La cellula e l’energia
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.
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.
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.
Disordine
Il passaggio da una forma ordinata a una disordinata è spontaneo (la vostra stanza)
Qualsiasi trasformazione subisca l’energia, rende l’Universo più “disordinato. Forme di energia nei viventi sono forme di energia potenziale depositate nelle molecole, formate da legami chimici che uniscono i loro atomi.
I viventi sono isole a basso contenuto di disordine (sistemi complessi altamente organizzati) immersi in un universo che continua ad aumentare il proprio
disordine.
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).
E n e rg ia p o te n zi a le d e lle m o le co le Reagenti Energia assorbita Prodotti Quantità di energia assorbita
Reazioni endoergoniche
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 E ne rg ia p ot en zi al e de lle m ol ec ol e
Reazioni esoergoniche
• 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.
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 P P P P Reagenti Proteina motrice
Membrana della proteina Soluto +
Fosforilazione
La fosforilazione è un processo mediante il quale un
gruppo fosfato (PO
43–) viene aggiunto a una molecola.
Si tratta di una reazione molto importante perché in
genere quando una molecola viene fosforilata, il suo
contenuto energetico aumenta ed essa è in grado di
partecipare a una data reazione.
ATP Energia utile per le reazioni endoergoniche Energia prodotta dalle reazioni esoergoniche C on de ns az io ne Id ro lis i
Il lavoro cellulare può essere sostenuto nel tempo perchè l’ATP è una molecola rinnovabile, che viene rigenerata dalle cellule.
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 E nz im a
Enzimi
• 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 enzima Differenza netta di energia E ne rg ia
Enzimi
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.
Enzima (saccarasi) Glucosio
Fruttosio
Sito attivo Substrato
(saccarosio)
H2O
1 Enzima disponibile con il sito attivo vuoto 2 Il substrato si lega all’enzima che subisce un adattamento indotto 4 I prodotti vengono liberati 3 Il substrato
Specificità degli enzimi
La maggior parte degli enzimi presenta una notevolissima
specificità per la reazione catalizzata e per i substrati
coinvolti. La specificità è legata a diversi fattori che
caratterizzano l'associazione tra il substrato ed il sito
attivo, come la conformazione della struttura delle
molecole, le cariche elettriche, la natura idrofilica o
idrofobica
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).
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).
Inibitori
Per scoraggiare i predatori di semi, le lenticchie contengono inibitori della tripsina che
interferiscono con la digestione.
• 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
non competitivo Inibitore
competitivo
Gli inibitori sono spesso utilizzati come farmaci, ma possono agire anche come veri e propri veleni. In realtà, la differenza tra farmaco e veleno è
esclusivamente una questione di dose del
composto: la maggior parte dei farmaci, infatti, se somministrati ad alte dosi può risultare tossica. Un esempio di inibitore utilizzato come farmaco è l'aspirina, che inibisce l'attività delle ciclossigenasi, che producono le prostaglandine, mediatori
dell'infiammazione, riducendo dunque la sensazione di dolore.
Il cianuro è invece un inibitore irreversibile che si combina con il rame ed il ferro presenti nel sito attivo dell'enzima citocromo c ossidasi, bloccando la respirazione cellulare