Capitolo 5 L energia e il trasporto

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1 Capitolo 5 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. L energia potenziale è l energia immagazzinata (dovuta alla posizione del corpo) e può essere trasformata in energia cinetica. 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 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). Prodotti Energia potenziale delle molecole Reagenti Energia assorbita Quantità di energia assorbita Figure 5.3A

8 Le reazioni esoergoniche liberano energia e danno origine a prodotti che contengono meno energia potenziale dei loro reagenti. Reagenti Energia potenziale delle molecole Energia liberata Prodotti Quantità di energia liberata 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 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. ATP Lavoro chimico Lavoro meccanico Lavoro di trasporto Membrana della proteina P + Reagenti Proteina motrice P P Soluto P P Prodotto P Molecola formata Proteina mobile Soluto trasportato Figura 5.4A ADP+ P

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

13 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 (E A ). Barriera E A Enzima Reagenti Figura 5.5A Contenitore 1 Prodotti Contenitore 2

14 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. Energia Reagenti E A senza enzima E A con enzima Differenza netta di energia Prodotti Figura 5.5B Direzione della reazione

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 Esempio di reazione catalizzata da un enzima: Glucosio 1 Enzima disponibile con il sito attivo vuoto Sito attivo Enzima (saccarasi) Substrato (saccarosio) Il substrato 2 si lega all enzima che subisce un adattamento indotto Fruttosio 4 I prodotti vengono liberati 3 Il substrato si scinde nei prodotti H 2 O 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 Gli inibitori competitivi occupano il sito attivo di un substrato. Gli inibitori non competitivi cambiano la funzione dell enzima modificando la sua forma. Substrato Sito attivo Enzima Legame normale del substrato Inibitore competitivo Inibitore non competitivo Figura 5.8 Inibitore enzimatico

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

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

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 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. Molecole di colorante Membrana Equilibrio Figura 5.12

26 Piccole molecole non polari diffondono facilmente attraverso il doppio strato fosfolipidico della membrana. Ne sono un esempio l ossigeno molecolare (O 2, essenziale per il metabolismo) il diossido di carbonio (CO 2, un prodotto di rifiuto metabolico)

27 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. Molecole di soluto Figura 5.13 Proteina di trasporto

28 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. Proteina di trasporto Soluto ATP P ADP La proteina cambia forma P Il gruppo fosfato si allontana 1 Legame con il soluto 2 Fosforilazione 3 Trasporto 4 Proteina originaria Figure 5.14 P

29 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. Minore concentrazione di soluto Molecola di soluto Membrana selettivamente permeabile Molecole d acqua Maggiore concentrazione di soluto H 2 O Uguale concentrazione di soluto Figura 5.15 Molecola di soluto circondata da molecole d acqua Movimento netto dell acqua

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

32 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. Liquido extracellulare Vescicola Proteina Figura 5.17A Citoplasma

33 Nel processo inverso all esocitosi, l endocitosi, la cellula ingloba le macromolecole o altre particelle, formando con la propria membrana delle vescicole nel citoplasma. Formazione della vescicola Figura 5.17B

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

35 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 Colesterolo Strato esterno fosfolipidico Vesicola Proteina Figura 5.18 Membrana plasmatica Recettore proteico Citoplasma

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 respirazione cellulare usando l energia immagazzinata nel glucosio per produrre ATP.

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