Capitolo 5
L’energia e il trasporto
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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).
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• L’energia cinetica è l’energia posseduta dai corpi in
movimento. Ec = ½ mv2
• L’energia potenziale è l’energia immagazzinata
(dovuta alla posizione del corpo) e può essere
trasformata in energia cinetica. Ep = mhg
Figure 5.1A–C
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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.
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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
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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
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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
Prodotti
Figure 5.3A
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Energia assorbita
Reagenti
Quantità
di energia
assorbita
Le reazioni esoergoniche liberano energia e danno
origine a prodotti che contengono meno energia
potenziale dei loro reagenti.
Energia potenziale
delle molecole
Reagenti
Quantità
di energia
liberata
Energia liberata
Prodotti
Figura 5.3B
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• 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.
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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.
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• 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
Membrana della proteina
Proteina
motrice
P+
Soluto
P
Reagenti
P
P
P
Prodotto
Molecola formata
Figura 5.4A
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Proteina mobile
ADP+ P
P
Soluto trasportato
Il lavoro cellulare può essere sostenuto nel tempo
perchè l’ATP è una molecola rinnovabile, che viene
rigenerata dalle cellule.
ATP
Energia prodotta
dalle reazioni
esoergoniche
Energia utile
per le reazioni
endoergoniche
ADP +
Figura 5.4B
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P
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).
Enzima
Barriera EA
Reagenti
Figura 5.5A
Contenitore 1
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Prodotti
Contenitore 2
• 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.
EA senza
enzima
EA con
enzima
Energia
Reagenti
Differenza
netta
di energia
Prodotti
Figura 5.5B
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Direzione della reazione
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.
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Esempio di reazione catalizzata da un enzima:
1 Enzima disponibile
con il sito attivo
vuoto
Sito attivo
Glucosio
Substrato
(saccarosio)
Il substrato
2 si lega all’enzima
che subisce
un adattamento indotto
Enzima
(saccarasi)
Fruttosio
H2O
4 I prodotti
vengono liberati
3 Il substrato
si scinde
nei prodotti
Figura 5.6
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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).
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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).
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• Gli inibitori competitivi occupano il sito attivo di un
substrato.
• Gli inibitori non competitivi cambiano la funzione
dell’enzima modificando la sua forma.
Substrato
Sito attivo
Enzima
Legame normale del substrato
Inibitore
competitivo
Figura 5.8
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Inibitore
non competitivo
Inibitore enzimatico
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.
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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
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Altre proteine di membrana funzionano da recettori
di messaggeri chimici provenienti da altre cellule.
Messaggero chimico
Recettore
Molecola
attivata
Figura 5.10B
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Alcune proteine di membrana hanno una funzione
di trasporto e aiutano le sostanze ad attraversare
la membrana stessa.
ATP
Figura 5.10C
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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
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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.
Molecole di colorante
Figura 5.12
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Membrana
Equilibrio
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)
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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
Figura 5.13
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Proteina di
trasporto
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.
Proteina di
trasporto
ATP
Soluto
1 Legame con il soluto
Figure 5.14
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P
ADP
2
Fosforilazione
P
La proteina
cambia forma
Il gruppo
fosfato si
allontana
3 Trasporto
4 Proteina originaria
P
5.15 L’osmosi è una diffusione di acqua attraverso
una membrana semipermeabile
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.
Uguale
Maggiore
concentrazione
Minore
di soluto
concentrazione concentrazione
di soluto
di soluto
Molecola
di soluto
Membrana
selettivamente
permeabile
Molecole
d’acqua
H2O
Molecola di soluto
circondata da molecole d’acqua
Figura 5.15
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Movimento netto dell’acqua
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.
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Comportamento delle cellule poste in soluzioni con
diversa concentrazione:
Soluzione isotonica
H2O
Soluzione ipotonica
Soluzione ipertonica
H2O
H2O
H2O
Cellula
animale
(1) Risulta normale
H2O
H2O
(2) Si gonfia
fino a scoppiare
H2O
(3) Si contrae
Membrana
plasmatica
Cellula
vegetale
(4) Perde consistenza
Figura 5.16
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(5) È turgida
(6) Si contrae
H2O
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
Vescicola
Proteina
Figura 5.17A
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Citoplasma
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
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L’endocitosi può avvenire in tre modi:
• fagocitosi;
• pinocitosi;
• endocitosi mediata da un recettore.
Fagocitosi
Figura 5.17C
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Membrana plasmatica
Molecole legate ai
recettori proteici
Fossetta
Citoplasma
Pinocitosi
Endocitosi mediata
da un recettore
TEM 96 500
TEM 54 000
Particella di cibo
da ingerire
LM 230
Pseudopodio
di un’ameba
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
Strato esterno fosfolipidico
Vesicola
Colesterolo
Proteina
Membrana
plasmatica
Figura 5.18
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Recettore
proteico
Citoplasma
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.
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