Flusso di energia nella cellula

IL FLUSSO DI ENERGIA NELLA

CELLULA

L’IMPORTANZA DELL’ENERGIA

Tutti i sistemi viventi richiedono un apporto continuo di energia. In genere, l’energia è

definita come la capacità di compiere lavoro. Una definizione più utile potrebbe essere

l’energia è la capacità di causare specifici cambiamenti fisici o chimici

la seguente: .

Le cellule richiedono energia

per compiere sei tipi diversi di

lavoro

Sei categorie di cambiamento definiscono sei tipi di

lavoro che richiedono apporto di energia:

Lavoro di sintesi: cambiamenti nei

1) legami chimici. Un’attività importante di

ogni cellula in ogni momento è il lavoro di

biosintesi, che dà luogo alla formazione di

nuovi legami chimici e alla sintesi di nuove

molecole.

Lavoro meccanico: cambiamenti nella

2) localizzazione o nell’orientamento di una

cellula o di una struttura subcellulare. Le

cellule richiedono spesso energia per

compiere lavoro meccanico, che implica un

cambiamento fisico nella posizione o

nell’orientamento di una cellula o di alcune

sue parti.

Lavoro di concentrazione: movimento di

3) molecole attraverso una membrana

contro un gradiente di concentrazione . Lo

scopo del lavoro di concentrazione è sia di

accumulare le sostanze in una cellula o in un

organello, sia di eliminare i prodotti collaterali

potenzialmente tossici delle attività cellulari.

Lavoro elettrico: movimento di ioni

4) attraverso una membrana contro un

gradiente elettrochimico. Il lavoro elettrico

è spesso considerato un caso particolare di

lavoro di concentrazione, perché anch’esso

comporta un movimento attraverso le

membrane. In questo caso, tuttavia, vi è un

trasporto di ioni e il risultato non è solo un

cambiamento nella concentrazione, ma anche

l’instaurarsi di una differenza di carica tra i 2

potenziale elettrico potenziale di

due lati della membrana, chiamata o

membrana.

Calore: un aumento della temperatura che è utile per gli animali

5) omeotermi. Sebbene gli organismi viventi non usino il calore come forma di

energia, come fa una macchina a vapore, la produzione di calore rappresenta

omeotermi

uno degli impieghi più importanti dell’energia in tutti gli (animali che

regolano e mantengono la loro temperatura corporea indipendentemente

dall’ambiente). Il calore viene liberato come prodotto di molte reazioni chimiche

Bioluminescenza e fluorescenza: la produzione di luce

6) . Per completare il

quadro, si deve includere la bioluminescenza, la produzione di luce che utilizza

l’ATP o l’ossidazione chimica come fonti di energia, e la fluorescenza, la

produzione di luce a seguito dell’assorbimento di luce di lunghezze d’onda più

corte. La luce è prodotta da numerosi organismi bioluminescenti, quali lucciole,

alcune meduse e i funghi luminescenti.

Gli organismi ottengono energia dalla luce del sole o

dall’ossidazione di composti chimici

non tutti gli organismi sono in grado di ottenere direttamente energia dalla luce solare.

Infatti, sulla base della sorgente di energia che utilizzano, gli organismi (e le cellule)

possono essere classificati come fototrof (letteralmente “che si nutrono di luce”) o

chemiotrof (“che si nutrono di composti chimici”). Gli organismi possono anche

autotrofi eterotrofi

essere classificati come (“che si nutrono da sé”) o (“che si nutrono

di altri”) a seconda che utilizzino come fonte di carbonio, rispettivamente, CO o

2

molecole organiche. La maggior parte degli organismi è o fotoautotrofa (piante,

alghe, alcuni batteri) o chemioeterotrofa (tutti gli animali, funghi, protozoi e la

maggior parte dei batteri).

I fototrof sono organismi che possono ottenere tutta l’energia di cui necessitano

dall’energia luminosa del sole, che catturano tramite sistemi di pigmenti specifici e

fotoautotrofi,

trasformano in energia chimica che accumulano sotto forma di ATP. I

attraverso la fotosintesi, sono in grado di utilizzare l’energia solare per produrre tutti i

composti organici a partire da CO .

2

I chemiotrof dipendono dall’ossidazione di legami chimici di molecole organiche o

inorganiche per fornire energia alle attività cellulari. Richiedono l’assorbimento di

composti organici, come per esempio carboidrati, grassi e proteine, per produrre

l’energia e il carbonio per le necessità cellulari.

L’energia fluisce

continuamente

attraverso la

biosfera

Il flusso di energia e materia

attraverso la biosfera è

illustrato nella figura.

Durante il processo di

fotosintesi, l’energia solare

è “catturata” dai fototrofi e 2

utilizzata per trasformare l’anidride carbonica e l’acqua in materiali cellulari più

complessi (e più ridotti), come il glucosio. Questi composti ridotti vengono trasformati

in altri carboidrati, proteine, lipidi, acidi nucleici e in tutti i materiali necessari alla

cellula per sopravvivere.

I chemiotrofi, d’altra parte, sono consumatori incapaci di usare direttamente l’energia

solare e dipendono interamente dall’energia che è stata immagazzinata dai fototrofi

nelle molecole ossidabili presenti nel cibo.

LEGGI DELLE TRASFORMAZIONI DI

ENERGIA

La termodinamica è lo studio delle trasformazioni di energia che si verificano in un

sistema

campione di materia. Gli scienziati utilizzano il termine per riferirsi al

ambiente

campione di materia in esame, mentre indicano con il termine il resto

dell’universo.

Un sistema isolato, che può essere rappresentato da un liquido contenuto in un

thermos, è incapace di scambiare sia energia sia materia con ciò che lo circonda fuori

dal thermos. Gli organismi sono sistemi aperti che assorbono energia liberando

nell’ambiente calore e prodotti metabolici di rifiuto.

In un sistema aperto avvengono scambi di energia e di materia tra sistema e

ambiente. Le trasformazioni energetiche negli organismi e in qualsiasi altro campione

di materia sono governate dalle due leggi della termodinamica.

Prima legge della termodinamica

Secondo la prima legge della termodinamica, l’energia dell’universo è costante.

L’energia può essere trasferita e trasformata, ma non può essere né creata né

distrutta. principio di conservazione dell’energia.

La prima legge è nota anche come

Seconda legge della termodinamica

In termini semplici, la seconda legge della termodinamica afferma che in un sistema

isolato, l'energia tende a disperdersi e il disordine tende ad aumentare nel tempo.

Questo fenomeno è collegato a una grandezza chiamata entropia. L'entropia è una

misura del disordine o della casualità in un sistema: più è alta l'entropia, maggiore è il

disordine. 2

L’ENERGIA LIBERA

L’energia libera è quella porzione di energia di un sistema che può essere utilizzata

per compiere lavoro quando la temperatura e la pressione si mantengono costanti in

tutto il sistema, come accade in una cellula vivente. È utile considerare come

determinare la variazione di energia libera che accompagna una trasformazione di un

sistema – per esempio una reazione chimica.

L’energia libera può essere considerata una misura

dell’instabilità del sistema.

I sistemi instabili (elevato contenuto di G) tendono a

cambiare in modo da diventare più stabili (minore

contenuto di G).

In una reazione chimica, G descrive il contenuto di

energia di reagenti e prodotti

La variazione di energia libera (G = Gprodotti ─

G

Greagenti) è una misura di quanto una reazione sia

lontana dall’equilibrio.

Processi esoergonici: liberano energia

 (diminuzione del contenuto di energia libera del

sistema).

Processi endoergonici: richiedono energia

 (aumento del contenuto di energia libera del

sistema).

Un processo è spontaneo e può compiere lavoro solo quando evolve in direzione della

condizione di equilibrio

Energia libera, stabilità ed equilibrio 2

Equilibrio chimico e metabolico

In un sistema isolato le reazioni raggiungono l’equilibrio, una condizione in cui non

possono più compiere lavoro, come esemplificato dal sistema idroelettrico isolato nella

figura. Le reazioni chimiche metaboliche sono reversibili e potrebbero raggiungere

l’equilibrio se fossero fatte avvenire in provetta. Poiché i sistemi all’equilibrio

G

presentano un valore minimo di e non possono compiere lavoro, una cellula che

Una delle caratteristiche fondamentali

abbia raggiunto l’equilibrio metabolico è morta!

della vita è il fatto che il metabolismo, nel suo complesso, si trova costantemente in

una condizione lontana dall’equilibrio.

Come la maggior parte degli altri sistemi, una

cellula vivente non si trova in uno stato di equilibrio.

Il flusso costante di materiali dentro e fuori la cellula

impedisce alle vie metaboliche cellulari di

raggiungere l’equilibrio, e quindi la cellula continua

a lavorare per tutta la sua vita. Questo principio è

illustrato dal sistema idroelettrico aperto. 2

L’ATP

Una cellula compie tre tipi principali di lavoro:

lavoro chimico, necessario per reazioni endoergoniche che non avverrebbero

 spontaneamente, quali la sintesi di polimeri a partire da monomeri

lavoro di trasporto, quale il passaggio di sostanze attraverso le membrane in

 direzione opposta a quella del movimento spontaneo mediante meccanismi di

pompaggio;

lavoro meccanico, come il battito delle ciglia, la contrazione delle cellule

 muscolari e il movimento dei cromosomi durante la riproduzione cellulare.

L’accoppiamento energetico è una caratteristica fondamentale del modo in cui le

cellule utilizzano le loro riserve di energia per compiere lavoro sfruttando un processo

esoergonico per farne avvenire uno endoegonico.

L’ATP è la molecola responsabile della maggior parte delle reazioni di accoppiamento

energetico in una cellula.

La struttura dell’ATP

L’ATP (adenosina trifosfato) contiene lo

zucchero ribosio legato alla base azotata adenina e

a una catena di tre gruppi fosfato (il gruppo

trifosfato) a esso legati.

La rottura dei legami che uniscono i tre gruppi

fosfato dell’ATP può avvenire con una reazione di

idrolisi. Tuttavia, le condizioni effettivamente

presenti all’interno della cellula non corrispondono

alle condizioni standard, prima di tutto perché le

M.

concentrazioni di reagenti e prodotti non sono 1

Poich