trasporto attivo

la cellula al lavoro: cenni di termodinamica,
enzimi, struttura della membrana
plasmatica e il trasporto di membrana
Forme di energia
L’energia è la capacità di trasferire calore o compiere
un lavoro.
L’energia cinetica è l’energia di un oggetto in movimento
e dipende dalla massa e dalla velocità dell’oggetto.
L’energia potenziale è l’energia che l’oggetto possiede in
virtù della sua posizione, struttura e composizione.
Esistono diverse forme di energia potenziale, ad
esempio la gravitazionale o la chimica.
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cenni di termodinamica
La termodinamica è la scienza che studia le
trasformazioni che coinvolgono l’energia e la
massa in un sistema.
Il sistema è la porzione di universo oggetto di
indagine, circondata dall’ambiente.
Sistema + Ambiente = Universo
cenni di termodinamica
Sistema aperto: scambia energia e materia con
l’ambiente. I viventi sono dei sistemi aperti.
Sistema chiuso: scambia energia ma non
materia con l’ambiente.
Sistema isolato: non scambia on l’ambiente ne
energia ne materia. L’universo è un sistema
isolato.
primo principio della
termodinamica
Legge di conservazione dell’energia: l’energia
non si genera ne si distrugge ma si trasforma.
secondo principio della
termodinamica
È impossibile realizzare una macchina
termica il cui rendimento sia pari al 100%.
Nella fisica moderna però la formulazione più
ampiamente usata riguarda l’entropia, ovvero
la misura del disordine in un sistema:
In un sistema isolato nel corso del tempo
l'entropia aumenta .
entropia
Se in un sistema isolato l’entropia (quindi il
livello di disordine del sistema) nel corso del
tempo aumenta, in un sistema aperto o chiuso
è possibile produrre ordine, utilizzando lavoro,
ma solo se nell’ambiente aumenta in grado
maggiore il disordine.
Quindi l’entropia dell’universo è in costante
aumento.
calore
Il calore è definibile come energia in transito da
un corpo più caldo ad uno più freddo.
Il secondo principio osserva che nessun
processo è mai efficiente al 100%, parte
dell’energia utilizzata viene dispersa in calore,
ed il calore è una forma di energia disordinata,
che non può essere del tutto utilizzata per
produrre lavoro e si disperde nell’ambiente.
Reazioni esoergoniche (liberano energia)
ed endoergoniche (necessitano energia).
Reazione esoergonica
Reazione endoergonica
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Il metabolismo degli esseri viventi
Nelle cellule di tutti gli organismi avvengono reazioni
chimiche (anaboliche o cataboliche) che costituiscono il
metabolismo dell’organismo.
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termodinamica e viventi
Gli esseri viventi sono dei sistemi termodinamici
aperti, scambiano energia e materia con
l’ambiente.
I viventi necessitano continuamente di fonti di
energia per mantenere il loro metabolismo, e
disperdono circa il 60% dell’energia ricevuta in
calore.
La molecola dell’energia: l’ATP
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L’accoppiamento energetico
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Gli enzimi catalizzano le reazioni
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La struttura delle membrane biologiche
Le membrane biologiche hanno una struttura a mosaico
fluido. Nel doppio strato fosfolipidico si inseriscono anche
proteine e carboidrati.
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modello a mosaico fluido
le funzioni delle membrane plasmatiche
– Le membrane citoplasmatiche separano l’interno
dall’esterno della cellula, le membrane interne negli
eucarioti sono parte degli organuli membranosi.
– 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.
Le componenti della membrana
Proteine
Fosfolipidi
Carboidrati
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fosfolipidi
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I fosfolipidi formano una struttura stabile a due strati,
un doppio strato fosfolipidico, in cui le teste idrofiliche
sono a contatto con l’acqua, mentre le code idrofobiche
si orientano verso l’interno, allontanandosi dall’acqua.
Teste
idrofiliche
Acqua
Code
idrofobiche
Acqua
proteine
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Le proteine intrinseche di membrana sono immerse nel
doppio strato fosfolipidico e lo attraversano.
Le proteine estrinseche non sono immerse nel doppio
strato, si trovano su un lato della membrana (mai in
entrambi).
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.
Messaggero chimico
Recettore
Molecola
attivata
Altre proteine di membrana funzionano
da recettori di messaggeri chimici
provenienti da altre cellule.
ATP
Alcune proteine di membrana hanno una funzione di trasporto e aiutano
le sostanze ad attraversare la membrana stessa.
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.
carboidrati e glicoproteine
Carboidrati
Glicoproteina
I carboidrati e le glicoproteine (molecole
formate dall’unione di catene polipeptidiche
con catene di carboidrati) presenti sulla
superficie esterna della membrana sono
fondamentali alla cellula per il riconoscimento
di altre cellule e vari tipi di molecole.
La membrana plasmatica viene descritta come un
mosaico fluido sin quanto la sua struttura ha
caratteristiche di fluidità. La maggior parte delle
molecole proteiche e dei fosfolipidi può muoversi
lateralmente nella membrana.
Fibre della matrice extracellulare
Carboidrato
(della glicoproteina)
Glicoproteina
Glicolipide
Membrana plasmatica
Fosfolipide
Filamenti
Colesterolo
del citoscheletro
Proteine
Citoplasma
La dinamicità delle membrane biologiche
Le membrane cellulari si formano, si spostano, si fondono e si
spezzano costantemente.
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la diffusione e il gradiente di
concentrazione
In natura le particelle, dato il loro moto casuale, si spostano
spontaneamente, secondo gradiente (ovvero da una zona dove
sono più concentrate a una dove sono meno concentrate) sino a
quando non si realizza uno stato di equilibrio dinamico.
Molecole di colorante
Membrana
Equilibrio
Questo processo spontaneo prende il nome di diffusione.
Il trasporto attraverso la membrana
Diffusione attraverso una membrana
semipermeabile
Le membrane cellulari si
lasciano attraversare da
alcune sostanze in
maniera selettiva o
semipermeabile.
Il trasporto attraverso la
membrana può essere
passivo, se non richiede
l’impiego di energia, e
viceversa si dice attivo.
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trasporto passivo e attivo
Nel trasporto passivo le sostanze diffondono
attraverso le membrane senza che le cellule
compiano alcun lavoro utilizzando energia: le
particelle si spostano spontaneamente
secondo il gradiente di concentrazione.
Meccanismi di trasporto passivo:
Diffusione semplice
Diffusione facilitata
Osmosi
trasporto passivo e attivo
Nel trasporto passivo le sostanze diffondono
attraverso le membrane senza che le cellule
compiano alcun lavoro utilizzando energia: le
particelle si spostano spontaneamente secondo
il gradiente di concentrazione.
La cellula spende energia per il trasporto attivo
delle sostanze contro il gradiente di
concentrazione.
trasporto passivo: diffusione semplice
Molecole piccole e 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)
diffusione semplice
trasporto passivo: diffusione facilitata
Il passaggio di una sostanza secondo gradiente
attraverso specifiche proteine di membrana si
chiama diffusione facilitata.
– Molte tipi di molecole non riescono a diffondere
liberamente attraverso le membrane.
– Queste molecole attraversano le membrane con l’aiuto
di proteine di trasporto che forniscono un passaggio
attraverso le membrane.
diffusione facilitata tramite canali
proteici
diffusione facilitata tramite proteine
di trasporto
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La diffusione dell’acqua: l’osmosi
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osmosi
L’osmosi è una diffusione di acqua attraverso una
membrana semipermeabile, ovvero una membrana che
permette il passaggio dell’acqua ma non dei soluti in essa
disciolti.
Nell’osmosi l’acqua si
sposta da una
soluzione nella quale la
concentrazione di
soluto è minore
(ipotonica) a una
soluzione nella quale la
concentrazione di
soluto è maggiore
(ipertonica) sono a
quando non si
raggiunge un equilibrio
dinamico (ovvero le
due soluzioni avranno
la stessa
concentrazione,
saranno isotoniche).
osmosi
Maggiore
Minore
concentrazione concentrazione
di soluto
di soluto
Molecola
di soluto
Membrana
selettivamente
permeabile
Molecole
d’acqua
Uguale
concentrazione
di soluto
H2 O
Molecola di soluto
circondata da molecole d’acqua
Movimento netto dell’acqua
osmosi
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:
Soluzione isotonica
H2 O
Soluzione ipotonica
Soluzione ipertonica
H2O
H2 O
H2 O
Cellula
animale
(2) Si gonfia
fino a scoppiare
(1) Risulta normale
H2O
H2 O
(3) Si contrae
Membrana
plasmatica
H2 O
Cellula
vegetale
(4) Perde consistenza
(5) È turgida
(6) Si contrae
H2 O
Il trasporto attivo
Quando una sostanza si sposta contro il suo gradiente di
concentrazione, il trasporto richiede il consumo di energia.
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trasporto attivo mediato da proteine
Le proteine di trasporto possono spostare i soluti contro un
gradiente di concentrazione attraverso il trasporto attivo,
un processo che richiede energia trasportata dall’ATP.
Proteina di
trasporto
ATP
Soluto
1
Legame con il soluto
P
ADP
2
Fosforilazione
La proteina
cambia forma
3
Trasporto
P
Il gruppo
fosfato si
allontana
P
4 Proteina originaria
Uniporto
Simporto
Antiporto
Endocitosi ed esocitosi
Endocitosi
Esocitosi
Le molecole di grandi
dimensioni (come proteine
e polisaccaridi) possono
attraversare la membrana
plasmatica in entrata e in
uscita grazie
all’endocitosi oppure
grazie all’esocitosi.
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endocitosi
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
Si conoscono tre tipi di endocitosi:
– Fagocitosi (particelle solide o cellule intere)
– Pinocitosi (sostanze liquide)
– Endocitosi mediata da un recettore (altamente selettiva)
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
Strato esterno fosfolipidico
Vesicola
Colesterolo
Proteina
Membrana
plasmatica
Recettore
proteico
Citoplasma
esocitosi
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
Citoplasma