LA CELLULA AL LAVORO
LA MEMBRANA PLASMATICA
è organizzata secondo un modello a mosaico fluido
"mosaico" perché è composta da fosfolipidi e proteine disposti come le tessere di un mosaico
Molti fosfolipidi contengono acidi grassi insaturi
i doppi legami creano angoli nelle code (ciò impedisce che i fosfolipidi si compattino solidificando)
nella membrana delle cellule animali è presente anche il colesterolo per stabilizzarla a temperature alte e mantenerla fluida a temperature più basse
I fosfolipidi, posti in soluzione acquosa, si aggregano spontaneamente formando un doppio strato intorno alle gocce d'acqua
l'isolamento di molecole organiche all'interno di queste strutture potrebbe essere stato un passaggio importante per la nascita della vita
"fluido" perché le tessere non sono fissate ma possono scorrere le une sulle altre
LE PROTEINE incluse nella membrana hanno diverse funzioni
alcune si legano alla matrice extracellulare e al citoscheletro, che supportano la struttura della membrana e possono regolare cambiamenti esterni e interni
le glicoproteine sono implicate nel riconoscimento tra cellule
sono rivolte verso lo spazio extracellulare e riconoscono ormoni, batteri, virus e permettono, in parte, la comunicazione tra cellule
le proteine-recettore permettono la comunicazione con altre cellule tramite la traduzione del segnale
le proteine di trasporto permettono il passaggio selettivo, in entrambi sensi a molecole e ioni
svolgono il trasporto delle molecole
grazie all'ambiente idrofobo all'interno del doppio strato, le molecole non polari attraversano facilmente la membrana, mentre le molecole polari vengono bloccate
le proteine di trasporto controllano l'entrata e l'uscita di queste molecole
Permeabilità selettiva
trasporto passivo
DIFFUSIONE: fenomeno per il quale le sostanze si spostano spontaneamente dalle zone a maggior concentrazione a minor concentrazione.
le particelle si diffondono seguendo il loro gradiente di concentrazione
Questo tipo di trasporto passivo (non richiede energia) è chiamato diffusione facilitata
Le acquaporine sono proteine canale che permettono uno scambio più veloce delle molecole d'acqua con l'esterno
diffusione che avviene con l'utilizzo di proteine trasportatrici
diffusione passiva
raggiungimento dell'equilibrio dinamico
osmosi
sposta l'acqua secondo gradiente finchè la concentrazione del soluto è uguale in entrambi i lati della membrana
è il passaggio per diffusione dell'acqua attraverso la membrana cellulare semipermeabile
quando due soluzioni hanno diversa concentrazione di soluti
quella in cui il soluto è più concentrato si dice ipertonica ( acqua esce dalla cellula)
quella in cui è meno concentrato si dice ipotonica ( acqua entra nella cellula)
quando due soluzioni hanno la stessa concentrazione di soluti si dicono isotoniche
meccanismi di osmoregolazione per mantenere un equilibrio idrico con l'ambiente circostante
ciò permette di
evitare l'eccessivo accumulo di acqua in un ambiente ipotonico
evitare l'eccessiva perdita di acqua in un ambiente ipertonico
le cellule animali e vegetali rispondono diversamente alla tonicità dell'ambiente circostante
trasporto attivo
per trasferire soluti contro gradiente di concentrazione
per permettere a una cellula di mantenere la concentrazione interna di alcune piccole molecole diversa da quella dell'ambiente circostante
questi sistemi richiedono energia, solitamente sotto forma di ATP (adenosina trifosfato)
tre tipi di trasporto attivo
UNIPORTO
un tipo di molecola in un'unica direzione
SIMPORTO
due sostanze contemporaneamente nella stessa direzione
ANTIPORTO
le proteine trasportano due molecole diverse in direzioni opposte
LE GIUNZIONI
I filamenti del citoscheletro uniscono strettamente le cellule adiacenti, cellule compatte e resistenti
ATP
è indispensabile per gli scambi energetici della cellula
con questa molecola è possibile immagazzinare le piccole dosi di energia resa disponibile dalla respirazione cellulare e successivamente rilasciarla in modo controllato
l'idrolisi dell'ATP è una reazione esoergonica
la cellula abbina questa reazione a un processo endoergonico, di solito trasferendo il gruppo fosfato su un'altra molecola tramite una reazione di fosforilazione
In questa reazione la molecola fosforilata riceve energia dall' ATP che si trasforma in ADP
può alimentare tre tipi di lavoro cellulare
lavoro di trasporto
lavoro meccanico
lavoro chimico
GLI ENZIMI
sono proteine
Sono catalizzatori (aumentano la velocità delle reazioni)
non subiscono alcuna trasformazione
il loro sito attivo accoglie un solo tipo di substrato
il legame determina un cambiamento della conformazione del sito attivo che, a sua volta, induce un cambiamento nei legami del substrato
il cambiamento indotto nel substrato favorisce la reazione catalizzata dall'enzima
per dare il via a una qualsiasi reazione bisogna superare una barriera energetica chiamata energia di attivazione
molte reazioni sono accelerate da un aumento di temperatura: in questo modo la cellula non può decidere su quali agire
la cellula ha bisogno di svolgere in modo veloce e preciso le reazioni chimiche necessarie per la propria sopravvivenza
la loro forma è influenzata dall'ambiente
la temperatura è molto importante
se troppo bassa non ci saranno abbastanza collisioni tra il sito attivo dell'enzima e i reagenti
se troppo alta l'enzima sarà denaturato perdendo ogni funzione
anche il pH e la concentrazione di sali influiscono sull'attività degli enzimi
COFATTORI
Ioni metallici
Coenzimi
Inibitore: interferisce con l'attività di un enzima
INIBIZIONE
Irreversibile
se un inibitore si unisce a un enzima con un legame covalente
Reversibile
se un inibitore si unisce a un enzima con un legame debole
Competitivo
hanno una struttura simile al normale substrato dell'enzima e competono con esso per occupare il sito attivo
Non competitivo
si legano all'enzima modificandone la forma in modo che il sito attivo non riesce più ad accogliere il substrato
la cellula usa gli inibitori per regolare il proprio metabolismo
il feedback negativo è uno dei più importanti meccanismi di regolazione del metabolismo cellulare
L'ALBINISMO
nella serie di reazioni della via metabolica, l'enzima 1 (tirosinasi) non funziona, la melanina non è prodotta e quindi l'individuo è albino
LA RESPIRAZIONE CELLULARE
FASE AEROBICA
respirazione cellulare
avviene nei mitocondri in presenza di ossigeno
si formano 36 ATP
le molecole a tre atomi di carbonio sono convertite in anidride carbonica e ossigeno
tre tappe principali
glicolisi
Il piruvato prodotto con la glicolisi può seguire due vie
fermentazione lattica
il piruvato viene convertito in un altro composto, il lattato
si rigenera il NAD+, la molecola a partire dalla quale viene prodotto il NADH durante la glicolisi
fermentazione alcolica
il piruvato viene trasformato in etanolo, in un processo che rigenera NAD+ e produce C02
ciclo di krebs
le reazioni del ciclo di Krebs avvengono nella matrice dei mitocondri
Prima di passare dal citoplasma ai mitocondri per prendere parte al ciclo di Krebs, il piruvato subisce alcune modificazioni chimiche
Per ogni molecola di glucosio che prende parte alla glicolisi vengono sintetizzate 2 molecole di acetilcoenzima A e altre 2 molecole di NADH
Il ciclo di Krebs completa la demolizione del glucosio fino a ottenere C02 in una serie ciclica di reazioni
Dopo la glicolisi e il ciclo di Krebs, la cellula ha a disposizione un totale di 4 ATP, 10 NADH e 2 FADH2
fosforilazione ossidativa
catena di trasporto degli elettroni
il NADH e il FADH2 cedono elettroni a un complesso di molecole che li trasporta fino all'ossigeno
il trasporto di elettroni e la fosforilazione avvengono nella membrana interna
chemiosmosi
nei procarioti le prime fasi avvengono nel citoplasma e la catena di trasporto degli elettroni è incorporata nella membrana plasmatica
sfrutta l'energia liberata dai trasferimenti di elettroni lungo la catena di trasporto per generare ATP
L'enzima ATP sintetasi utilizza l'energia potenziale per generare ATP, facendo passare gli ioni idrogeno attraverso un proprio canale
Il rendimento energetico complessivo della respirazione cellulare è di circa 32 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio
Tre complessi proteici utilizzano l'energia liberata dalla catena di trasporto per trasportare attivamente ioni H+ contro gradiente, determinando l'accumulo di energia potenziale
FASE ANAEROBICA
glicolisi
avviene nel citoplasma, in tutti i tipi di cellule
si formano 2 ATP e 2 NADH
il glucosio è spezzato in due molecole a 3 atomi di carbonio (acido piruvico)
LA FERMENTAZIONE (processo da cui le cellule ricavano energia)
LATTICA (acido lattico)
ALCOLICA (alcool etilico e anidride carbonica)
Organismi AEROBI: producono energia in presenza di ossigeno
Organismi ANAEROBI: producono energia in assenza di ossigeno
ENDOCITOSI E ESOCITOSI
processi per spostare materiali voluminosi (proteine polisaccaridi) attraverso la membrana all'interno di vescicole
ESOCITOSI: vescicole di trasporto cariche di macromolecole. Si fondono con la membrana cellulare e liberano all'esterno il proprio contenuto
ENDOCITOSI: la cellula ingloba materiale presente all'esterno in una vescicola che trasferisce al proprio interno
FAGOCITOSI
la cellula avvolge una particella mediante estroflessioni della membrana chiamate pseudopodi e la ingloba all'interno di un vacuolo
PINOCITOSI
la cellula inghiotte goccioline di liquido in minuscole vescicole
ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI
proteine-recettore si legano a molecole specifiche, poi la porzione di membrana contenente i recettori si introflette e si chiude in una vescicola che trasporta nel citoplasma le molecole inglobate
LA CELLULA IN AZIONE
cellula: piccolo mondo in cui avvengono migliaia di reazioni chimiche tra i materiali contenuti al suo interno
molti di questi materiali entrano dall'ambiente esterno
altri materiali elaborati vengono rilasciati all'esterno
membrana cellulare: regola questo continuo traffico di materiali
l'energia è la capacità di svolgere un lavoro
ENERGIA POTENZIALE
è l'energia che un oggetto possiede in virtù della sua struttura o della posizione che occupa
ENERGIA CINETICA
è l'energia dei corpi in movimento
Per compiere un lavoro, l'energia potenziale deve essere convertita in energia cinetica
ENERGIA CHIMICA
è un tipo di energia potenziale che possiedono tutte le molecole in virtù della configurazione dei loro atomi
è fondamentale per la vita perché è l'unica forma di energia potenziale disponibile per il lavoro cellulare
l'energia necessaria proviene dal cibo
COMBUSTIONE
è una reazione che libera grandi quantità di energia dalle macromolecole organiche, producendo anidride carbonica e acqua
TERMODINAMICA
è lo studio delle trasformazioni di energia che interessano la materia
si indica come sistema l'insieme dei corpi materiali considerati, e come ambiente tutto ciò che circonda il sistema
un sistema può essere una singola cellula oppure l'intero pianeta
un organismo è considerato un sistema aperto perché può scambiare energia e materia con l'ambiente circostante
esistono due leggi fondamentali che governano la trasformazione di energia negli organismi
IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
l'energia dell'universo è costante: può essere trasferita e trasformata, ma non può essere creata o distrutta
IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
ogni trasformazione di energia comporta un aumento del disordine dell'universo
l'entropia è una misura del grado di disordine di un sistema
la cellula, per mantenere il proprio ordine interno, provoca un aumento dell' entropia dell'ambiente esterno
LE REAZIONI
REAZIONE ESOERGONICA
reazione che libera energia
i reagenti hanno legami covalenti che contengono più energia rispetto ai legami dei prodotti
la reazione libera nell'ambiente esterno una quantità di energia pari alla differenza tra l'energia potenziale dei reagenti e quella dei prodotti
la respirazione cellulare è un processo esoergonico in cui l'ossigeno è utilizzato per convertire l'energia chimica dello zucchero in lavoro
REAZIONE ENDOERGONICA
reazione chimica che richiede un apporto netto di energia
l'energia viene assorbita dall'ambiente e impiegata per generare i prodotti che contengono più energia dei reagenti
l'energia viene immagazzinata come energia potenziale nei legami covalenti delle molecole dei prodotti
la fotosintesi è un processo endoergonico
le diverse cellule svolgono in modo coordinato migliaia di reazioni esoergoniche ed endoergoniche differenti (metabolismo cellulare)
via metabolica: serie di reazioni chimiche che determinano la sintesi o la demolizione di molecole complesse
accoppiamento energetico: capacità fondamentale delle cellule di sfruttare l'energia prodotta da reazioni esoergoniche per alimentare reazioni endoergoniche
LA FOTOSINTESI
FASE LUMINOSA
energia luminosa convertita in energia chimica
la clorofilla, pigmento contenente un atomo di MG, capta l'energia luminosa all'interno dei tilacoidi (enzimi)
l'energia luminosa scinde la molecola di acqua in idrogeno e ossigeno che si libera
si forma energia chimica: ATP e NADH
FASE OSCURA
è indipendente dalla luce
avviene nello stroma e comprende una serie ciclica di reazioni
con l'anidride carbonica e l'idrogeno prodotto dalla scissione dell'acqua si sintetizza il glucosio
l'energia necessaria è fornita dall'ATP prodotto nella fase luminosa
IL METABOLISMO
insieme delle reazioni chimiche che avvengono all'interno della cellula
le reazioni del metabolismo cellulare procedono attraverso una serie di passaggi successivi
la sequenza delle reazioni coinvolte in uno stesso processo costituisce una via metabolica