STRUTTURA E LE FUNZIONI DELLA MEMBRANA PLASMATICA Lezione 1 STRUTTURA E LE FUNZIONI DELLA MEMBRANA PLASMATICA

3.1 La membrana plasmatica è un mosaico fluido di fosfolipidi e proteine La membrana plasmatica è organizzata secondo un modello a mosaico fluido Mosaico perché composta da fosfolipidi e proteine disposti come le tessere di un mosaico Fluido perché le “tessere” non sono fissate, ma possono scorrere le une sulle altre

3.1 La membrana plasmatica è un mosaico fluido di fosfolipidi e proteine Molti fosfolipidi contengono acidi grassi insaturi I doppi legami creano angoli nelle code Ciò impedisce che i fosfolipidi si compattino solidificando Nella membrana delle cellule animali è presente anche il colesterolo per stabilizzarla a temperature alte e mantenerla fluida a temperature più basse

3.1 La membrana plasmatica è un mosaico fluido di fosfolipidi e proteine Le proteine incluse nella membrana hanno diverse funzioni Le integrine danno maggior resistenza alla membrana perché la attraversano da una parte all’altra ancorandosi al citoscheletro e alla matrice extracellulare Le glicoproteine sono implicate nel riconoscimento tra cellule Le proteine-recettore permettono la comunicazione con altre cellule tramite la trasduzione del segnale Le proteine di trasporto regolano la permeabilità selettiva

Carboidrato unito a una glicoproteina Glicoproteina Glicolipide Integrina Figura 3.1 La membrana plasmatica e la matrice extracellulare di una cellula animale. Fosfolipide Microfilamenti del citoscheletro Colesterolo

3.1 La membrana plasmatica è un mosaico fluido di fosfolipidi e proteine Una funzione importante svolta delle proteine di membrana è il trasporto di molecole Grazie all’ambiente idrofobo all’interno del doppio strato, le molecole non polari attraversano facilmente la membrana, mentre le molecole polari vengono bloccate Le proteine di trasporto permettono ingresso e fuoriuscita controllati di queste molecole Questo fenomeno è chiamato permeabilità selettiva

3.1 La membrana plasmatica è un mosaico fluido di fosfolipidi e proteine Check Elenca le sei principali funzioni svolte dalle proteine di membrana Sostegno, mediante l’ancoraggio al citoscheletro e alla matrice extracellulare; riconoscimento cellula-cellula; giunzioni intercellulari; funzione enzimatica; trasduzione del segnale; trasporto.

3.2 L’organizzazione spontanea delle membrane rappresenta un passaggio cruciale nell’origine della vita alla luce dell’evoluzione I fosfolipidi, posti in soluzione acquosa, si aggregano spontaneamente formando un doppio strato simile a quello della membrane cellulari L’isolamento di molecole organiche all’interno di queste strutture potrebbe essere stato un passaggio cruciale per la nascita della vita

Figura 3. 2 Vescicole artificiali delimitate da una membrana Figura 3.2 Vescicole artificiali delimitate da una membrana. Il disegno a destra mostra una delle vescicole in sezione. Copyright © 2009 Pearson Education, Inc.

Acqua Figura 3.2 Vescicole artificiali delimitate da una membrana. Il disegno a destra mostra una delle vescicole in sezione. Acqua

3.2 L’organizzazione spontanea delle membrane rappresenta un passaggio cruciale nell’origine della vita alla luce dell’evoluzione Check Come descriveresti la struttura di una delle vescicole illustrata in sezione nella diapositiva precedente? I fosfolipidi formano un doppio strato. Le code idrofobe degli acidi grassi si raccolgono nello spessore del doppio strato, mentre le teste idrofile sono rivolte verso l’acqua su entrambi i lati del doppio strato fosfolipidico.

3.3 Nel trasporto passivo le sostanze diffondono attraverso la membrana senza alcun consumo di energia Con il termine diffusione si indica il fenomeno per cui le particelle tendono a distribuirsi in modo uniforme nello spazio a disposizione Le particelle si muovono da regioni in cui sono più concentrate verso zone in cui sono meno concentrate Quindi le particelle diffondono seguendo il proprio gradiente di concentrazione Le particelle finiscono per raggiungere un equilibrio dinamico con una concentrazione uguale in ogni zona

3.3 Nel trasporto passivo le sostanze diffondono attraverso la membrana senza alcun consumo di energia La diffusione attraverso le membrane plasmatiche non richiede energia: per questo viene chiamata trasporto passivo Il gradiente di concentrazione rappresenta l’energia potenziale necessaria per questo tipo di trasporto

Molecole di colorante Membrana Equilibrio Figura 3.3A La diffusione di un tipo molecola.

Membrana (in sezione) Molecole di colorante Equilibrio Figura 3.3B La diffusione di due tipi di molecole.

3.3 Nel trasporto passivo le sostanze diffondono attraverso la membrana senza alcun consumo di energia Check Che cosa si intende per trasporto passivo? Si intende la diffusione di una sostanza attraverso la membrana secondo il proprio gradiente di concentrazione, un’attività che la cellula svolge senza consumare energia.

3.4 La diffusione dell’acqua attraverso una membrana semipermeabile avviene per osmosi La capacità dell’acqua di muoversi attraverso le membrane è fondamentale per la vita della cellula Il flusso di acqua attraverso le membrane avviene per osmosi, in risposta alla concentrazione dei soluti all’esterno della cellula L’osmosi sposta l’acqua secondo gradiente finché la concentrazione del soluto è uguale da entrambi i lati della membrana

Minore concentrazione di soluto Maggiore concentrazione di soluto Uguale concentrazione di soluto H2O Molecola di soluto Membrana selettivamente permeabile Molecola d’acqua Figura 3.4 L’osmosi attraverso una membrana semipermeabile. Molecola di soluto circondata da molecole d’acqua Flusso netto di acqua

3.4 La diffusione dell’acqua attraverso una membrana semipermeabile avviene per osmosi Check Qual è la direzione del flusso netto di acqua tra due soluzioni di saccarosio (una allo 0,5% e l’altra al 2%) separate da una membrana non permeabile al saccarosio? L’acqua si muove dalla soluzione di saccarosio allo 0,5% (con minore concentrazione di soluto) verso la soluzione di saccarosio al 2% (con maggiore concentrazione di soluto).

3.5 L’equilibrio idrico tra le cellule e l’ambiente circostante è fondamentale per la sopravvivenza degli organismi Quando due soluzioni hanno diversa concentrazione di soluti quella in cui il soluto è più concentrato si dice ipertonica quella in cui il soluto è meno concentrato si dice ipotonica Quando due soluzioni hanno la stessa concentrazione di soluti si dicono entrambe isotoniche

3.5 L’equilibrio idrico tra le cellule e l’ambiente circostante è fondamentale per la sopravvivenza degli organismi La maggior parte degli organismi è dotata di meccanismi di osmoregolazione per mantenere un equilibrio idrico con l’ambiente circostante Ciò permette di evitare l’eccessivo accumulo di acqua in un ambiente ipotonico E l’eccessiva perdita di acqua in un ambiente ipertonico Le cellule animali e vegetali rispondono diversamente alla tonicità dell’ambiente circostante

Soluzione isotonica Soluzione ipotonica Soluzione ipertonica Cellula animale (A) Normale (B) Lisi (C) Raggrinzita Membrana plasmatica Cellula vegetale Figura 3.5 Il comportamento delle cellule animali e vegetali in soluzioni di diversa tonicità. (D) Perdita di turgore (E) Turgida (F) Raggrinzita

3.5 L’equilibrio idrico tra le cellule e l’ambiente circostante è fondamentale per la sopravvivenza degli organismi Check Considerando quanto hai appena appreso sull’equilibrio idrico, come puoi spiegare la funzione dei vacuoli contrattili di protisti come Paramecium? L’acqua stagnante in cui vive Paramecium è ipotonica rispetto alla cellula e quindi si stabilisce un flusso osmotico netto d’acqua dall’esterno all’interno della cellula. I vacuoli contrattili espellono l’eccesso di acqua, impedendo che la cellula scoppi.

3.6 Le proteine di trasporto facilitano la diffusione di alcune molecole attraverso la membrana Molte molecole idrofile o di grandi dimensioni possono attraversare la membrana cellulare solo grazie alle proteine di trasporto Questo tipo di trasporto passivo (non richiede energia) è chiamato diffusione facilitata Le acquaporine sono proteine canale che permettono uno scambio più veloce delle molecole d’acqua con l’esterno 24

3.6 Le proteine di trasporto facilitano la diffusione di alcune molecole attraverso la membrana Le proteine di trasporto possono funzionare in diversi modi Alcune si comportano come canali che sono si lasciano attraversare da molecole idrofile Altre si legano a una specifica molecola, cambiano forma e la riversano dal lato opposto della membrana In ogni caso le proteine di trasporto sono specifiche per i propri “passeggeri” 25

soluto CITOPLASMA proteina canale Figura 3.6 A La proteina di trasporto è un canale che permette a un dato soluto di diffondere attraverso la membrana. proteina canale CITOPLASMA 26

3.6 Le proteine di trasporto facilitano la diffusione di alcune molecole attraverso la membrana Check In che modo le proteine di trasporto contribuiscono alla permeabilità selettiva di una membrana? Le proteine di trasporto sono specifiche per determinati soluti. Quindi il numero e il tipo di proteine di trasporto incluse nella membrana influiscono sulla sua permeabilità a soluti diversi. 28

3.7 Le cellule consumano energia per trasportare un soluto contro il gradiente di concentrazione Le cellule sono dotate anche di meccanismi di trasporto attivo per trasferire soluti contro gradiente di concentrazione Questi sistemi richiedono energia, solitamente sotto forma di ATP L’ATP, fosforilando la proteina di trasporto, permette un cambiamento di forma necessario per il trasferimento del soluto dal lato opposto della membrana

Figura 3.7 B La pompa sodio potassio.

Figura 3.7 B La pompa sodio potassio.

Figura 3.7 B La pompa sodio potassio.

Figura 3.7 A Il trasporto attivo attraverso le proteine di membrana può avvenire con meccanismo di uniporto (sinistra), simporto (al centro) o antiporto (a destra).

3.7 Le cellule consumano energia per trasportare un soluto contro il gradiente di concentrazione Check Lo ione Ca2+ viene spostato fuori dalla cellula grazie al trasporto attivo La concentrazione di questo ione è maggiore dentro o fuori dalla cellula? Spiega la tua risposta Fuori dalla cellula. Se per trasportare il calcio all’esterno la cellula utilizza il trasporto attivo, significa che il movimento ha luogo contro il gradiente di concentrazione.

3.8 Le grandi molecole attraversano le membrane mediante esocitosi ed endocitosi esplorando La cellula sfrutta due processi per spostare materiali voluminosi attraverso la membrana Esocitosi: vescicole di trasporto cariche di macromolecole si fondono con la membrana cellulare e liberano all’esterno il proprio contenuto Endocitosi: la cellula ingloba materiale presente all’esterno in una vescicola che trasferisce al proprio interno In entrambi i casi il materiale trasportato si trova all’interno di vescicole

3.8 Le grandi molecole attraversano le membrane mediante esocitosi ed endocitosi esplorando Esistono tre tipi di endocitosi Fagocitosi: la cellula avvolge una particella mediante estroflessioni della membrana chiamate pseudopodi e la ingloba all’interno di un vacuolo Pinocitosi: la cellula “inghiotte” goccioline di liquido in minuscole vescicole Endocitosi mediata da recettori: proteine-recettore si legano a molecole specifiche, poi la porzione di membrana contenente i recettori si introflette e si chiude in una vescicola che trasporta nel citoplasma le molecole inglobate

Pseudopodio dell’ameba Fagocitosi FLUIDO EXTRACELLULARE Pseudopodio dell’ameba CITOPLASMA Food being ingested Pseudopodio Batterio “Cibo” o altre particelle Vacuolo alimentare Vacuolo alimentare Pinocitosi Membrana plasmatica Vescicola Endocitosi mediata da recettori Membrana plasmatica Proteina di rivestimento Recettore Vescicola rivestita Fossetta rivestita Fossetta rivestita Molecola specifica Materiale legato ai recettori

LA FAGOCITOSI Pseudopodio dell’ameba FLUIDO EXTRACELLULARE CITOPLASMA Pseudopodio Batterio “Cibo” o altre particelle Vacuolo alimentare Vacuolo alimentare

LA PINOCITOSI Membrana plasamtica Vescicola Membrana plasmatica

Membrana plasmatica L’ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI Proteina di rivestimento Recettore Vescicola rivestita Fossetta rivestita Fossetta rivestita Molecola specifica Materiale legato ai recettori

3.8 Le grandi molecole attraversano le membrane mediante esocitosi ed endocitosi esplorando Check Quale processo fa aumentare le dimensioni della membrana plasmatica: l’esocitosi o l’endocitosi? L’esocitosi: quando una vescicola di trasporto si fonde con la membrana plasmatica, la membrana della vescicola diventa parte della membrana plasmatica, che quindi si espande.

Lezione 2 LA CELLULA E L’ENERGIA

3.9 Quando compie un lavoro la cellula trasforma l’energia La cellula agisce come una fabbrica chimica in miniatura, capace di compiere migliaia di reazioni La cellula utilizza l’energia per fabbricare membrane e organuli cellulari, sintetizzare prodotti, trasportare le strutture al proprio interno o per spostarsi attivamente nell’ambiente

3.9 Quando compie un lavoro la cellula trasforma l’energia L’energia è definita come la capacità di svolgere un lavoro L’energia cinetica è l’energia dei corpi in movimento L’energia potenziale è l’energia che un oggetto possiede in virtù della sua struttura o della posizione che occupa

3.9 Quando compie un lavoro la cellula trasforma l’energia Un oggetto che si muove (dotato di energia cinetica) può compiere un lavoro trasferendo il proprio moto ad altri corpi materiali Un giocatore di biliardo utilizza il movimento della stecca per spingere la palla, la quale a sua volta mette in moto altre palle Il calore è una forma di energia cinetica associata al moto casuale degli atomi o delle molecole Anche la luce è un tipo di energia cinetica che può essere catturata per compiere un lavoro

3.9 Quando compie un lavoro la cellula trasforma l’energia Per compiere un lavoro, l’energia potenziale deve essere convertita in energia cinetica Un tuffatore sul trampolino, possiede una certa quantità di energia potenziale derivante dalla sua posizione elevata Quando salta, la sua energia potenziale è convertita in energia cinetica L’energia chimica è un tipo di energia potenziale che possiedono tutte le molecole in virtù della configurazione dei loro atomi L’energia chimica è fondamentale per la vita perché è l’unica forma di energia potenziale disponibile per il lavoro cellulare

L’energia potenziale del tuffatore è maggiore sul trampolino Durante il tuffo, l’energia potenziale si trasforma in energia cinetica Figura 3.9 Le principali forme di energia. Risalendo sul trampolino, il tuffatore trasforma l’energia cinetica del movimento muscolare in energia potenziale L’energia cinetica del tuffatore è minore nell’acqua

3.9 Quando compie un lavoro la cellula trasforma l’energia Check Quale forma di energia possiede un oggetto a riposo? Un oggetto a riposo possiede energia potenziale derivante dalla posizione che occupa.

3.10 Le leggi della termodinamica regolano le trasformazioni di energia Lo studio delle trasformazioni di energia che interessano la materia è chiamato termodinamica In termodinamica si indica come sistema l’insieme dei corpi materiali considerati Come ambiente tutto ciò che circonda il sistema Un sistema può essere una singola cellula o l’intero pianeta Un organismo è considerato un sistema aperto perché può scambiare energia e materia con l’ambiente circostante

3.10 Le leggi della termodinamica regolano le trasformazioni di energia Esistono due leggi fondamentali che governano la trasformazione di energia negli organismi Il primo principio della termodinamica: l’energia dell’Universo è costante Il secondo principio della termodinamica: ogni trasformazione di energia comporta un aumento del disordine dell’Universo L’entropia è una misura del grado di disordine di un sistema

Conversione di energia Carburante Conversione di energia Prodotti di scarto Energia termica Diossido di carbonio Benzina Combustione Energia cinetica (del movimento) Ossigeno Acqua Conversione dell’energia in un’automobile Calore Figura 3.10 Il secondo principio della termodinamica e le trasformazioni dell’energia. Respirazione cellulare Glucosio Diossido di carbonio Ossigeno Acqua Energia per il lavoro cellulare Conversione dell’energia in una cellula

Conversione dell’energia Carburante Conversione dell’energia Prodotti di scarto Energia termica Diossido di carbonio Benzina Combustione Energia cinetica (del movimento) Figura 3.10 Il secondo principio della termodinamica e le trasformazioni dell’energia. Ossigeno Acqua Conversione dell’energia in un’automobile

Conversione di energia Carburante Conversione di energia Prodotti di scarto Calore Respirazione cellulare Glucosio Diossido di carbonio Figura 3.10 Il secondo principio della termodinamica e le trasformazioni dell’energia. Ossigeno Acqua Energia per il lavoro cellulare Conversione dell’energia in una cellula

3.10 Le leggi della termodinamica regolano le trasformazioni di energia Check Come puoi spiegare la diffusione di un soluto attraverso una membrana utilizzando il secondo principio della termodinamica? Il processo di diffusione determina nel sistema una configurazione più disordinata (caratterizzata da un livello più alto di entropia) rispetto alla situazione iniziale in cui la membrana separava le soluzioni di concentrazione diversa.

3.11 Alcune reazioni chimiche liberano energia, altre la immagazzinano Una reazione esoergonica è una reazione chimica che libera energia I reagenti hanno legami covalenti che contengono più energia rispetto ai legami dei prodotti La reazione libera nell’ambiente esterno una quantità di energia pari alla differenza tra l’energia potenziale dei reagenti e quella dei prodotti La respirazione cellulare è un processo esoergonico in cui l’ossigeno è utilizzato per convertire l’energia chimica dello zucchero in lavoro

Quantità di energia libera Reagenti Quantità di energia libera Energia potenziale delle molecole Energia liberata Prodotti Figura 3.11A Schema di una reazione esoergonica.

3.11 Alcune reazioni chimiche liberano energia, altre la immagazzinano Una reazione endoergonica è una reazione chimica che richiede un apporto netto di energia In una reazione endoergonica l’energia viene assorbita dall’ambiente e impiegata per generare prodotti che contengono più energia dei reagenti L’energia viene immagazzinata come energia potenziale nei legami covalenti delle molecole dei prodotti La fotosintesi è un processo endoergonico: utilizzando reagenti a basso contenuto energetico e sfruttando l’energia solare, produce molecole ricche di energia

Quantità di energia assorbita Prodotti Quantità di energia assorbita Energia potenziale delle molecole Energia assorbita Reagenti Figura 3.11B Schema di una reazione endoergonica.

3.11 Alcune reazioni chimiche liberano energia, altre la immagazzinano In qualsiasi organismo le diverse cellule svolgono in modo coordinato migliaia di reazioni esoergoniche ed endoergoniche differenti Il complesso delle reazioni chimiche svolte da un organismo è indicato come metabolismo cellulare Una via metabolica è una serie di reazioni chimiche che determinano la sintesi o la demolizione di molecole complesse

3.11 Alcune reazioni chimiche liberano energia, altre la immagazzinano L’accoppiamento energetico è la capacità fondamentale delle cellule di sfruttare l’energia prodotta da reazioni esoergoniche per alimentare reazioni endoergoniche La chiave di volta dell’accoppiamento energetico è l’ATP

3.11 Alcune reazioni chimiche liberano energia, altre la immagazzinano Check Considerando il principio della conservazione dell’energia, qual è il destino dell’energia ricavata dal cibo durante la reazione esoergonica della respirazione cellulare? In parte essa viene immagazzinata nelle molecole di ATP e in parte viene liberata in forma di calore.

3.12 L’ATP trasporta l’energia chimica dove è necessaria L’ATP (adenosinatrifosfato) è la “moneta” per gli scambi energetici della cellula È formato da una base azotata (adenina), uno zucchero pentoso (ribosio) e tre gruppi fosfato La repulsione dovuta alle tre cariche negative presenti sui gruppi fosfato rende questa molecola simile a una molla compressa pronta a scattare I legami dei gruppi fosfato, infatti, sono molto instabili e possono essere facilmente idrolizzati (cioè spezzati aggiungendo H2O)

3.12 L’ATP trasporta l’energia chimica dove è necessaria L’idrolisi dell’ATP è una reazione esoergonica La cellula abbina questa reazione a un processo endoergonico, di solito trasferendo il gruppo fosfato su un’altra molecola tramite una reazione di fosforilazione In questa reazione la molecola fosforilata riceve energia dall’ATP che si trasforma in ADP (adenosindifosfato) L’idrolisi dell’ATP può alimentare tre tipi di lavoro cellulare Lavoro chimico Lavoro meccanico Lavoro di trasporto

Adenosina Trifosfato (ATP) Gruppo fosfato Adenina Ribosio Figura 3.12A La struttura dell’ATP e la sua idrolisi.

Adenosina Trifosfato (ATP) Gruppo fosfato Adenina Ribosio Idrolisi + Figura 3.12A La struttura dell’ATP e la sua idrolisi. + Adenosina Difosfato (ADP)

Movimento della proteina Lavoro chimico Lavoro meccanico Lavoro di trasporto Soluto Proteina motrice Proteina di membrana Reagenti Figura 3.12B L’ATP fornisce l’energia necessaria al lavoro cellulare. Prodotti Molecola formata Movimento della proteina Trasporto del soluto

3.12 L’ATP trasporta l’energia chimica dove è necessaria L’ATP è una risorsa rinnovabile che le cellule sono in grado di rigenerare continuamente Quando viene liberata energia da un processo esoergonico, come la glicolisi, l’energia viene utilizzata in una reazione endoergonica per generare ATP partendo da una molecola di ADP e un gruppo fosfato

Fosforilazione Idrolisi Energia proveniente dalle reazioni esoergoniche Energia disponibile per le reazioni endoergoniche Figura 3.12C Il ciclo dell’ATP.

3.12 L’ATP trasporta l’energia chimica dove è necessaria Check In che modo l’ATP trasferisce l’energia ricavata dai processi esoergonici ai reagenti che partecipano a processi endoergonici? L’ATP consente lo svolgersi di reazioni endoergoniche trasferendo, nel processo di fosforilazione, uno dei suoi gruppi fosfato alle molecole dei reagenti.

3.13 La fotosintesi e la respirazione cellulare sono due processi interdipendenti esplorando La fotosintesi è un processo biochimico complesso che avviene in due fasi La prima è chiamata fase luminosa, perché richiede la presenza di luce Nella fase luminosa l’energia luminosa è convertita in energia chimica La seconda è chiamata fase oscura, perché non richiede la presenza di luce Nella fase oscura avviene la sintesi degli zuccheri

3.13 La fotosintesi e la respirazione cellulare sono due processi interdipendenti esplorando Nella fase luminosa l’energia luminosa assorbita dalla clorofilla è impiegata per trasferire elettroni e ioni H+ dall’acqua al NADP+, riducendolo così a NADPH Il NADP+ è un trasportatore di elettroni che raccoglie gli elettroni ricchi di energia per alimentare le fasi successive della fotosintesi Alcune passaggi della fase luminosa generano ATP subito disponibile

3.13 La fotosintesi e la respirazione cellulare sono due processi interdipendenti esplorando La fase oscura comprende una serie ciclica di reazioni chiamata ciclo di Calvin Nel ciclo di Calvin vengono sintetizzate molecole di zuccheri a partire dal CO2 e dalle molecole a elevato contenuto energetico prodotte dalla fase luminosa L’incorporazione del CO2 in molecole organiche è chiamata fissazione del carbonio

H2O CO2 Cloroplasto Luce NADP+ ADP  P REAZIONI LUMINOSE CICLO DI CALVIN (nello stroma) (nei tilacoidi) ATP Elettroni Schema delle due fasi della fotosintesi all’interno del cloroplasto. NADPH O2 Zucchero

3.13 La fotosintesi e la respirazione cellulare sono due processi interdipendenti esplorando La fotosintesi è costituita da numerose reazioni di ossidoriduzione Le molecole di acqua si scindono liberando O2: in realtà si ossidano, cioè perdono elettroni e ioni idrogeno (H+) Il CO2 acquista elettroni e ioni idrogeno, riducendosi a glucosio

3.13 La fotosintesi e la respirazione cellulare sono due processi interdipendenti esplorando La respirazione cellulare, attraverso una serie di reazioni redox, libera l’energia chimica contenuta nel glucosio Per farlo, lo zucchero viene ossidato a CO2 e l’O2 ridotto ad H2O Gli elettroni perdono energia potenziale durante questa serie di ossidoriduzioni Al contrario, nella fotosintesi, l’ H2O si ossida, il CO2 si riduce e gli elettroni acquistano energia

3.13 La fotosintesi e la respirazione cellulare sono due processi interdipendenti esplorando Nella fotosintesi gli elettroni vengono spinti a un livello energetico superiore grazie all’energia luminosa catturata dalle molecole di clorofilla In questo modo la fotosintesi trasforma l’energia luminosa in energia chimica L’energia chimica è immagazzinata nei legami chimici delle molecole di zucchero

COME FUNZIONANO GLI ENZIMI Lezione 3 COME FUNZIONANO GLI ENZIMI

3.14 Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche abbassando le richieste energetiche La cellula ha un continuo rifornimento di energia sotto forma di ATP, ma questa non è direttamente disponibile Per dare il via a una qualsiasi reazione bisogna superare una barriera energetica chiamata energia di attivazione (EA) Questa energia serve per spezzare i legami dei reagenti e permettere la formazione di nuovi

3.14 Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche abbassando le richieste energetiche Molte reazioni sono accelerate da un aumento di temperatura: in questo modo però la cellula non può decidere su quali agire Gli enzimi sono catalizzatori biologici in grado di aumentare la velocità delle reazioni in modo selettivo Gli enzimi accelerano le reazioni abbassando la barriera della EA e non vengono consumati nel processo

Reazione senza l’enzima EA senza l’enzima EA con l’enzima Reagenti Energia Differenza netta di energia (non cambia) Reazione con l’enzima Figura 3.14 L’effetto di un enzima sull’EA di una reazione chimica. Prodotti Andamento della reazione

3.14 Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche abbassando le richieste energetiche Check In una reazione esoergonica i reagenti possiedono più energia dei prodotti Perché, secondo te, un enzima non può trasformare una reazione esoergonica in una reazione endoergonica (in cui i reagenti hanno meno energia dei prodotti)? L’enzima accelera la reazione abbassandone l’energia di attivazione, ma non altera la differenza di energia che esiste tra reagenti e prodotti. Per compiersi, una reazione endoergonica richiede comunque un apporto di energia.

3.15 Ogni reazione cellulare è catalizzata da un enzima specifico Ogni enzima ha una particolare forma che gli permette di interagire con uno specifico substrato e catalizzare una determinata reazione Il substrato si lega a una regione dell’enzima chiamata sito attivo mediante legami deboli Il legame determina un cambiamento della conformazione del sito attivo che a sua volta induce un cambiamento nei legami del substrato Il cambiamento indotto nel substrato favorisce la reazione catalizzata dall’enzima

1 Enzima disponibile con il sito attivo libero Sito attivo Enzima (saccarasi) Figura 3.15 Il ciclo catalitico di un enzima.

Il substrato si lega all’enzima (adattamento indotto) 1 Enzima disponibile con il sito attivo libero Sito attivo Substrato (saccarosio) 2 Il substrato si lega all’enzima (adattamento indotto) Enzima (saccarasi) Figura 3.15 Il ciclo catalitico di un enzima.

Il substrato si lega all’enzima (adattamento indotto) 1 Enzima disponibile con il sito attivo libero Sito attivo Substrato (saccarosio) 2 Il substrato si lega all’enzima (adattamento indotto) Enzima (saccarasi) Figura 3.15 Il ciclo catalitico di un enzima. 3 Conversione del substrato nei prodotti

Il substrato si lega all’enzima (adattamento indotto) 1 Enzima disponibile con il sito attivo libero Sito attivo Substrato (saccarosio) 2 Il substrato si lega all’enzima (adattamento indotto) Enzima (saccarasi) Glucosio Fruttosio Figura 3.15 Il ciclo catalitico di un enzima. 4 I prodotti sono liberati 3 Conversione del substrato nei prodotti

3.15 Ogni reazione cellulare è catalizzata da un enzima specifico La forma di un enzima è influenzata dall’ambiente: per questo esistono condizioni ottimali di attività per ogni enzima La temperatura è molto importante Se troppo bassa non ci saranno abbastanza collisioni tra il sito attivo dell’enzima e i reagenti Se troppo alta l’enzima sarà denaturato perdendo ogni funzione Anche il pH e la concentrazione di sali sono in grado di influire sull’attività degli enzimi

3.15 Ogni reazione cellulare è catalizzata da un enzima specifico Per funzionare molti enzimi hanno bisogno di molecole non proteiche chiamate cofattori I cofattori possono essere di natura organica come ioni metallici Altri sono molecole organiche chiamate coenzimi, come per esempio moltissime vitamine

3.15 Ogni reazione cellulare è catalizzata da un enzima specifico Check Perché ogni enzima agisce su un determinato substrato e non esistono invece enzimi in grado di accelerare più tipi di reazioni chimiche? Perché la cellula ha bisogno di controllare la propria attività accelerando di volta in volta soltanto le reazioni di cui ha bisogno.

3.16 L’attività enzimatica può essere bloccata o regolata da molecole speciali Un composto in grado di interferire con l’attività di un enzima è chiamato inibitore Se si unisce a un enzima con un legame covalente, l’inibizione è generalmente irreversibile Se si unisce a un enzima con un legame debole, l’inibizione è reversibile

3.16 L’attività enzimatica può essere bloccata o regolata da molecole speciali Gli inibitori competitivi hanno una struttura simile al normale substrato dell’enzima e competono con esso per occupare il sito attivo Inibitore competitivo Inibizione competitiva Substrato Enzima Sito attivo Legame normale del substrato Figura 3.16 L’effetto degli inibitori sul legame tra enzima e substrato. Copyright © 2009 Pearson Education, Inc.

3.16 L’attività enzimatica può essere bloccata o regolata da molecole speciali Gli inibitori non competitivi si legano all’enzima modificandone la forma in modo che il sito attivo non riesce più ad accogliere il substrato Substrato Enzima Sito attivo Legame normale del substrato Inibitore non competitivo Figura 3.16 L’effetto degli inibitori sul legame tra enzima e substrato. Inibizione non competitiva Copyright © 2009 Pearson Education, Inc.

3.16 L’attività enzimatica può essere bloccata o regolata da molecole speciali La cellula usa gli inbitori per regolare il proprio metabolismo Feedback negativo: il prodotto finale di una via metabolica è un inibitore di uno dei primi passaggi della via stessa In questo modo più prodotto è disponibile, più è forte l’inibizione e viceversa Il feedback negativo è uno dei più importanti meccanismi di regolazione del metabolismo cellulare

3.16 L’attività enzimatica può essere bloccata o regolata da molecole speciali Check Perché i meccanismi a feedback negativo permettono alla cellula di evitare sprechi? Perché impediscono alla cellula di sprecare energia e materie prime per sintetizzare quantità di prodotto in eccesso rispetto alla sua effettiva necessità.