La cellula al lavoro

La termodinamica

La termodinamica è quella branca della fisica che si occupa dello studio delle trasformazioni energetiche. In termodinamica definiamo un sistema come l'insieme dei corpi materiali presi in esame, e definiamo ambiente tutto ciò che circonda un sistema.

Tre tipi di sistemi

Un sistema può appartenere ad una delle seguenti tre tipologie:

• sistemi aperti: il sistema può scambiare materia ed energia con l'ambiente

• sistemi chiusi: il sistema può scambiare solo energia con l'ambiente

• sistemi isolati: il sistema non può scambiare né materia né energia con l'ambiente

Il primo principio della termodinamica

L'energia può essere trasferita in vari modi ma non può essere né creata né distrutta.

In altri termini possiamo dire che l'energia prima e dopo il suo trasporto rimane invariata.

Il secondo principio della termodinamica

Nel corso delle trasformazioni spontanee, il disordine di un sistema isolato aumenta.

In parole povere possiamo dire che nelle trasformazioni spontanee, per mantenere ordine dobbiamo "spendere" energia.

L'energia libera

Non tutta l'energia di un sistema può essere utilizzata, ne deriva quindi che:

energia totale = energia utilizzabile + energia non utilizzabile

per usare i termini specifici:

entalpia = energia libera (G) + entropia

Se invece guardiamo la situazione dal punto di vista della variazione di energia abbiamo che:

Dalla precedente equazione possiamo capire se la reazione consuma o produce energia:

• Reazioni Esoergoniche (DG < 0)
  l'energia dei prodotti è minore di quella dei reagenti ed è quindi stata rilasciata energia

• Reazioni Endoergoniche (DG > 0)
  l'energia dei prodotti è maggiore di quella dei reagenti ed è quindi stata utilizzata energia (con un necessario apporto esterno da parte dell'ambiente)

Il metabolismo

Si definisce metabolismo l'insieme delle reazioni chimiche che avvengono in un essere vivente. Ci sono due tipi di reazioni metaboliche:

• Reazioni Anaboliche:
  partendo da molecole semplici vengono create molecole complesse. Poiché aumenta la complessità (l'ordine) all'interno della cellula, le reazioni anaboliche sono reazioni endoergoniche.

• Reazioni Cataboliche:
  partendo da molecole complesse, esse vengono scomposte in molecole più semplici. Poiché liberano l'energia contenuta nei legami delle molecole, le reazioni cataboliche sono reazioni esoergoniche.

I viventi devono assumere energia quotidianamente per mantenere l'ordine. I viventi si suddividono in due categorie:

• AUTOTROFI:
  ovvero gli esseri viventi che assumono carbonio da sostanze inorganiche

• ETEROTROFI:
  ovvero gli esseri viventi che assumono carbonio da sostanze organiche (altri esseri viventi)

L'idrolisi dell'ATP

L'Adenosintrifosfato è un nucleotide, ovvero uno dei monomeri che compongono il DNA. Dal punto di vista energetico l'ATP ha due proprietà fondamentali:

• quando viene idrolizzato rilascia una consistente quantità di energia

• può fosforilare, ovvero donare un gruppo fosfato diventando ADP (adenosindifosfato)

L'ATP è composto da una base azotata adenina, legata ad una molecola di ribosio, che porta una sequenza di 3 gruppi fosfati.

Quando viene idrolizzata una molecola di ATP otteniamo ADP, uno ione fosfato inorganico ed energia. L'idrolisi dell'ATP è quindi da considerare come una reazione esoergonica.

Per schematizzare:

Il contenuto di energia libera contenuta del legame P-O fra i gruppi fosfati è maggiore rispetto al contenuto energetico del legame H-O che si forma con l'idrolisi.

Essendo l'idrolisi dell'ATP una reazione reversibile, abbiamo che:
i gruppi fosfati carichi negativamente si respingono, per creare quindi ATP viene dunque "spesa" energia per avvicinare i gruppi e formare un legame covalente.

Di conseguenza abbiamo che l'energia viene immagazzinata nei legami e liberata durante l'idrolisi, dando così la possibilità di dare inizio ad un ciclo.

La fosforilazione

Per sfruttare l'energia prodotta, l'idrolisi dell'ATP è quasi sempre accoppiata al meccanismo della fosforilazione.

Il gruppo fosfato inorganico che si stacca dall'ATP viene trasferito a un substrato, ovvero un'altra molecola, al quale si lega mediante legame covalente.

Ciò permette al substrato di compiere un lavoro; tramite il lavoro la molecola perde il gruppo fosfato, che potrà essere utilizzato o unito all'ADP per riformare l'ATP.

La fosforilazione è una reazione endoergonica schematizzabile così:

I catalizzatori

Gli enzimi sono proteine con funzione di catalizzatori biologici che permettono o accelerano le reazioni. Le reazioni che liberano energia sono spesso spontanee, ma senza l'aiuto di catalizzatori avverrebbero troppo lentamente. Esiste una soglia energetica (ovvero una certa quantità di energia da superare) che va superata per poter innescare la reazione; la quantità di energia necessaria prende il nome di Energia di Attivazione.

I catalizzatori si dividono in due tipologie:

• non biologici: sono catalizzatori aspecifici, ovvero "funzionano" in più reazioni

• biologici: sono catalizzatori altamente specifici, ovvero "funzionano" in poche reazioni

Noi affrontiamo solo i catalizzatori biologici (al momento).

Catalizzatori Biologici

I catalizzatori biologici possono essere piccole molecole di RNA, complesse molecole proteiche, ribozimi ed enzimi. Questi ultimi sono i più comuni (e infatti sono gli unici di cui parleremo.

Enzimi

Solitamente riconoscono un solo tipo di reagente (che prende il nome di substrato), o comunque viene riconosciuto un ristretto gruppo di reagenti tra loro simili. I substrati si legano agli enzimi in un sito chiamato sito attivo. Gli enzimi si avvalgono di un sistema "Chiave serratura", in poche parole solo un determinato substrato può collocarsi nel relativo sito attivo.

In alcuni casi è necessaria la presenza di molecole non proteiche, quali:

• cofattori

• coenzimi

• gruppi prostetici

Le reazioni a cui partecipano enzimi sono influenzate da alcuni fattori:

• pH

• temperatura

La struttura della membrana biologica

Le membrane sono fondamentali per la cellula. Sono strutture altamente organizzate che consentono alla cellula di interagire con altre cellule regolando gli scambi di materia (quindi regolare l'ambiente). Le membrane sono semipermeabili e posseggono tutte la stessa organizzazione molecolare. Sono composte da fosfolipidi, lipidi, carboidrati e proteine disposti secondo il modello a mosaico fluido.

I fosfolipidi sono molecole costituite da una testa idrofila (polare) e due code idrofobiche (apolari), organizzate spontaneamente a formare un doppio strato:

• le teste idrofile sono a contatto con l'acqua

• le code idrofobiche si orientano verso l'interno (allontanandosi dall'acqua)

Le membrane biologiche hanno una struttura simile, ciò che cambia da membrana a membrana è solo la composizione lipidica. In alcune tipologie di membrane (specie in quelle animali) troviamo come lipide il colesterolo (che può comporre addirittura il 25% della membrana). Il colesterolo ha la capacità di conferire una maggior resistenza agli stimoli meccanici.

Le membrane devono mantenere il giusto grado di fluidità Per permettere alle molecole di scorrere), questa caratteristica è influenzata da due fattori:

• composizione lipidica: acidi grassi insaturi

• temperatura: più è bassa meno la membrana sarà fluida

Il trasporto

La diffusione è il movimento casuale e spontaneo delle particelle verso uno stato di equilibrio.

La diffusione è il movimento netto delle particelle secondo il proprio gradiente di concentrazione, cioè da una zone a concentrazione maggiore verso una zona a concentrazione minore.

La diffusione all’interno di una soluzione che contiene più soluti è indipendente per i singoli soluti. La velocità di diffusione dipende dai seguenti fattori:

• diametro

• temperatura

• carica elettrica

• gradiente di concentrazione

La diffusione è un metodo di diffusione utile all’interno della cellula perché questa ha dimensioni molto piccole, ma non sarebbe utile ad esempio per distribuire materiali da una parte all’altra del nostro corpo.

Il trasporto di diffusione può essere di due tipi:

• attivo: richiede un dispendio di energia proveniente dall’esterno (ATP)

• passivo: non prevede un dispendio di energia

Essendo le membrane biologiche delle membrane semipermeabili ci sono alcune sostanze che non riescono ad attraversarle, altre invece si proprio grazie a questi meccanismi di trasporto.

Il trasporto passivo

Il trasporto passivo può essere di due tipi:

• diffusione facilitata

• diffusione semplice

La diffusione semplice è il passaggio di piccole molecole idrofobiche o apolari (lipidi) attraverso il doppio strato fosfolipidico della membrana.

Al contrario sostanze polari (carboidrati e proteine) non riescono ad attraversare facilmente la membrana ma hanno bisogno di un aiuto e qui entra in gioco la diffusione facilitata, che permette a queste sostanze idrofile di attraversare la membrana grazie a dei canali proteici o a delle proteine di trasporto, questo perchè l’interno delle membrane biologiche è costituito da code che sono apolari ma anche perchè all’esterno una cellula è circondata da un ambiente acquoso ed essendo l’acqua una sostanza polare, proteine e carboidrati, tendono a formare dei legami.

Il trasporto attivo

Con il trasporto attivo intendiamo quel meccanismo di trasporto che prevede la diffusione delle sostanze contro gradiente di concentrazione, abbiamo quindi bisogno di energia per fare ciò, fornita dall’ATP.

Il trasporto attivo si divide in:

• uniporto: proteine di trasporto trasferiscono una sostanza in un’unica direzione (pompa calcio).

• simporto: due sostanze un’unica direzione (pompa del sodio).

• antiporto: due sostanze in due direzioni opposte (pompa sodio-potassio).

Se invece parliamo dell’attraversamento della membrana da parte di macromolecole non possiamo non parlare di due processi fondamentali:

• Endocitosi: un insieme di processi che introducono nella cellula molecole di grandi dimensioni. L’endocitosi si divide in tre tipi: fagocitosi, pinocitosi ed endocitosi mediata da recettori.

• Esocitosi: è il processo attraverso il quale i materiali confezionati in vescicole sono espulsi dalla cellula nel momento in cui la membrana della vescicola si fonde con quella della membrana plasmatica.