una minore quantit di energia di nella domanda 2, definire il termine che si riferisce alla reazione contraria. quella posseduta dai reagenti in entrata, allora, l'energia "extra" deve essere stata rilasciata in una forma o nell'altra durante il corso della reazione:

Bilancio energetico delle reazioni

Reazioni metaboliche ed energia

Le reazioni metaboliche che hanno luogo nel nostro corpo svolgono numerose funzioni. Una delle funzioni pi importanti quella di permettere alle cellule di trasformare le materie prime provenienti dall'ambiente nella grande variet di sostanze delle quali costituito l'organismo. Le reazioni metaboliche forniscono anche energia, definita in modo generico come capacit di eseguire un lavoro. Il corpo esegue, ovviamente, un lavoro durante il movimento. Quando spingiamo un carrello, ad esempio, esercitiamo una certa forza sul carrello per muoverlo fino a raggiungere una certa distanza. La quantit di lavoro eseguito il prodotto della forza esercitata per la distanza percorsa (lavoro = forza x spostamento). Il corpo, per, esegue lavoro anche in altri modi - anche se non si muove - ed obbligato a farlo continuamente per sopravvivere. Il cuore esegue un lavoro quando pompa il sangue, i reni eseguono un lavoro quando producono urina e le cellule eseguono un lavoro quando si moltiplicano per riparare tessuti danneggiati. Tutti questi lavori vengono eseguiti utilizzando l'energia che deriva dalle reazioni metaboliche. In questa sezione prenderemo in

reagenti -> prodotti + energiaL'energia pu essere rilasciata sotto forma di calore o assumere

qualche altra forma e, in alcune circostanze, pu essere utilizzata per eseguire un lavoro. Un esempio familiare di reazione che libera energia la combustione della benzina. Quando la benzina viene fatta bruciare all'aperto, essa genera energia - luce e calore sotto forma di fiamme. Quando invece viene fatta bruciare all'interno del motore di un'automobile, parte dell'energia viene utilizzata per eseguire il lavoro che permette all'automobile di muoversi. Il bilancio energetico di ciascuna reazione (espresso con AE) la differenza tra l'energia dei prodotti (prodotti) e l'energia dei reagenti (reagenti): AE= prodotti - reagenti (il simbolo A, o delta, viene frequentemente utilizzato per indicare la variazione di una certa quantit). Siccome in una reazione che libera energia i prodotti possiedono meno energia dei reagenti, il bilancio energetico A E in tale reazione negativo. Questo viene illustrato nella Figura 3.la, nella quale la distanza lungo l'asse

CAPITOLO 3 Metabolismo cellulare 59

Nel momento in cui il sasso viene spinto in salita viene prodotto lavoro e l'energia potenziale del sasso aumenta.

Nel momento in cui il sasso rotola in basso, l'energia potenziale viene convertita in energia cinetica man mano che il sasso aumenta di velocit.

y

infine

FIGURA 3.2 Energia potenziale ed energia cinetica.

rappresenta la quantit di energia presente nelle molecole di reagente o prodotto, e la distanza lungo l'asse x rappresenta il progredire della reazione, cio la trasformazione di reagenti in prodotti. La Figura 3.1b illustra il bilancio energetico di una reazione che richiede energia, e che pu essere scritto nel seguente modo: reagenti + energia prodotti In questo caso, i prodotti possiedono pi energia dei reagenti e quindi il bilancio energetico A E positivo. Siccome l'energia non pu essere creata, l'energia "extra" acquisita dai prodotti deve derivare da una qualche fonte diversa dalle molecole di reagente. Probabilmente l'esempio pi familiare di processo che richiede energia quando viene fatta bollire dell'acqua. Per far bollire dell'acqua necessario fornire ad essa dell'energia (per esempio, scaldandola sul fornello). La variazione di energia A E viene generalmente espressa in unit di energia o di calore, come le calorie (cai) o le chilocalorie (kcal), ma pu essere indicata in joule (J) o chilojoule (kj). Una caloria la quantit di energia che, in condizioni standard, deve essere fornita ad un grammo di acqua (1 mi) per alzare la sua temperatura di un grado centigrado (C). Una caloria equivale a 4,18 joule e una chilocaloria o un chilojoule corrispondono, rispettivamente, a 1000 calorie o a 1000 joule. La quantit di energia liberata o consumata in una reazione dipende non solo dalla natura dei reagenti e dei prodotti coinvolti, ma anche dalla quantit di reagenti consumati o di prodotti risultanti. All'aumentare di tale quantit, l'entit della variazione energetica aumenta in modo direttamente proporzionale. Per questa ragione, A E viene comunemente espresso in unit di kcal/mole o unit equivalenti.

convertita io energia cinetica (in altre parole, l'energia potenziale ha la po i tenzialit di diventare energia cinetica). Quando solleviam un oggetto o lo spingiamo in salita, per esempio, spendiamc energia per eseguire un lavoro. Allo stesso tempo, parte di quei sta energia viene immagazzinata come energia potenziale, il quanto l'energia potenziale dell'oggetto aumenta sempre dj pi man mano che l'oggetto viene sollevato o si trova pi in al to lungo la salita. Questa energia potenziale pu essere conj vertita in energia cinetica permettendo all'oggetto di cadere a] suolo o di rotolare gi dalla salita (Figura 3.2). L'energia chimica, ovvero l'energia contenuta nei chimici che tengono assieme le molecole, una forma di enei] gi potenziale. chiaro quindi che quando parliamo di scarti] bio energetico in una reazione stiamo parlando dello scambi! di energia potenziale. Nei diagrammi energetici quali quel della Figura 3.1, si assume che le molecole di reagente e di pro-i dotto abbiano la stessa temperatura (ossia, che abbiano! stessa energia cinetica) e, quindi, qualsiasi differenza in enerj gi tra i reagenti e i prodotti deve riflettere differenze di eni gi potenziale. Nel prossimo paragrafo vedremo come scambio energetico in una reazione non solo determina l'energia venga liberata o richiesta, ma anche la direzione ver-] so la quale la reazione procede.

Come il bilancio energetico di una reazione ne determina la direzioneSappiamo per esperienza che le reazioni chimiche hanno late denza naturale a procedere in una certa direzione. Per esemp quando si d fuoco ad un pezzo di carta, questo brucia find non ridotto in cenere (sempre che vi sia ossigeno sufficientj ma non succede mai che la combustione della carta si fer vada al contrario in modo che la cenere venga nuovamente I sformata in carta. La ragione di questo che la combustiti della carta una reazione che libera energia e le reazioni che\ berano energia procedono spontaneamente in avanti (dire i un processo avviene spontaneamente significa che ha luogo j per s, ossia senza che gli venga fornita energia). Affinch lai nere ritorni carta, sarebbe necessario che la reazione di coratj stione della carta andasse in senso opposto, il che richiedere energia invece di liberarne. Questo non accade, in quanto lei zioni che richiedono energia non procedono in avanti spot neamente ma solo se ad esse viene fornita energia (infatti, lei zioni che richiedono energia procedono spontaneamentej senso opposto se non viene fornita energia).

Energia cinetica ed energia potenzialeQuando diciamo che le reazioni liberano o richiedono energia, oppure che le molecole di reagente o prodotto possiedono una certa quantit di energia, che cosa intendiamo? Per rispondere a questa domanda dobbiamo prima chiarire che esistono due tipi base di energia: l'energia cinetica e l'energia potenziale. L'energia cinetica, a volte indicata con il termine energia di movimento, il tipo di energia posseduta dagli oggetti in movimento. L'energia cinetica di un oggetto dipende dalla massa dell'oggetto e da quanto veloce si muove ed aumenta all'aumentare di entrambi questi fattori. Gli atomi e le molecole possiedono energia cinetica in quanto sono sottoposti a movimento termico, un movimento casuale o una vibrazione che esiste a qualsiasi temperatura al di sopra dello zero assoluto. Questa energia cinetica aumenta in modo direttamente proporzionale alla temperatura delle molecole e viene spesso ini dicata come energia termica o calore. L'energia potenziale, al contrario, non associata al movimento ma invece un tipo di energia che pu essere immagazzinata e


yRQFQNDIMENTQ DI CHIMICA

Occasionalmente, le concentrazioni vengono espresse in termini di

massa di soluto contenuta nell'unit di volume di soluzione -grammi per litro,g/l, 0 microgrammi per litro, |ig/l = 1 x 10-6 g/I). Talvolta in fisiologia, l'unit di volume il decilitro (di = 0,1 I), equivalente a 100 millilitri (100 mi). La concentrazione di una soluzione che contiene un grammo di soluto per decilitro frequentemente espressa come all'I percento ( 1%), perch le soluzioni fisiologiche sono prevalentemente in acqua e 100 millilitri di acqua pesano 100 grammi.

Soluzioni e concentrazioniUna miscela di molecole sciolte in un liquido viene chiamata soluzione. La sostanza disciolta, che in genere un solido o un gas in forma pura, viene detta soluto, mentre il liquido viene chiamato solvente. Le molecole di soluto sono disciolte quando sono completamente separate le une dalle altre e circondate da molecole di solvente, kg concentrazione di una soluzione una misura della quantit di soluto contenuta in un'unit di volume di soluzione. Mentre la quantit di soluto viene in genere espressa in termini di moli (moli), il volume viene spesso espresso in litri (I). Se una mole di soluto viene disciolta in un litro di soluzione, la concentrazione 1 molare (1 M = 1 mol/l). Se 1/1000 di mole (cio una millimole) di soluto viene disciolto in un litro di soluzione, la concentrazione sar 0,001 molare o 1 millimolare (1 mM = 1 x IO-3 mol/l). Nel caso di soluzioni molto diluite, le

Queste regole riflettono un'altra verit fondamentale della natura: i sistemi hanno la naturale tendenza a spostarsi da stati di energia potenziale pi alta a stati di energia potenziale pi bassa. Sappiamo, infatti, che un sasso rotoler spontaneamente gi da una collina ma non risalir (sempre che gli venga fornita dell'energia per iniziare il movimento), in quanto l'energia potenziale del sasso diminuisce man mano che esso scende verso il basso; affinch il sasso possa risalire la collina, necessario che la sua energia potenziale aumenti. In modo simile, una reazione che libera energia (reagenti -> prodotti + energia) procede in avanti spontaneamente in quanto l'energia potenziale diminuisce man mano che i reagenti che possiedono molta energia vengono trasformati in prodotti a bassa energia. Viceversa, una reazione che richiede energia (reagenti + energia prodotti) non procede

Una reazione viene detta in equilibrio quando non vi una netta direzione di reazione; cio quando il reagente convertito in prodotto alla stessa velocit con la quale il prodotto convertito in reagente. L'equilibrio raggiunto quando i reagenti e i prodotti possiedono la stessa energia e, quindi, il bilancio energetico A E zero. importante notare che l'equilibrio non viene raggiunto quando la concentrazione del reagente uguale a quella del prodotto, ma quando i livelli di energia del reagente e del prodotto sono uguali. Per esempio, quando le molecole dei reagenti hanno pi energia rispetto a quelle dei prodotti, in condizioni di equilibrio la concentrazione del prodotto deve essere maggiore rispetto a quella dei reagenti affinch i livelli energetici dei reagenti e del prodotto siano uguali.

La legge di azione di massaL'energia delle molecole di reagente o di quelle di prodotto determinata da diversi fattori, tra cui il numero e i tipi di legami chimici presenti, la natura del solvente nel quale le molecole sono disciolte e le concentrazioni delle molecole. In generale, all'aumentare della concentrazione di molecole, aumenta l'energia di tali molecole (Approfondimento di chimica: Soluzioni e concentrazioni). A causa di questo legame tra concentrazione ed energia, possibile modificare la direzione di una reazione - in avanti o indietro - aumentando o diminuendo le concentrazioni dei reagenti rispetto ai prodotti. Questo fenomeno viene comunemente definito la legge di azione di massa: un aumento della concentrazione dei reagenti rispetto a quella dei prodotti tende a far procedere la reazione in avanti, mentre un aumento della concentrazione dei prodotti rispetto a quella dei reagenti tende a far procedere la reazione a ritroso. La legge di azione di massa illustrata nella Figura 3.3 che utilizza come modello due recipienti di acqua connessi da un tubo, il recipiente di sinistra rappresenta i "reagenti" e quello di destra rappresenta i "prodotti". La differenza in altezza tra i recipienti indica le differenze in energia tra i reagenti e i prodotti sulla base delle loro propriet molecolari. Il volume di ac-

spontaneamente in avanti, in quanto l'energia potenziale aumenta man mano che i reagenti a bassa energia vengono convertiti in prodotti ad alta energia (pi precisamente, la variazione di energia libera di una reazione e non la variazione di energia potenziale che determina la direzione della reazione; l'energia libera, per, un tipo di energia chimica potenziale che pu essere estratta da una molecola). Dato che le reazioni cataboliche per loro natura liberano energia e che quelle anaboliche richiedono energia, possiamo dedurre che le reazioni cataboliche si verificano spontaneamente nelle cellule, mentre quelle anaboliche possono verificarsi solo se viene fornita loro energia. Le reazioni anaboliche possono verificarsi nelle cellule perch alcuni meccanismi cellulari accoppiano tali reazioni con delle reazioni cataboliche. Questi accoppiamenti fanno s che l'energia liberata dalle reazioni cataboliche venga utilizzata per mandare avanti le reazioni anaboliche. Nei seguenti esempi, la reazione A > B rilascia energia. Questa energia usata per mandare avanti la reazione C - D: A B + energiaC + energia -> D concentrazioni possono essere espresse in micromoli per litro (jnmol/1 = 1 x 10-6 mol/l) o nanomoli per litro (nmol/l = 1 x 10-9 mol/l). Le concentrazioni di sostanze specifiche vengono spesso indicate con parentesi quadre. Per esempio, [Na+] indica la concentrazione di ioni sodio.

Una reazione che libera energia procede spontaneamente in avanti...

CAPITOLO 3 Metabolismo cellulare dei ...ma pu essere forzata a ritroso aumentando la concentrazione 59 prodotti.

Concentrazione

dei reagenti

incremento della concentrazione dei prodotti

Differenza di energia dovuta alle propriet molecolari di reagenti e prodotti Reagenti Prodotti

- Concentrazione dei prodotti Reagenti Prodotti

(a)Una reazione che richiede energia procede a ritroso spontaneamente ....................................................... ma pu essere forzata ad andare in avanti aumentando la concentrazione dei reagenti.

Concentrazione dei reagenti

Differenza di energia dovuta alle propriet molecolari di reagenti e prodotti Reagenti Prodotti

Reagenti

Prodotti

(b) FIGURA 3.3 La legge d'azione di massa. In questo modello, il volume d'acqua nei recipienti rappresenta le concentrazioni dei prodotti e dei reagenti, (a) Le reazioni che liberano energia possono essere forzate a procedere all'indietro quando le concentrazioni dei prodotti vengono aumentate rispetto a quelle dei reagenti, (b) Le reazioni che richiedono energia possono essere forzate a procedere in avanti quando le concentrazioni dei reagenti vengono aumentate rispetto a quelle dei prodotti.

qua nei recipienti rappresenta le concentrazioni del reagente e del prodotto. La direzione del flusso d'acqua nel tubo rappresenta la direzione della reazione. Nella Figura 3.3a, il recipiente di sinistra pi in alto di quello di destra, indicando in tale modo una reazione che normalmente produce energia. Quando il volume d'acqua lo stesso nei due recipienti, l'acqua scorre da sinistra a destra, indicando in tale modo che la reazione procede in avanti spontaneamente, dai reagenti ai prodotti. Aggiungendo per acqua al recipiente di destra (ossia, aumentando la concentrazione di prodotti), possiamo fare in modo che l'acqua proceda in senso opposto. La reazione, quindi, viene forzata a procedere a ritroso. Nella Figura 3.3b, il recipiente di destra pi in alto di quello di sinistra, indicando in tale modo una reazione che normalmente richiede energia. Quando il volume d'acqua lo stesso nei due recipienti, l'acqua scorre da destra a sinistra, indicando in tale modo che la reazione procede all'indietro spontaneamente. Quando per una quantit sufficiente di acqua viene aggiunta al recipiente di sinistra, il flusso va da sinistra a destra. In questo caso, la reazione viene forzata a procedere in avanti, in seguito all'aumento della concentrazione dei reagenti.

Quando le molecole di reagente entrano a far parte di una rea' zione, la loro conversione in molecole di prodotto non avvia improvvisamente. Le molecole di reagente, invece, si trasformano in una forma intermedia ad alto contenuto energetici) chiamata stato di transizione, che successivamente si trasfor ma in molecole di prodotto. La reazione opposta (la conversiti' ne di prodotti in reagenti) deve anch'essa passare attraverso questo stato di transizione. Quindi, le trasformazioni che hanno luogo in una reazione sono continue e graduali, non improvvise, come viene mostrato dalla Figura 3.4a. Il "picco" j met curva, noto come barriera dell'energia di attivazione, i dovuto al fatto che l'energia potenziale dello stato di transizioj ne maggiore sia di quella dei reagenti che di quella dei pro-j dotti. Per esempio, abbiamo descritto precedentemente che la combustione della carta una reazione che rilascia energia. Iq effetti, la carta non brucia spontaneamente. Infatti l'energi) come una fiamma o il calore prodotto da una lente di ingri dimento, ha bisogno di un input per superare la barriera l'energia di attivazione. Affinch i reagenti diventino prodotti

Energa di attivazione


di attivazione

Reagenti 1

Prodotti

Andamento della reazione (a) Stato di transizio n Andamento della reazione(a)

C C E ?C D

A+B

B

cLU

lf\A+B A+B

Andamento della reazioneCO

"o > o cLL I

A+B-y^C + D

(b)FIGURA 3.4 La barriera dell'energia di attivazione. Le reazioni rappresentate nella figura rilasciano energia, (a) Un diagramma energetico simile a quello della Figura 3.1 a, ma con inclusa la barriera dell'energia di attivazione, (b) Diagramma energetico in cui le energie di attivazione per la reazione in avanti e per la reazione a ritroso sono indicate dalle frecce verticali.

molecole viene convertita in energia potenziale. Se questo aumento di energia potenziale uguale o maggiore dell'energia di

Andamento della reazione

(b)

FIGURA 3.5 Effetti della barriera dell'energia di attivazione, (a)Collisione tra due molecole di reagente, A e B, con abbastanza energia per entrare nello stato di transizione. L'energia della collisione supera la barriera dell'energia di attivazione, dando luogo alla formazione dei prodotti C e D. (b) Collisione di A e B con energia insufficiente per entrare nello stato di transizione. La barriera dell'energia di attivazione non viene superata e non si verifica alcuna reazione.

viceversa, le molecole devono avere sufficiente energia potenziale da superare la barriera dell'energia di attivazione, e devono acquisire dell'energia "extra", chiamata energia di attivazione, che la differenza tra l'energia dello stato di transizione e l'energia o dei reagenti o dei prodotti. L'energia di attivazione indicata nella Figura 3.4b come distanza verticale tra l'energia iniziale o finale ed il picco della curva. Si noti come per la reazione illustrata in figura, che una reazione che rilascia energia, l'energia di attivazione per la reazione in avanti inferiore a quella della reazione opposta. Per una reazione che richiede energia, vero il contrario. Se le molecole devono acquisire un'energia extra per superare la barriera dell'energia di attivazione e poter reagire, da dove proviene questa energia "extra"? Le molecole acquisiscono questa energia collidendo le une con le altre, cosa che accade di continuo, in quanto esse si trovano in movimento termico costante. Consideriamo, per esempio, la reazione A + B > C + D. Affinch le molecole A e B reagiscano, devono inizialmente collidere. Quando questo accade, parte dell'energia cinetica termica delle

[3 Nel caso in cui la barriera dell'energia di attivazione ridotta, lo scambio di energia di una reazione aumenta, diminuisce o rimane uguale?

a/endn aueuiiy

attivazione, allora le due molecole passeranno nello stato di transizione e verranno convertite nei prodotti C e D (Figura 3.5a). Il significato della barriera dell'energia di attivazione che essa limita la velocit della reazione, argomento che verr affrontato in modo dettagliato nel prossimo paragrafo. Qui importante sottolineare che non tutte le collisioni tra molecole di reagente determinano una reazione, in quanto alcune collisioni non generano


sufficiente energia potenziale per superare la barriera dell'energia di attivazione. Pi velocemente si muovono due molecole in prossimit di collisione, maggiore energia


potenziale guadagnano in seguito alla collisione. Se l'energia guadagnata inferiore all'energia di attivazione, allora le molecole entrate in collisione non passeranno allo stato di transizione e non reagiranno (Figura 3.5b); esse semplicemente emergeranno non modificate dalla collisione.

temperatura e (3) l'entit della barriera dell'energia di attiva ] zione della reazione.

Concentrazioni dei reagenti e dei prodotti

Quando parliamo della velocit di una reazione, generalment^ ci riferiamo alla velocit netta: la differenza tra la velocit dell reazione in avanti (reagenti prodotti) e la velocit della rea-j zione all'indietro (prodotti -> reagenti). In accordo con la Test veloci 3.2 dell'azione di massa, qualsiasi aumento della concentrazioni dei 1. In una reazione che libera energia chi ha pi energia - i reagenti o reagenti porter ad un aumento della velocit in avanti sen| za i prodotti? influenzare la velocit della reazione opposta. Allo stesa modo, 2. Quale fattore determina la direzione di una reazione? Le reazioni che qualsiasi aumento della concentrazione dei prodoti porter ad un spontaneamente procedono in avanti sono reazioni che liberano o che aumento della velocit all'indietro senza influen-j zare quella in richiedono energia? avanti. Quindi, un aumento della concentrazione dei reagenti 3. Descrivere brevemente la legge di azione di massa. rispetto a quella dei prodotti aumenter la velocitij netta in avanti. 4. Che cos' l'energia di attivazione? In che modo questa influenza una Al contrario, un aumento della concentrazion dei prodotti rispetto reazione? ai reagenti diminuir la velocit netta i avanti e infine potr anche spingere la reazione in senso oppo sto, nel caso in cui la concentrazione sia sufficientemente alta] L'effetto delle concentrazioni dei reagenti e dei prodotti su velocit della reazione dovuto al fatto che le concentratoli influenzano la frequenza di La velocit di una reazione chimica la misura di quanto velo- collisione tra le molecole: all'ali mentare della concentrazione delle cemente essa consuma reagenti e genera prodotti; generalmente molecole, aumenta anche numero di collisioni in un dato viene espressa come variazione della concentrazione per unit di periodo di tempo. tempo (moli/litri al secondo, o unit equivalenti). Per esempio, al procedere della reazione A + B -> C + D, le concentrazioni di A Temperatura e B diminuiscono, mentre le concentrazioni di C e D aumentano. In generale, la velocit di una reazione aumenta all'aumenta della La velocit di questa reazione pu essere espressa come temperatura e diminuisce al diminuire di essa. Ad esen pio, il cibo variazione delle concentrazioni di C e D per unit di tempo. viene conservato in frigorifero in quanto il raf damento rallenta la La velocit di una reazione metabolica di grande imporvelocit delle reazioni di decomposizioni] permettendo un tanza fisiologica, in quanto le funzioni dell'organismo richiedono mantenimento pi a lungo del cibo. che le reazioni procedano ad una velocit adeguata alle necessit La temperatura influenza la velocit delle reazioni quanto del corpo di quel momento. Velocit pi alte o pi basse del influenza la frequenza e l'energia delle collisioni molej colari. necessario possono infine portare a gravi problemi di All'aumentare della temperatura, aumenta l'energia netica funzionamento cellulare. La dimostrazione forse pi chiara di media delle molecole, aumentando l'energia delle co| sioni. Il questo pericolo costituita dall' ipotermia, condizione che si risultato un aumento della percentuale di collisio che verifica quando la temperatura del corpo scende sotto i valori possiedono energia sufficiente per superare la barrie dell'energia normali (vedi Capitolo 1). Qualsiasi diminuzione della tempedi attivazione, determinando un aumento de velocit della ratura corporea che determini un rallentamento delle reazioni reazione. metaboliche ed una diminuzione della temperatura, anche di pochi gradi, pu indurre in una persona uno stato confusionale, L'altezza della barriera dell'energia di attivazione disorientamento e anche perdita di coscienza. Un ulteriore calo L'altezza della barriera dell'energia di attivazione diversi della temperatura corporea pu portare all'arresto cardiaco seconda del tipo di reazione. Se tutto il resto uguale, la ve| cit (interruzione del battito cardiaco) e alla morte. di una reazione aumenta al diminuire dell'altezza di barriera Successivamente nel capitolo vedremo che le reazioni medell'energia di attivazione. Il motivo che, a qualsij temperatura, taboliche vengono accelerate o catalizzate da molecole speciali solo una frazione delle collisioni tra molecoj avr energia chiamate enzimi e che la velocit delle reazioni metaboliche viene sufficiente per superare la barriera e dare lu1 generando due molecole di NADH per ogni molecola di I glucosio. Al termine della reazione, il bilancio totale della glicolisi q seguente: glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pj -> 2 piruvato +

2 NADH + 2 H+ + 2A Notate che durante la glicolisi non viene consumato ossigen


Glucosio


i2 NAD+

SBBkjt

il2 NADH + H+ Alla fosforilazione ossidativa

2ADP + 2 P;

2 ATP

(a)

2 molecole di piruvato 2 piruvato + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP

(b) Modificazioni nette: Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi

FIGURA 3.14 Riassunto della glicolisi. (a) Rappresentazione schematica dei principali reagenti 0prodotti della via glicolitica. I numeri indicano le quantit prodotte o consumate per ogni molecola glucosio. Modificazioni nette che si verificano durante la glicolisi.e non viene prodotta anidride carbonica. Nonostante, ovviamente, l'ossidazione del glucosio comporti consumo di ossigeno e produzione di anidride carbonica, ci non avviene nella glicolisi ma in stadi successivi. La glicolisi utile alle cellule perch produce ATP, ma la sua importanza primaria sta nel fatto che essa rappresenta una tappa di preparazione per gli eventi successivi che produrranno ancora pi ATP. Il NADH che viene prodotto dalla glicolisi potr alla fine cedere i suoi elettroni generando energia, che sar usata per sintetizzare pi ATP durante la fosforilazione ossidativa. Anche il piruvato prodotto potr essere catabo- lizzato durante il passaggio successivo di ossidazione del glucosio, cio nel ciclo di Krebs. Come vedremo pi avanti in questo capitolo, il piruvato pu procedere verso gli stadi successivi dell'ossidazione del glucosio soltanto se la cellula ha a disposizione ossigeno. Se laDalla glicolisidisponibilit di ossigeno si riduce, il piruvato viene convertito in acido lattico (o lattato), che non pu essere ulteriormente scisso. Nel seguito di questa trattazione assumeremo che vi sia ossigeno liberamente disponibile, a meno che non venga esplicitamente detto il contrario.Il ciclo di KrebsMentre la glicolisi una classica via metabolica formata da una sequenza di passaggi delimitati da un inizio e da una fine, il ciclo di Krebs non ha n inizio n fine poich circolare o ciclico, come il suo stesso nome suggerisce. L'ossidazione del glucosio procede successivamente alla glicolisi quando il piruvato, prodotto nel citoplasma, entra nella matrice mitocondriale. Nella matrice mitocondriale il piruvato viene convertito in acetil CoA in una reazione che ri-Alla fosforilazione ossidativaAl ciclo di KrebsCAPITOLO 3 Metabolismo cellulare 59(a) (b) Modificazioni nette: Piruvato + CoA + NAD+-------------------------- > Acetil CoA + C02 + NADH + H+ FIGURA 3.15 Passaggio di collegamento tra glicolisi e ciclo di Krebs. (a) Il prodotto finale dellaglicolisi, il piruvato, convertito nel substrato iniziale del ciclo di Krebs, acetil CoA, nella matrice mitocondriale; (b) la reazione generale del passaggio di collegamento.Acetil CoA CH 3 I 91 CAPITOLO 3 Metabolismo cellulare0 = C CoA CoA0INADH + H+NADcoo-Citrato sintetasiCiclo di KrebsFumaratoIsoci trato deidrogenasiCOO- ra-chetoglutaratoa-chetoglutarato deidrogenasi CoAICH2c=oATP Q0/\ Succinil CoAFIGURA 3.16 Reazioni del ciclo di Krebs. I numeri nei cerchi indicano la sequenza delle singole reazioni. Gli enzimi che catalizzano queste reazioni sono indicati in corsivo di fianco ad ogni numero. D II passaggio n. 8 del c i c l o di Krebs, un esempio di quale tipo di reazione?auoiznpuopisso ip auoizeejeun Hduce NAD+ a NADH + H+ e produce anidride carbonica (Figura 3.15). Definiremo questa reazione come passaggio di collegamento poich collega la glicolisi al ciclo di Krebs. L'acetil CoA il substrato iniziale del ciclo di Krebs, e, come vedremo tra poco, pu essere generato dal catabolismo dei lipidi e delle proteine come da quello dei carboidrati. Dato che la glicolisi genera due molecole di piruvato per ogni molecola di glucosio, una molecola di glucosio d luogo a due molecole acetil CoA al termine del passaggio di collegamento, molecola di acetil CoA partecipa a un "giro" completo d ci di Krebs. Le reazioni del ciclo di Krebs sono descritte in dett nella Figura 3.16. Il diagramma inizia con l'aceti CoA che viene da varie parti, incluso il passaggio di collegamento.Dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs 92 CAPITOLO 3 Metabolismo cellulare3NAD+ 1 FAD-- 34$) ->7V(b) Modificazioni nette: Acetil CoA + 3 NAD+ + FAD Alla fosforilazioneCiclo di Krebs + ADP + P{ + 3 H203 NADH + H+ossidativa1ADP+1 P|(a)Rappresentazione schematica dei 1 ATP principali pti e prodotti del ciclo di Krebs. I numeri indicano le quantit prodotte o consumate per ogni molecola di glucosio che entra nella glicolisi. (b) La reazione generale del passaggio di2 CO, + 3 NADH + 3 H+ + FADH, + ATPJ-FIGURA 3.17 Riassunto del ciclo di Krebs, (a)2 C02I principali passaggi del ciclo di Krebs sono mostrati nella Figura 3.17 e possono essere riassunti come segue:1. Al termine di ogni giro del ciclo di Krebs vengonogenerate due molecole di anidride carbonica come prodotto finale (una nel passaggio 3 e una nel passaggio 4).2. Solo una molecola di ATP viene generata direttamente durante un ciclo di Krebs dalla fosforilazione a livelloseguito, l'ossigeno riveste un ruolo vitale nella fosforilazione ossidativa poich l'accettore finale di tutti gli elettroni ceduti dal NADH o dal FADH2. Senza l'ossigeno, gli elettroni non hanno un accettore e la fosforilazione ossidativa si ferma.Fosforilazione ossidativaLa maggior parte dell'ATP che si forma nelle cellule proviene dalla fosforilazione ossidativa che comprende due processi paralleli: (1) il trasporto, attraverso una serie di composti, nella membrana mitocondriale interna, degli atomi di idrogeno o elettroni chiamato catena di trasporto elettronico, che libera energia e (2) l'utilizzo di queste energia per fabbricare ATF mediante un processo chiamato accoppiamento chemiosmotico. Nella fosforilazione ossidativa, i coenzimi ridotti (NADH e FADH2) generati dalla glicolisi, dal passaggio di collegamento e dal ciclo di Krebs vengono utilizzati come sorgenti di energia per fabbricare ATP. Il NADH e il FADH2 cedono elettroni alla catena di trasporto elettronico e man mano che questi elettroni procedono lungo la catena, viene liberata energia. La maggior parte di quest'energia viene catturata e utilizzata per sintetizzare ATP, grazie all'azione di un enzima chiamato ATP sin- tetasi.del \ substrato (passaggio 5).3. In un singolo giro del ciclo di Krebs vengono prodotti nel complesso 4 coenzimi ridotti -3 NADH e 1 FADH2 (nei; passaggi 3, 4, 6 e 8).La reazione finale del passaggio di collegamento e di un girodel ciclo di Krebs sar quindi:acetil CoA+ 3 NAD+ + FAD + ADP + ^ + 3 H202 C02 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + ATPNell'ossidazione di una molecola di glucosio, durante la glicolisi, vengono prodotte due molecole di piruvato generan- [ do, quindi, due molecole di acetil CoA che entrano nel ciclo di Krebs. Per ogni molecola di glucosio la reazione netta, considerando il passaggio di collegamento e il ciclo di Krebs, la seguente: 2 piruvato + 8 NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2 Pj + 6 H20 6 C02 + 8 NADH + 8 H+ + 2 FADH2 + 2 ATP Se si tengono in considerazione le due molecole di ATP per molecola di glucosio prodotte dalla glicolisi, assieme alle due molecole aggiuntive di ATP che vengono generate nel ciclo di Krebs, si ottengono 4 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio. Come vedremo, comunque, praticamente tutto l'ATP formato dall'ossidazione del glucosio si genera durante la fo- ISforilazione ossidativa, lo stadio finale del processo. Il ciclo di Krebs ed il passaggio di collegamento hanno un importante ruolo nel processo generale in quanto forniscono 8 delle 12 f molecole di coenzima ridotto che potranno entrare infine nelHfosforilazione ossidativa per cedere i loro elettroni e rilasciale energia per la produzione di ATP. w II ciclo di Krebs ed il passaggio di collegamento producono il 100% delle sei molecole di anidride carbonica che derivano dall'ossidazione completa del glucosio. Notate che fino a questo momento non stato consumato ossigeno, a significare che tutto il consumo di ossigeno (6 molecole di ossigeno per molecola di glucosio) si verificher nella fosforilazione ossidativa, fase finale dell'ossidazione del glucosio, nel caso questa possa avvenire. Come vedremo diLa catena di trasporto elettronicoLa catena di trasporto degli elettroni coinvolge una serie di composti che si trovano nella membrana mitocondriale interna. La maggior parte di questi composti sono proteine specializzate per funzionare come trasportatori di elettroni; in altri termini legano elettroni in maniera reversibile, e quindi hanno la capacit di catturare elettroni e di restituirli successivamente. Tra questi trasportatori di elettroni vi sono numerosi composti chiamati citocromi, che possiedono gruppi chimici particolari contenenti ferro, chiamati gruppi eme (i gruppi eme si trovano anche nell'emoglobina, come suggerito dal suo nome). Sono presenti anche diverse proteine ferro-zolfo, che con-2 Aceti I CoACAPITOLO cellulare 93NADH + H* > NAD'3Metabolismo2 e- + 2 H+Flavin mononucleotide (FMN)FADH2 Proteina ferro-zolfo 2e" + 2H+ Coenzima Q EnergiaC.ADP + P; ATPFAD\Citocromo b Proteina ferro-zolfo Citocromo q { Citocromo c Citocromo aII IEnergiaCADP Pj ATP+FIGURA 3.18 La catena di trasporto degli elettroni. Le frecce indicano il percorso seguito dal flusso di elettroni dal donatore iniziale (NADH o FADH2) all'ossigeno, l'accettore finale di elettroni. Le frecce ricurve a destra, indicano che il movimento degli elettroni lungo la catena libera energia, che viene utilizzata dalla fosforilazione ossidativa per sintetizzare ATP.P Quale componente (o componenti) della catena di trasporto elettronico contiene un gruppo eme?IUJOJOOIO / IUNquindi i loro elettroni ad altri accettori diel troni, che a loro volta li cedono ad altri accettori e cos Ogni volta che gli elettroni si muovono da un composto als cessivo, perdono un po' di energia, che viene utilizzata perf mare ATP. Il passaggio degli elettroni lungo la catena, da un acce' all'altro, mostrato nella Figura 3.18. Il NADH donala coppia di elettroni al primo accettore della catena, chia flavin mononucleotide (FMN). In questo processo, il N viene ossidato a NAD+ (che diventa cos libero di acce elettroni dalla glicolisi o dal ciclo di Krebs), e il flavin mono cleotide viene ridotto. Il flavin mononucleotide trasfetengono atomi di ferro legati allo zolfo. La maggior parte di queste proteine aggregata a formare grandi complessi strettamente legati alla membrana mitocondriale interna. Una piccola parte di trasportatori di elettroni costituita da molecole che si muovono liberamente nel doppio strato lipidico andando avanti e indietro per trasportare elettroni da un complesso ad un altro. Uno di questi, chiamato coenzima Q, non una proteina, ma una piccola molecola formata principalmente da idrocarburi. Gli elettroni vengono portati alla catena di trasporto dai coenzimi ridotti (NADH e FADH2) generati dalla glicolisi, dal passaggio di collegamento e dal ciclo di Krebs. Questi coenzimi ridotti cedono i loro elettroni ad alcuni componenti della catena che funzionano da accettori di elettroni. Gli accetto elettroni cedono94 CAPITOLO 1 Introduzione alla Fisiologia(a) Acqua corporea totale (TBW)(b) Liquido intracellulare (ICF) Liquido corporeo TBW ICF ECF Plasma ISF Volume (1)(c) Liquido extracellulare (ECF)42 28 14 3 11(d) Plasma(f) Distribuzione dell'acqua corporea totale (e) Liquido interstiziale (ISF)FIGURA 1.5 Compartimenti liquidi dell'organismo. I vari compartimenti sono indicati in blu nei singoli riquadri schematici simili a quello della Figura 1.4. (a) Acqua corporea totale, (b) Liquido intracellulare, (c) Liquido extracellulare, (d) Plasma, (e) Liquido interstiziale, (f) Distribuzione dell'acqua corporea totale. D Quale tra i seguenti compartimenti non comprende il plasma: l'acqua corporea totale, il liquido extracellulare o il liquido interstiziale?eiBiziSjaui opmbj-iin maniera selettiva dal sangue ai tubuli grazie ad un processo chiamato secrezione. Il liquido che alla fine raggiunge la parte terminale dei tubuli costituisce l'urina, eliminata dal corpo grazie al processo di escrezione. Tra le sostanze contenute nelle urine vi sono prodotti di scarto cellulare, sali in eccesso e acqua non necessaria all'organismo. Compartimenti fluidi dell'organismo II costituente pi abbondante dell'organismo l'acqua, che agisce da solvente nei confronti della maggioranza di soluti che si trovano nei fluidi corporei. Questi soluti comprendono piccole molecole, come ioni inorganici, zuccheri, aminoacidi, e grandi molecole, come le proteine. La Figura 1.4 evidenzia come l'organismo sia diviso in compartimenti separati (riempiti di fluido) grazie alla presenza di barriere di diverso tipo, inclusi i tessuti epiteliali e le membrane cellulari che separano il contenuto delle cellule dall'ambiente circostante. Nonostante questi compartimenti siano separati fisicamente, resta la possibilit di scambiare sostanze fra l'interno e l'esterno poich le barriere di separazione sono permeabili-, in altri termini, esse permettono ad alcune molecole di attraversarle. Queste barriere permettono ad alcuni tipi di molecole rispetto ad altri un passaggio pi semplice. Ad alcuni tipi di molecole, invece, il passaggio viene impedito completamente. per questa ragione che pi corretto dire chele membrane cellulari e i tessuti epiteliali sono selettivamente permeabili o semipermeabili. Il volume totale dell'acqua contenuta nel corpo definito come acqua corporea totale (TBW) ed formato dal volume del fluido contenuto all'interno dello strato epiteliale esterno (Figura 1.5a). In una persona che pesa 70 kg l'acqua corporea totale 42 litri, che corrisponde a circa il 60% del peso corporeo. L'acqua corporea totale comprende sia l'acqua che si trova nel liquido contenuto nelle cellule, chiamato liquido intracellulare (ICF) (Figura 1.5b), che l'acqua contenuta nel fluido che circonda le cellule, definito liquido extracellulare (ECF) (Figura 1.5c). In questa figura, il volume del liqui

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