La cellula in azione:
energia e processi
vitali
COSA E’
L’ENERGIA?
E’ la capacità di compiere un lavoro dove L = F x S
(forza per spostamento)
Il lavoro cellulare può consistere in:
• lavoro meccanico spostamento di organuli, contrazione
• lavoro di trasporto entrata e uscita di molecole attraverso la
membrana
• lavoro chimico energia necessaria per compiere le reazioni
chimiche come la sintesi delle molecole
Esistono diverse forme di energie che possono interconvertirsi le
une nelle altre.
La prima fonte di E per le cellule è l’E luminosa
che, gli organismi autotrofi come le piante, sono
in grado di trasformare in E chimica, ovvero E
immagazzinata nei legami chimici delle molecole.
Questa reazione prende il nome di fotosintesi e
la vedremo in dettaglio più avanti.
Gli
organismi
chimica
chimici
eterotrofi,
direttamente
delle
invece,
disponibile
biomolecole
di
(carboidrati, proteine e lipidi).
cui
trovano
nei
si
l’E
legami
nutrono
In
natura, tutte le trasformazioni energetiche sono regolate dai
PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA.
PRIMO PRINCIPIO
Principio di conservazione dell’E: l’E né si crea né si distrugge quindi la
quantità di E dell’Universo è costante e può solo trasformarsi da una
forma all’altra.
Non tutta la quantità di E può essere convertita in L perché una parte
di essa potrebbe disperdersi sotto forma di calore (rendimento <
100%).
E chimica
Calore
(E termica)
E meccanica
Allo stesso modo…
l’E contenuta nei legami chimici delle sostanze nutritive si
trasforma in E come attività muscolare
SECONDO PRINCIPIO
L’entropia dell’Universo è in costante aumento ovvero in un sistema
chiuso il disordine tende ad aumentare (il sistema, scambiando energia,
tende a trasformarsi in un sistema meno ordinato e organizzato).
Questo perché ogni volta che avviene una trasformazione spontanea,
una parte dell’energia viene dispersa come calore ed il calore aumenta
il grado di disordine.
Il passaggio, invece, da una situazione disordinata ad una situazione più
ordinata comporta il consumo di E.
ENERGIA
La camera ordinata possiede
l’E che abbiamo utilizzato per
ordinarla
Un sistema chiuso è un sistema in grado di scambiare energia, ma non
materia con l’ambiente esterno.
Un sistema aperto è un sistema che scambia sia energia che materia
con l’ambiente esterno.
Quale delle due è un sistema chiuso?
E gli organismi viventi sono sistemi chiusi o aperti?
Gli organismi viventi sono sistemi aperti che scambiano sia energia che
materia con l’ambiente esterno.
Nell’organismo gli scambi di energia avvengono durante le reazioni
chimiche che possono essere:
CATABOLICHE
Reazioni di demolizione delle
molecole (sostanze nutritive)
che liberano l’E in esse
contenuta
(reazioni esoergoniche)
ANABOLICHE
Reazioni di sintesi che
hanno bisogno di E per la
costruzione delle molecole
necessarie all’organismo
(reazioni endoergoniche)
Da dove deriva l’E necessaria alle reazioni anaboliche?
E
Reazioni anaboliche
(endoergoniche)
Reazioni cataboliche
(esoergoniche)
E
L’E liberata durante le reazioni
cataboliche viene:
• utilizzata per la sintesi nelle
reazioni
anaboliche
(immagazzinata nei legami
delle molecole)
• liberata
per
compiere
il
lavoro cellulare
• trasformata in calore
Catabolismo
e
anabolismo
costituiscono
insieme
il
METABOLISMO ovvero l’insieme
di tutte le reazioni chimiche che
avvengono nella cellula.
L’ATP
Qual è il destino dell’energia che viene liberata durante le reazioni
cataboliche?
Se il nostro organismo potesse utilizzare questa E solo nel momento in
cui viene liberata, qualche ora dopo i pasti non avremmo più E da
poter utilizzare.
Si sono evoluti dei sistemi per trattenere l’energia liberata dalla
catabolizzazione delle sostanze nutritive in modo da poterla utilizzare
ad ogni occorrenza.
La molecola universale utilizzata nei sistemi viventi per immagazzinare
e trasferire l’E è l’ATP e per questo è detta «moneta di scambio
energetico».
ATP = adenosina trifosfato
A
P
P
P
Ribosio
L’ultimo gruppo fosfato
rappresenta l’estremità
funzionale della molecola
perchè il legame
coinvolto è altamente
energetico
La maggior parte dell’attività della cellula (sintesi di biomolecole,
trasporto attivo, contrazione dei muscoli) dipende da questo processo
di trasferimento del gruppo Pi dall’ATP alle molecole coinvolte nel
lavoro cellulare.
Molecola
Pi
Pensate che ogni cellula utilizza circa 10 milioni di molecole di ATP al
secondo.
Gli esseri viventi, a riposo, hanno bisogno di energia?
O solo quando svolgono attività fisica?
Ogni essere vivente, anche se non impegnato in attività
fisica, richiede energia per mantenere le proprie funzioni
vitali quali:
•
•
•
•
respirazione
circolazione sanguigna
mantenimento della T corporea
attività del SN
L’energia minima richiesta da un organismo in stato di
riposo fisico, digestivo ed emozionale prende il nome di
metabolismo basale.
Qualsiasi ulteriore attività richiede il dispendio di
ulteriore energia quindi di altre calorie.
Questo fabbisogno ulteriore prende il nome di
fabbisogno energetico e dipende dallo stile di vita
(può essere 3-4 volte superiore al MB).
Calorie
in ingresso
Calorie
in uscita
Gli enzimi
Per avviare ogni reazione chimica è necessario superare un valore soglia
di E detta Energia di attivazione, Ea.
Gli ENZIMI sono proteine in grado di abbassare l’Ea e quindi di favorire
l’avvio delle reazioni. Si definiscono dei catalizzatori biologici proprio
perché aumentano la velocità delle reazioni chimiche, quindi il
passaggio da reagenti a prodotti.
Tutti gli enzimi sono proteine ovvero una sequenza di aa che per
essere funzionale deve ripiegarsi tridimensionalmente.
Il ripiegamento consente la formazione di tasche/depressioni che
rappresentano i siti attivi della reazione cioè i siti in cui si legano le
molecole di reagenti.
Le molecole su cui agiscono gli enzimi prendono il nome di
SUBSTRATI.
Il legame tra un substrato (S) ed il sito attivo di un enzima (E) è
altamente specifico cioè un enzima è in grado di catalizzare una o
poche reazioni chimiche perché il suo sito attivo è compatibile solo con
una determinata molecola.
Ecco perché nell’uomo esistono dai 1000 ai 4000 enzimi diversi, quasi
uno per ogni reazione chimica che avviene nel nostro organismo.
Questa proprietà
degli enzimi è
definita specificità di
substrato e funziona
come il modello
chiave-serratura.
Altre proprietà degli enzimi…
Non partecipano alla reazione cioè non subiscono
alcuna modificazione.
Non si consumano cioè dopo aver svolto la loro
funzione si staccano dai substrati pronti per
catalizzare altre reazioni chimiche.
COFATTORI
Sono delle parti non
all’attività enzimatica.
proteiche
IONI METALLICI
legati al sito
attivo dell’enzima
come Fe, Cu, Co,
Mn, Zn
dell’enzima
che
contribuiscono
COENZIMI
ovvero cofattori organici
come le vitamine che
sono necessarie in
piccolissime quantità,
ma sono imprescindibili
per l’enzima
L’attività degli enzimi è fortemente influenzata da:
• pH
• Temperatura
• Legame con altre sostanze
Tutti questi fattori possono modificare la conformazione
3D della proteina rendendo impossibile il riconoscimento
del substrato.
pH
Ogni enzima ha un suo pH ottimale di lavoro.
La maggior parte lavora in un range di pH compreso tra 6 e 8, ma ce
ne sono alcuni come la pepsina che lavorano solo nell’ambiente acido
dello stomaco (pH = 2). Questa digerisce le proteine, ma una volta
raggiunto l’intestino (pH >7) si inattiva ed entra in gioco un altro
enzima digestivo in grado di lavorare a quel valore di pH.
Temperatura
Il calore può modificare in maniera irreversibile la conformazione di
una proteina ed in questo caso si dice che viene denaturata.
Es. cosa succede all’albumina dell’uovo se questa viene sottoposta ad
una fonte di calore?
calore
Qual è la temperatura ottimale per gli enzimi che lavorano nel nostro
organismo?
E i batteri che per esempio vivono in ambienti estremi come le
sorgenti calde o i ghiacciai polari?
Legame con altre sostanze
Il legame con particolari sostanze può inibire l’attività catalitica, es. i
famosi FANS!!!
Come e dove viene prodotto l’ATP?
In che modo gli organismi liberano l’E contenuta
negli alimenti?
Esiste una complessa serie di reazioni che prende il
nome di respirazione cellulare.
Questa è divisa in tre tappe:
1. Glicolisi
2. Ciclo di Krebs
3. Fosforilazione ossidativa
La GLICOLISI si svolge nel citoplasma e consiste nella
scissione della molecola di Glucosio (6 atomi di C) in
2 molecole di Piruvato (3 atomi di C).
In questa catena di reazioni esoergoniche il Glucosio
si ossida e vengono prodotte 2 molecole di ATP.
Glucosio
2 Piruvato
Il piruvato entra nel mitocondrio e viene convertito
in Acetil-CoA (2 atomi di C) prima di entrare nella
seconda fase della respirazione: il CICLO DI KREBS.
L’Acetil-CoA è la molecola in cui convergono tutti i
processi catabolici delle sostanze che assumiamo con
gli alimenti.
Carboidrati
Proteine
Acetil-CoA
Lipidi
L’Acetil-CoA entra nel
ciclo di Krebs e viene
ossidato in una serie
ciclica di 8 reazioni
enzimatiche durante le
quali vengono prodotte
altre due molecole di
ATP.
Nel ciclo viene prodotta
anche
CO2
come
prodotto di scarto.
Acetil-CoA
Ciclo di Krebs
Il processo finale in cui si forma la maggior parte dell’ATP avviene sulla
membrana del mitocondrio e prende il nome di fosforilazione ossidativa.
In questa fase, gli e- persi dal Glucosio ossidato vengono trasferiti, attraverso
una serie di proteine, ad un accettore finale che nelle nostre cellule è
rappresentato dall’O2 (che si riduce ad H20).
LA RESPIRAZIONE IN SINTESI
Reazione netta
Glucosio + 6O2
6CO2 + 6H2O
36
ATP
Da dove viene l’O2 che utilizziamo come
accettore finale di e- e cosa ne facciamo della
CO2 prodotta?
Le complesse reazioni di respirazione cellulare che
avvengono all’interno della cellula sono fortemente
connesse e coordinate con la respirazione polmonare.
L’O2 che respiriamo grazie ai polmoni giunge in tutto
l’organismo attraverso il circolo sanguigno ed è impiegato
da ogni cellula per la respirazione cellulare insieme
ovviamente ai nutrienti assorbiti.
La CO2 prodotta come rifiuto viene immessa nel circolo
sanguigno a livello di tutti i tessuti per essere poi
espirata attraverso la respirazione polmonare.
Mentre noi umani non possiamo fare a meno dell’O2 per
produrre energia, altri esseri viventi hanno evoluto dei sistemi
alternativi che consentono loro di sopravvivere anche in
assenza di O2, questo perché utilizzano altre molecole come
accettori finali di e-.
Si distinguono quindi due tipi di respirazione:
AEROBICA
in presenza di O2
ANAEROBICA
in assenza di O2
FERMENTAZIONE
E’ un processo di respirazione anaerobica operato da alcuni
batteri e lieviti in determinate condizioni.
ALCOLICA
Glucosio
Piruvato
LATTICA
Glucosio
Piruvato
Alcol
Acido
etilico +
lattico +
Co2
Co2
FERMENTAZIONE ALCOLICA
E’ tipica di funghi unicellulari chiamati lieviti che ossidano gli
zuccheri producendo alcol etilico e Co2 come prodotti di
scarto.
FERMENTAZIONE LATTICA
E’ tipica di batteri lattici es. quelli utilizzati nella produzione
dello yogurt.
Il lattosio (zucchero del latte) viene ossidato ad acido lattico
che fa diminuire il pH. L’elevata acidità fa precipitare la
caseina (proteina del latte) che, coagulando, dà la
caratteristica consistenza allo yogurt.
Secondo voi l’uomo può compiere la fermentazione?
Durante un’intensa attività fisica la
demolizione
del
glucosio
per
sintetizzare ATP può superare la
capacità del sangue di rifornire i
muscoli di O2.
In queste condizioni il piruvato non
entra nel ciclo di Krebs, ma viene
fermentato in acido lattico che,
accumulandosi nei muscoli, causa
dolore muscolare
e senso di
affaticamento.
Facciamo un passo indietro.
Chi produce il glucosio che ci serve per produrre energia?
LA
FOTOSINTESI
CO2 + H2O
Glc + O2
La fotosintesi è una reazione in cui materia vivente e non vivente si
incontrano perché consiste nella cosiddetta «organicazione o
fissazione del Carbonio»: il Carbonio inorganico presente sotto
forma di CO2 nell’atmosfera, viene fissato in una moltitudine di
sostanze organiche che servono a nutrire tutti gli organismi del
Pianeta.
Solo pochi eletti sono in grado di compiere questa reazione e sono
definiti organismi fotosintetici perché sono in grado di catturare e
immagazzinare la luce solare extraterrestre nei legami delle molecole
organiche che servono a loro stessi come nutrimento (organismi
autotrofi) e anche a tutti gli altri organismi della catena alimentare.
Secondo il primo principio della termodinamica l’energia luminosa non
viene persa ma si trasforma in energia chimica secondo la reazione:
6CO2 + 6H2O
C6H12O6 + 6O2
N.B.: questa reazione serve solo ad esprimere bene i rapporti
quantitativi, ma il Glc è solo una delle tante molecole organiche che
vengono prodotte. Il processo fotosintetico serve per la costruzione
dell’intero organismo.
Ma chi ha inventato la fotosintesi?
NON sono le piante ad aver inventato la fotosintesi!!!
La fotosintesi è nata 3,5 mld di anni fa grazie a dei
procarioti chiamati cianobatteri che hanno saputo
sfruttare la fonte onnipresente e inesauribile che è
l’energia del sole per produrre le sostanze organiche
come nutrimento.
Quasi 2 mld di anni dopo nasce la prima cellula vegetale grazie ad un
processo endosimbiotico, ovvero l’abbraccio tra una cellula eucariote
(che quindi aveva già acquisito il mitocondrio) ed un procariote capace
di compiere la fotosintesi, un cianobatterio appunto, ...che si è poi
evoluto nell’organello che oggi conosciamo come...cloroplasto.
I CLOROPLASTI
Sono particolari organelli in grado di assorbire la luce grazie alla
presenza di un pigmento fotosintetico che è la clorofilla.
La clorofilla non assorbe le lunghezze d’onda del verde ed è per
questo che le foglie ci appaiono verdi.
I
cloroplasti
sono
avvolti da una doppia
membrana e la clorofilla
è contenuta all’interno
di sacchi appiattiti
detti tilacoidi che sono
immersi nello stroma.
La fotosintesi avviene in due processi...
Nella fase luminosa l’energia solare viene
convertita in energia chimica sotto forma
di ATP , mentre l’H2O viene ossidata ad
O2.
Nella fase oscura (indipendente dalla
presenza di luce) l’ATP prodotto nella
fase luminosa fornisce l’energia necessaria
per organicare il carbonio quindi per
convertire la CO2 in composti organici,
uno tra tutti il Glucosio.
Il processo di organicazione prende il
nome di Ciclo di Calvin ed avviene nello
stroma del cloropalsto.
Gli scambi gassosi tra la pianta e l’ambiente esterno sono garantiti
dalla presenza di microscopiche aperture sulla base delle foglie dette
stomi.
E’ vero che è pericoloso dormire con le piante in
camera da letto?
Le piante di notte respirano come
tutti gli esseri viventi cioè
prelevano O2 e rilasciano CO2,
ma in quantità trascurabili rispetto
a quella che viene catturata
durante il giorno per cui, aver
paura di dormire con una pianta
significa aver paura di dormire con
la propria sorella/fratello o con il
proprio marito/moglie o con il
proprio gatto/cane.
