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).

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

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.

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

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

Energia potenziale delle molecole 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). Energia potenziale delle molecole Reagenti Energia assorbita Prodotti Quantità di energia assorbita Figure 5.3A

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

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.

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.

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 P Molecola formata Proteina mobile Soluto trasportato ADP + Prodotto Reagenti Proteina motrice Membrana della proteina Soluto Figura 5.4A

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

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

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

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.

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

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).

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).

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

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.

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

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

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

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

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. Equilibrio Membrana Molecole di colorante Figura 5.12

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)

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 Proteina di trasporto Figura 5.13

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. 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 4 Figure 5.14

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

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.

Comportamento delle cellule poste in soluzioni con diversa concentrazione: Cellula vegetale H2O 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 animale Figura 5.16

Liquido extracellulare 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 Citoplasma Proteina Vescicola Figura 5.17A

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

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  TEM 54 000 Citoplasma LM 230 Fagocitosi Pinocitosi Endocitosi mediata da un recettore Figura 5.17C

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

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.