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.