Copyright © 2006 Zanichelli editore
Capitolo 5
L’energia e il trasporto
Copyright © 2006 Zanichelli editore
La cellula e l’energia5.1 L’energia è la capacità di produrre lavoro
• Tutti gli organismi hanno bisogno di energia pervivere.
• L’energia è definita come la capacità di effettuareun lavoro (cioè di spostare un corpomodificandone il moto o lo stato di quiete).
Copyright © 2006 Zanichelli editore
• L’energia cinetica è l’energia posseduta dai corpi inmovimento.
• L’energia potenziale è l’energia immagazzinata(dovuta alla posizione del corpo) e può esseretrasformata in energia cinetica.
Figure 5.1A–C
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.2 Due principi fisici regolano le trasformazionienergetiche
• La termodinamica è lo studio delle trasformazionienergetiche che avvengono nella materia.
• Nello studio delle trasformazioni energetiche sidefiniscono «sistema» l’insieme dei corpi materialiin esame e «ambiente» tutto ciò che lo circonda.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Figura 5.2A
Il primo principio della termodinamica stabilisce che:
• l’energia può essere trasformata da una formaall’altra;
• l’energia non può essere né creata né distrutta.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Il secondo principio della termodinamica afferma chedurante le trasformazioni dell’energia aumenta ildisordine (o entropia) e parte dell’energia è persa sottoforma di calore.
Figura 5.2B
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.3 Le reazioni chimiche consentono diimmagazzinare o di liberare energia
Le reazioni endoergoniche assorbono energia edanno origine a prodotti ricchi in energia potenziale(con un livello di energia chimica superiore a quelladelle sostanze di partenza).
Figure 5.3A
Ene
rgia
pot
enzi
ale
delle
mol
ecol
e
Reagenti
Energia assorbita
Prodotti
Quantità di energia assorbita
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Le reazioni esoergoniche liberano energia e dannoorigine a prodotti che contengono meno energiapotenziale dei loro reagenti.
Figura 5.3B
Reagenti
Energia liberata
Prodotti
Quantità di energia
liberata
Ene
rgia
pot
enzi
ale
delle
mol
ecol
e
Copyright © 2006 Zanichelli editore
• Le cellule compiono migliaia di reazioni chimiche(esoergoniche ed endoergoniche).
• L’insieme di queste reazioni costituisce ilmetabolismo cellulare.
• L’accoppiamento energetico utilizza le reazioniesoergoniche per far avvenire le reazioniendoergoniche.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.4 Nella cellula l’ATP funge da navetta per iltrasporto dell’energia chimica
• L’ATP fornisce l’energia necessaria per tutte leforme di lavoro cellulare.
• In una molecola di ATP l’energia risiede nei legamicovalenti che uniscono i gruppi fosfato.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
• L’ATP libera energia utile per le reazioniendoergoniche attraverso la fosforilazione.
• La fosforilazione è il trasferimento di un gruppofosfato a una molecola per renderla più reattiva.
Figura 5.4A
ATP
Lavoro chimico Lavoro meccanico Lavoro di trasporto
P
PP
P
P
P
P
Molecola formata Proteina mobile Soluto trasportato
ADP+
Prodotto
Reagenti
Proteina motrice
Membrana della proteina
Soluto+
Copyright © 2006 Zanichelli editore
ATP
ADP + P
Energia utile per le reazioni endoergoniche
Energia prodotta dalle reazioni esoergoniche
Con
dens
azio
neIdrolisi
Il lavoro cellulare può essere sostenuto nel tempoperchè l’ATP è una molecola rinnovabile, che vienerigenerata dalle cellule.
Figura 5.4B
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.5 Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche dellacellula abbassando la richiesta energetica
Perchè una reazione chimica inizi, i reagenti devonoassorbire una quantità di energia chiamata energia diattivazione (EA).
Figura 5.5A
Barriera EA
Reagenti
ProdottiE
nzim
aContenitore 1 Contenitore 2
Copyright © 2006 Zanichelli editore
• Un enzima è una molecola proteica che si comportacome catalizzatore biologico.
• Un enzima può abbassare l’energia di attivazionenecessaria per avviare una reazione chimica.
Figura 5.5B
Reagenti
EA senza enzima
EA con enzima
Differenza netta di energia
Prodotti
Ene
rgia
Direzione della reazione
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.6 Ogni reazione cellulare è catalizzata da unenzima specifico
• Gli enzimi hanno strutture tridimensionalicaratteristiche che determinano le reazionichimiche che essi sono in grado di catalizzare inuna cellula.
• La sostanza su cui agisce l’enzima, ossia ilreagente, si chiama substrato.
Come lavorano gli enzimi
Copyright © 2006 Zanichelli editore
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:
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.7 L’ambiente cellulare influenza l’attività deglienzimi
• La temperatura, la concentrazione dei sali e il pHinfluenzano l’attività enzimatica.
• Per funzionare, alcuni enzimi richiedono molecolenon proteiche chiamate cofattori.
• I cofattori possono essere sostanze inorganiche,come gli ioni metallo, o molecole organiche (in questocaso si chiamano coenzimi).
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.8 Gli inibitori bloccano l’azione degli enzimi
• Una sostanza chimica che interferisce conl’attività di un enzima è detta inibitore.
• L’azione di un inibitore è irreversibile se siformano legami covalenti tra inibitore ed enzima.È reversibile quando si formano solo legamideboli (come il legame idrogeno).
Copyright © 2006 Zanichelli editore
• Gli inibitori competitivi occupano il sito attivo di unsubstrato.
• Gli inibitori non competitivi cambiano la funzionedell’enzima modificando la sua forma.
Figura 5.8
Substrato
Enzima
Sito attivo
Legame normale del substrato
Inibitore enzimatico
Inibitore non competitivo
Inibitore competitivo
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Le funzioni delle membrane plasmatiche5.9 Le membrane organizzano l’attività chimicadelle cellule
• Le membrane offrono la base strutturale per lesequenze metaboliche.
• Al loro interno si trovano, infatti, numerosi enzimi.
• Le membrane cellulari possiedono unapermeabilità selettiva che permette ad alcunesostanze di attraversarle più facilmente di altre eimpedisce completamente il passaggio ad altre.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.10 Grazie alle proteine, la membrana plasmaticasvolge molteplici funzioni
Molte proteine della membrana plasmatica sono enzimiappartenenti a squadre di catalizzatori che agiscononella catena di montaggio delle molecole.
Figura 5.10A
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Altre proteine di membrana funzionano da recettoridi messaggeri chimici provenienti da altre cellule.
Figura 5.10B
Messaggero chimico
Recettore
Molecola attivata
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Alcune proteine di membrana hanno una funzionedi trasporto e aiutano le sostanze ad attraversarela membrana stessa.
Figura 5.10C
ATP
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.11 Numerosi stimoli diretti alle cellule agisconoattraverso recettori proteici localizzati nellamembrana plasmatica
• Un ormone che raggiunge la membranaplasmatica si lega a una specifica proteina dettarecettore.
• I recettori attraversano la membrana, sporgendosia verso l’interno sia verso l’esterno.
Figura 5.11
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.12 Le sostanze possono diffondere attraverso lemembraneNel trasporto passivo (diffusione), le sostanze diffondoattraverso le membrane senza che le cellule compianoalcun lavoro: le particelle si spostano spontaneamenteda una zona dove sono più concentrate a una dove soomeno concentrate.
EquilibrioMembranaMolecole di colorante
Figura 5.12
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Piccole molecole non polari diffondono facilmenteattraverso il doppio strato fosfolipidico della membrana.Ne sono un esempio
• l’ossigeno molecolare (O2, essenziale per ilmetabolismo)
• il diossido di carbonio (CO2, un prodotto di rifiutometabolico)
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Proteina ditrasporto
5.13 La diffusione di molte molecole è facilitata daproteine di trasporto
• Molte tipi di molecole non diffondono liberamenteattraverso le membrane.
• Queste molecole attraversano le membrane con l’aiuto diproteine di trasporto che forniscono un passaggioattraverso le membrane in un processo chiamatodiffusione facilitata.
Figura 5.13
Molecole di soluto
Copyright © 2006 Zanichelli editore
PP PLa proteina
cambia forma
Il gruppo fosfato si allontana
ATPADPSoluto
Proteina di trasporto
Legame con il soluto1 Fosforilazione2 Trasporto3 Proteina originaria4
5.14 La cellula spende energia per il trasporto attivo
Le proteine di trasporto possono spostare i soluti controun gradiente di concentrazione attraverso il trasportoattivo, un processo che richiede ATP.
Figure 5.14
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.15 L’osmosi è una diffusione di acqua attraversouna membrana semipermeabile
Figura 5.15
Minore concentrazione
di soluto
Maggiore concentrazione
di soluto
Uguale concentrazione
di soluto
H2OMolecola di solutoMembrana
selettivamente permeabile
Molecole d’acqua
Molecola di soluto circondata da molecole d’acqua
Movimento netto dell’acqua
Nell’osmosi l’acqua sisposta da una soluzionenella quale laconcentrazione di solutoè minore a unasoluzione nella quale laconcentrazione di solutoè maggiore.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.16 Per gli organismi è molto importante unequilibrio idrico tra le cellule e l’ambiente circostante
• Il controllo dell’equilibrio idrico in una cellula sichiama osmoregolazione.
• Le condizioni ideali per una cellula animale e unavegetale sono, rispettivamente, una soluzioneisotonica e una soluzione ipotonica.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Cellula vegetale
H2O
H2O H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2OMembrana plasmatica
(1) Risulta normale (2) Si gonfia fino a scoppiare (3) Si contrae
(4) Perde consistenza (5) È turgida (6) Si contrae
Soluzione isotonica Soluzione ipotonica Soluzione ipertonica
Cellula animale
Comportamento delle cellule poste in soluzioni condiversa concentrazione:
Figura 5.16
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Liquido extracellulare
Citoplasma
ProteinaVescicola
5.17 Le molecole di grandi dimensioni vengonotrasportate per esocitosi ed endocitosiLe molecole e le particelle di grandi dimensioni attraversanola membrana mediante un processo chiamato esocitosi:una vescicola, delimitata da una membrana e ripiena dimacromolecole, si fonde con la membrana plasmaticariversando fuori dalla cellula il proprio contenuto.
Figura 5.17A
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Nel processo inverso all’esocitosi, l’endocitosi, lacellula ingloba le macromolecole o altre particelle,formando con la propria membrana delle vescicole nelcitoplasma.
Figura 5.17B
Formazione della vescicola
Copyright © 2006 Zanichelli editore
L’endocitosi può avvenire in tre modi:
• fagocitosi;
• pinocitosi;
• endocitosi mediata da un recettore.
Pseudopodiodi un’ameba
Particella di ciboda ingerire
Fagocitosi Pinocitosi Endocitosi mediatada un recettore
Molecole legate airecettori proteici
Fossetta
Citoplasma
Membrana plasmaticaT
EM
54
000×
TE
M 9
6 50
0 ×
LM 2
30×
Figura 5.17C
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.18 Membrane difettose possono sovraccaricare ilsangue di colesterolo
Se i recettori del colesterolo nelle membrane sono pochio non funzionano, il sangue può accumulare livellielevati di colesterolo.
Goccia di LDL
Proteina
Strato esterno fosfolipidico
CitoplasmaRecettore proteico
Membrana plasmatica
Vesicola
Colesterolo
Figura 5.18
Copyright © 2006 Zanichelli editore
5.19 I cloroplasti e i mitocondri rendono disponibilel’energia per il lavoro cellulare
• I cloroplasti svolgono la fotosintesi utilizzandol’energia solare per sintetizzare glucosio eossigeno a partire da diossido di carbonio eacqua.
• I mitocondri consumano ossigeno nellarespirazione cellulare usando l’energiaimmagazzinata nel glucosio per produrre ATP.