Capitolo 5

1. Capitolo 5 0 L’energia e il trasporto

2. 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).

3. L’energia cinetica è l’energia posseduta dai corpi in movimento. Ec = ½ mv2 • L’energia potenziale è l’energia immagazzinata (dovuta alla posizione del corpo) e può essere trasformata in energia cinetica. Ep = mhg Figure 5.1A–C

4. 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.

5. 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. Figura 5.2A

6. 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

7. Prodotti Quantità di energia assorbita Energia potenziale delle molecole Energia assorbita Reagenti 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

8. Reagenti Energia potenziale delle molecole Quantità di energia liberata Energia liberata Prodotti Le reazioni esoergoniche liberano energia e danno origine a prodotti che contengono meno energia potenziale dei loro reagenti. Figura 5.3B

9. 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.

10. 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.

11. ATP Lavoro meccanico Lavoro chimico Lavoro di trasporto Membrana della proteina + P Proteina motrice Soluto P Reagenti P P P Prodotto P Molecola formata Proteina mobile Soluto trasportato + ADP P • 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. 0 0 Figura 5.4A

12. ATP Condensazione Idrolisi Energia prodotta dalle reazioni esoergoniche Energia utile per le reazioni endoergoniche ADP + P Il lavoro cellulare può essere sostenuto nel tempo perchè l’ATP è una molecola rinnovabile, che viene rigenerata dalle cellule. Figura 5.4B

13. Barriera EA Enzima Reagenti Contenitore 1 Prodotti Contenitore 2 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

14. EA senza enzima EA con enzima Reagenti Differenza netta di energia Energia Prodotti Direzione della reazione • 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

15. Come lavorano gli enzimi 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.

16. 1 Enzima disponibile con il sito attivo vuoto Il substrato si lega all’enzima che subisce un adattamento indotto 2 4 I prodotti vengono liberati 3 Il substrato si scinde nei prodotti Esempio di reazione catalizzata da un enzima: Sito attivo Substrato (saccarosio) Enzima (saccarasi) Glucosio Fruttosio H2O Figura 5.6

17. 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).

18. 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).

19. Sito attivo Substrato Enzima Legame normale del substrato Inibitore competitivo Inibitore non competitivo Inibitore enzimatico • 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

20. 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.

21. 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

22. Messaggero chimico Recettore Molecola attivata Altre proteine di membrana funzionano da recettori di messaggeri chimici provenienti da altre cellule. Figura 5.10B

23. ATP Alcune proteine di membrana hanno una funzione di trasporto e aiutano le sostanze ad attraversare la membrana stessa. Figura 5.10C

24. 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

25. Molecole di colorante Membrana Equilibrio 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. Figura 5.12

26. 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)

27. Molecole di soluto 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. Proteina di trasporto Figura 5.13

28. Proteina di trasporto P Il gruppo fosfato si allontana P P La proteina cambia forma ATP Soluto ADP Trasporto Legame con il soluto Fosforilazione 1 2 3 Proteina originaria 4 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

29. Uguale concentrazione di soluto Maggiore concentrazione di soluto Minore concentrazione di soluto H2O Molecola di soluto Membrana selettivamente permeabile Molecole d’acqua Molecola di soluto circondata da molecole d’acqua Movimento netto dell’acqua 5.15 L’osmosi è una diffusione di acqua attraverso una membrana semipermeabile 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. Figura 5.15

30. 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.

31. Soluzione ipertonica Soluzione ipotonica Soluzione isotonica H2O H2O H2O H2O Cellula animale (2) Si gonfia fino a scoppiare (3) Si contrae (1) Risulta normale Membrana plasmatica H2O H2O H2O H2O Cellula vegetale (6) Si contrae (5) È turgida (4) Perde consistenza Comportamento delle cellule poste in soluzioni con diversa concentrazione: Figura 5.16

32. Liquido extracellulare Vescicola Proteina Citoplasma 5.17 Le molecole di grandi dimensioni vengono trasportate per esocitosi ed endocitosi Le 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

33. Formazione della vescicola 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

34. L’endocitosi può avvenire in tre modi: • fagocitosi; • pinocitosi; • endocitosi mediata da un recettore. Particella di cibo da ingerire Membrana plasmatica Molecole legate ai recettori proteici Pseudopodio di un’ameba Fossetta TEM 96 500  Citoplasma TEM 54 000 LM 230 Fagocitosi Endocitosi mediata da un recettore Pinocitosi Figura 5.17C

35. Strato esterno fosfolipidico Goccia di LDL Vesicola Colesterolo Proteina Membrana plasmatica Recettore proteico Citoplasma 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. Figura 5.18

36. 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 respirazionecellulare usando l’energia immagazzinata nel glucosio per produrre ATP.