La cellula e l’energia

5.1 L’energia è la capacità di produrre lavoro

• Tutti gli organismi hanno bisogno di energia per vivere.

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

• L’energia cinetica è l’energia posseduta dai corpi in movimento.

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

Figure 5.1A–C

5.2 Due principi fisici regolano le trasformazioni energetiche

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

• Nello studio delle trasformazioni energetiche si definiscono «sistema» l’insieme dei corpi materiali in 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 forma all’altra;

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

Il secondo principio della termodinamica afferma che durante le trasformazioni dell’energia aumenta il disordine (o entropia) e parte dell’energia è persa sotto forma di calore.

Figura 5.2B

5.3 Le reazioni chimiche consentono di immagazzinare o di liberare energia

Le reazioni endoergoniche assorbono energia e danno origine a prodotti ricchi in energia potenziale (con un livello di energia chimica superiore a quella delle sostanze di partenza).

Figure 5.3A

En

erg

ia p

ote

nzi

ale

d

elle

mo

leco

le

Reagenti

Energia assorbita

Prodotti

Quantità di energia assorbita

Le reazioni esoergoniche liberano energia e danno origine a prodotti che contengono meno energia potenziale 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 il metabolismo cellulare.

• L’accoppiamento energetico utilizza le reazioni esoergoniche per far avvenire le reazioni endoergoniche.

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

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

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

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

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

Figura 5.4A

ATP

Lavoro chimico Lavoro meccanico Lavoro di trasporto

P

P

P

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 tempo perchè l’ATP è una molecola rinnovabile, che viene rigenerata dalle cellule.

Figura 5.4B

5.5 Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche della cellula abbassando la richiesta energetica

Perchè una reazione chimica inizi, i reagenti devono assorbire una quantità di energia chiamata energia di attivazione (EA).

Figura 5.5A

Barriera EA

Reagenti

ProdottiE

nzim

aContenitore 1 Contenitore 2

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

• Un enzima può abbassare l’energia di attivazione necessaria 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 un enzima specifico

• Gli enzimi hanno strutture tridimensionali caratteristiche che determinano le reazioni chimiche che essi sono in grado di catalizzare in una cellula.

• La sostanza su cui agisce l’enzima, ossia il reagente, 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 degli enzimi

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

• Per funzionare, alcuni enzimi richiedono molecole non proteiche chiamate cofattori.

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

5.8 Gli inibitori bloccano l’azione degli enzimi

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

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

• Gli inibitori competitivi occupano il sito attivo di un substrato.

• Gli inibitori non competitivi cambiano la funzione dell’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 plasmatiche

5.9 Le membrane organizzano l’attività chimica delle cellule

• Le membrane offrono la base strutturale per le sequenze metaboliche.

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

• Le membrane cellulari possiedono una permeabilità selettiva che permette ad alcune sostanze di attraversarle più facilmente di altre e impedisce completamente il passaggio ad altre.

5.10 Grazie alle proteine, la membrana plasmatica svolge molteplici funzioni

Molte proteine della membrana plasmatica sono enzimi appartenenti a squadre di catalizzatori che agiscono nella catena di montaggio delle molecole.

Figura 5.10A

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

Figura 5.10B

Messaggero chimico

Recettore

Molecola attivata

Alcune proteine di membrana hanno una funzione di trasporto e aiutano le sostanze ad attraversare la membrana stessa.

Figura 5.10C

ATP

5.11 Numerosi stimoli diretti alle cellule agiscono attraverso recettori proteici localizzati nella membrana plasmatica

• Un ormone che raggiunge la membrana plasmatica si lega a una specifica proteina detta recettore.

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

Figura 5.11

5.12 Le sostanze possono diffondere attraverso le membrane

Nel trasporto passivo (diffusione), le sostanze diffondo attraverso le membrane senza che le cellule compiano alcun lavoro: le particelle si spostano spontaneamente da una zona dove sono più concentrate a una dove soo meno concentrate.

EquilibrioMembranaMolecole di colorante

Figura 5.12

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

• l’ossigeno molecolare (O2, essenziale per il

metabolismo)

• il diossido di carbonio (CO2, un prodotto di rifiuto

metabolico)

Proteina di trasporto

5.13 La diffusione di molte molecole è facilitata da proteine di trasporto

• Molte tipi di molecole non diffondono liberamente attraverso le membrane.

• Queste molecole attraversano le membrane con l’aiuto di proteine di trasporto che forniscono un passaggio attraverso le membrane in un processo chiamato diffusione facilitata.

Figura 5.13

Molecole di soluto

PP P

La 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 contro un gradiente di concentrazione attraverso il trasporto attivo, un processo che richiede ATP.

Figure 5.14

5.15 L’osmosi è una diffusione di acqua attraverso una 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 si sposta da una soluzione nella quale la concentrazione di soluto è minore a una soluzione nella quale la concentrazione di soluto è maggiore.

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

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

• Le condizioni ideali per una cellula animale e una vegetale sono, rispettivamente, una soluzione isotonica e una soluzione ipotonica.

Cellula vegetale

H2O

H2OH2O

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 con diversa concentrazione:

Figura 5.16

Liquido extracellulare

Citoplasma

ProteinaVescicola

5.17 Le molecole di grandi dimensioni vengono trasportate per esocitosi ed endocitosiLe molecole e le particelle di grandi dimensioni attraversano la membrana mediante un processo chiamato esocitosi: una vescicola, delimitata da una membrana e ripiena di macromolecole, si fonde con la membrana plasmatica riversando fuori dalla cellula il proprio contenuto.

Figura 5.17A

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

Figura 5.17B

Formazione della vescicola

L’endocitosi può avvenire in tre modi:

• fagocitosi;

• pinocitosi;

• endocitosi mediata da un recettore.

Pseudopodio di un’ameba

Particella di cibo da ingerire

Fagocitosi Pinocitosi Endocitosi mediata da un recettore

Molecole legate ai recettori proteici

Fossetta

Citoplasma

Membrana plasmatica

TE

M 5

4 00

0

TE

M 9

6 50

0

LM 2

30

Figura 5.17C

5.18 Membrane difettose possono sovraccaricare il sangue di colesterolo

Se i recettori del colesterolo nelle membrane sono pochi o non funzionano, il sangue può accumulare livelli elevati 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 disponibile l’energia per il lavoro cellulare

• I cloroplasti svolgono la fotosintesi utilizzando l’energia solare per sintetizzare glucosio e ossigeno a partire da diossido di carbonio e acqua.

• I mitocondri consumano ossigeno nella respirazione cellulare usando l’energia immagazzinata nel glucosio per produrre ATP.