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La cellula e lenergia 5.1 Lenergia è la capacità di produrre lavoro Tutti gli organismi hanno bisogno di energia per vivere. Lenergia è definita come la.

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1 La cellula e lenergia 5.1 Lenergia è la capacità di produrre lavoro Tutti gli organismi hanno bisogno di energia per vivere. Lenergia è definita come la capacità di effettuare un lavoro (cioè di spostare un corpo modificandone il moto o lo stato di quiete).

2 Lenergia cinetica è lenergia posseduta dai corpi in movimento. Lenergia potenziale è lenergia immagazzinata (dovuta alla posizione del corpo) e può essere trasformata in energia cinetica. Figure 5.1A–C

3 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» linsieme dei corpi materiali in esame e «ambiente» tutto ciò che lo circonda.

4 Figura 5.2A Il primo principio della termodinamica stabilisce che: lenergia può essere trasformata da una forma allaltra; lenergia non può essere né creata né distrutta.

5 Il secondo principio della termodinamica afferma che durante le trasformazioni dellenergia aumenta il disordine (o entropia) e parte dellenergia è persa sotto forma di calore. Figura 5.2B

6 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 Energia potenziale delle molecole Reagenti Energia assorbita Prodotti Quantità di energia assorbita

7 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 Energia potenziale delle molecole

8 Le cellule compiono migliaia di reazioni chimiche (esoergoniche ed endoergoniche). Linsieme di queste reazioni costituisce il metabolismo cellulare. Laccoppiamento energetico utilizza le reazioni esoergoniche per far avvenire le reazioni endoergoniche.

9 5.4 Nella cellula lATP funge da navetta per il trasporto dellenergia chimica LATP fornisce lenergia necessaria per tutte le forme di lavoro cellulare. In una molecola di ATP lenergia risiede nei legami covalenti che uniscono i gruppi fosfato.

10 LATP 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 formataProteina mobile Soluto trasportato ADP + Prodotto Reagenti Proteina motrice Membrana della proteina Soluto +

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

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

13 Un enzima è una molecola proteica che si comporta come catalizzatore biologico. Un enzima può abbassare lenergia di attivazione necessaria per avviare una reazione chimica. Figura 5.5B Reagenti E A senza enzima E A con enzima Differenza netta di energia Prodotti Energia Direzione della reazione

14 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 lenzima, ossia il reagente, si chiama substrato. Come lavorano gli enzimi

15 Figura 5.6 Enzima (saccarasi) Glucosio Fruttosio Sito attivo Substrato (saccarosio) H2OH2O 1 Enzima disponibile con il sito attivo vuoto 2 Il substrato si lega allenzima che subisce un adattamento indotto 4 I prodotti vengono liberati 3 Il substrato si scinde nei prodotti Esempio di reazione catalizzata da un enzima:

16 5.7 Lambiente cellulare influenza lattività degli enzimi La temperatura, la concentrazione dei sali e il pH influenzano lattività 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).

17 5.8 Gli inibitori bloccano lazione degli enzimi Una sostanza chimica che interferisce con lattività di un enzima è detta inibitore. Lazione 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).

18 Gli inibitori competitivi occupano il sito attivo di un substrato. Gli inibitori non competitivi cambiano la funzione dellenzima modificando la sua forma. Figura 5.8 Substrato Enzima Sito attivo Legame normale del substrato Inibitore enzimatico Inibitore non competitivo Inibitore competitivo

19 Le funzioni delle membrane plasmatiche 5.9 Le membrane organizzano lattività 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.

20 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

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

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

23 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 linterno sia verso lesterno. Figura 5.11

24 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

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

26 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 laiuto di proteine di trasporto che forniscono un passaggio attraverso le membrane in un processo chiamato diffusione facilitata. Figura 5.13 Molecole di soluto

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

28 5.15 Losmosi è una diffusione di acqua attraverso una membrana semipermeabile Figura 5.15 Minore concentrazione di soluto Maggiore concentrazione di soluto Uguale concentrazione di soluto H2OH2O Molecola di soluto Membrana selettivamente permeabile Molecole dacqua Molecola di soluto circondata da molecole dacqua Movimento netto dellacqua Nellosmosi lacqua si sposta da una soluzione nella quale la concentrazione di soluto è minore a una soluzione nella quale la concentrazione di soluto è maggiore.

29 5.16 Per gli organismi è molto importante un equilibrio idrico tra le cellule e lambiente circostante Il controllo dellequilibrio 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.

30 Cellula vegetale H2OH2O H2OH2O H2OH2O H2OH2O H2OH2O H2OH2O H2OH2O H2OH2O Membrana 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

31 Liquido extracellulare Citoplasma Proteina Vescicola 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

32 Nel processo inverso allesocitosi, lendocitosi, la cellula ingloba le macromolecole o altre particelle, formando con la propria membrana delle vescicole nel citoplasma. Figura 5.17B Formazione della vescicola

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

34 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 Citoplasma Recettore proteico Membrana plasmatica Vesicola Colesterolo Figura 5.18

35 5.19 I cloroplasti e i mitocondri rendono disponibile lenergia per il lavoro cellulare I cloroplasti svolgono la fotosintesi utilizzando lenergia solare per sintetizzare glucosio e ossigeno a partire da diossido di carbonio e acqua. I mitocondri consumano ossigeno nella respirazione cellulare usando lenergia immagazzinata nel glucosio per produrre ATP.


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