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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