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SCUOLA SCIENZA E TECNICA Anno 2011/2012 LABORATORIO ERBORISTICO NATURALISTICO Fisiologia Umana Scuola d’Arte e dei Mestieri Corso Base ENERGIA E METABOLISMO ENERGIA ENERGIA Capacità di compiere un lavoro • Diverse forme di energia ENERGIA • Due stati I. Energia cinetica (di movimento): utilizzata attivamente per svolgere un lavoro (spingere un mattone) II. Energia potenziale (immagazzinata): non compie un lavoro attivo ma ha la possibilità di farlo (masso immobile su una collina ha la possibilità di rotolare sino a valle) ENERGIA Poiché l’energia può esistere in molte forme vi sono molti modi per misurarla. Il modo più comune: calore, tutte le altre forme di energia possono essere convertite in calore ENERGIA L’unità della misurazione del calore è la chilocaloria (Kcal). Una caloria è il calore richiesto per aumentare la temperatura dell’acqua di 1°C ENERGIA • Termodinamica: studio dell’energia • Due leggi che governano tutti i cambiamenti dell’energia che hanno luogo nell’universo ENERGIA Termodinamica • Prima legge della termodinamica: l’energia non può essere creata o distrutta, può solo andare incontro a conversioni da una forma ad un’altra Riguarda la quantità di energia L’energia può essere trasformata da potenziale a cinetica Poiché non può essere distrutta, la quantità totale dell’energia nell’universo rimane costante ENERGIA Termodinamica • Seconda legge della termodinamica: il disordine nell’universo è costantemente in aumento. L’energia viene convertita in forme meno organizzate Disordine è molto più probabile dell’ordine Entropia è la misura del disordine di un sistema La vita trasforma l’energia solare in altre forme di energia che fanno andare avanti i processi vitali; l’energia non è mai perduta ma, man mano che è usata, ENERGIA Termodinamica viene convertita ad “energia di calore”, una forma di energia che non è utile per produrre lavoro ENERGIA In una cellula la produzione di lavoro è affidata alla Energia Libera. L’energia libera è quell’energia, in un sistema, disponibile per fare lavoro Nella molecola di una cellula (dove di solito pressione e volume sono costanti) l’energia libera è uguale all’energia contenuta nei suoi legami chimici (entalpia – H) meno ENERGIA l’energia termica non disponibile a causa del disordine (entropia – S) G = H – TS Le reazioni chimiche possono produrre variazioni dell’energia libera in due modi 1. Cambiamento nell’energia di legame (H – rottura di legami chimici) 2. Promuovendo il movimento termico tra le molecole (aumentando S) ENERGIA Un atomo è costituito dal suo nucleo e da uno o più elettroni “orbitanti” che possiedono differente quantità di energia a seconda della loro distanza dal nucleo ENERGIA • Quando gli elettroni si spostano da un livello ad un altro (sotto la spinta della luce o altre forme di energia) c’è modificazione dell’energia contenuta nell’elettrone. Accumulo di energia (energia chimica potenziale) con il passaggio ad un livello più alto Cessione di energia al ritorno allo stato originario ENERGIA • Quando gli elettroni passano da un atomo (o da una molecola) ad un altro c’è lo stesso trasferimento di energia: reazione di ossidoriduzione • Ossidazione: perdita di un elettrone • Riduzione: acquisto di un elettrone • Avvengono sempre insieme: ogni elettrone perduto da un atomo è acquistato da un altro ENERGIA • Importanti per capire il flusso di energia tra i sistemi biologici (respirazione cellulare) ENERGIA • Le reazioni chimiche per poter iniziare hanno bisogno di energia libera (spezzare legami chimici e crearne di nuovi): energia di attivazione • Le reazioni che necessitano di una quantità maggiore di energia di attivazione procedono più lentamente per cui: ENERGIA • Accelerare la reazione: catalizzatori • Catalisi: capacità di influenzare i legami chimici (disporli in maniera che si rompano più facilmente – in modo da abbassare l’en. di attivazione) ENERGIA • La velocità di una reazione dipende dall’energia di attivazione necessaria ad iniziarla. I catalizzatori riducono la quantità di energia di attivazione richiesta accelerando la velocità di reazione. ENERGIA Enzimi • Enzimi Proteine che abbassano l’energia di attivazione richiesta per formare nuovi legami Fanno procedere le reazioni più velocemente CO2 + H20 = H2CO3 ENERGIA Enzimi • Funzione Depressioni sulla superficie (siti attivi) Substrato (molecola sulla quale l’enzima agisce) Incastro perfetto I gruppi laterali degli aminoacidi di un enzima interagiscono con il substrato distorcendo particolari legami abbassando così l’energia di attivazione (sarà più facile e veloce romperli) ENERGIA Enzimi ENERGIA Enzimi • Fattori che influenzano l’attività enzimatica Temperatura: funzione ottimale tra 35°-40°. Al di fuori di questo range si hanno alterazioni della struttura tridimensionale dell’enzima che non riesce a legare il substrato pH: tra 6 e 8 (anche enzimi che funzionano a pH inferiori – pepsina) ENERGIA Enzimi Modificazione allosteriche: modificazioni di forma indotte da prodotti chimici della cellula che legandosi all’enzima (su siti specifici diversi da quelli per il substrato) ne possono bloccare l’attività (inibitori) o favorirla (attivatori) Coenzimi: ioni metallici o molecole organiche non proteiche che aiutano gli enzimi facilitando la loro attività (trasporto di elettroni e protoni). Il NAD+ (nicotinamide adenina dinucleotide) è il principale coenzima coinvolto nei processi chimici di produzione di energia. Sotto forma di NADH, dopo aver acquisito un elettrone ed un atomo di idrogeno (riduzione), diviene “portatore di energia” ENERGIA • La molecola più importante per gli scambi energetici è l’ATP • L’energia immagazzinata nei grassi, nell’amido, negli zuccheri circolanti nel sangue è convertita in ATP • Le cellule usano questa molecola per il trasporto di membrana, per potersi muovere, come energia di attivazione per reazioni chimiche, per crescere ENERGIA • Costituita da 3 subunità: I. Una molecola di zucchero a 5 atomi di C (ribosio) II. Adenina (N, C) III. Gruppo trifosfato (sequenza di tre gruppi fosfato uniti insieme) ENERGIA ATP • Rompendo i legami fosfato si ottiene un’energia molto elevata e hanno una bassa energia di attivazione (sono rotti facilmente) ENERGIA ATP • Una volta rotto il legame con un gruppo fosfato, l’ATP si trasforma in ADP con rilascio di elevata energia ENERGIA ATP • Usando il fosforo e l’energia dei grassi e degli amidi immagazzinati, ADP e fosfati sono riuniti a ricreare ATP METABOLISMO • Il metabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche e fisiche che avvengono in un organismo Piante verdi: fotosintesi – converte atomi di C presi dall’atmosfera (CO2) e l’energia luminosa del sole in composti organici con rilascio di O2 METABOLISMO Respirazione: i composto organici di C e O2 vengono trasformati in CO2 ed energia chimica (ATP) IL VOCABOLARIO DEL METABOLISMO Caloria: quantità di calore necessaria per aumentare di 1°C 1 grammo di acqua Catalisi: accelera la velocità di una reazione abbassando l’energia di attivazione necessaria. Coenzima: donatore o accettore di elettroni, molecola non proteica Energia di attivazione: energia necessaria per iniziare una reazione – modifica legami Entropia: una misura di quanta energia è andata dispersa (calore) e che non è più disponibile per lavoro Enzima: proteina in grado di abbassare l’energia di attivazione di una reazione Energia libera: energia disponibile per compiere un lavoro Kilocalorie: 1000 calorie Metabolismo: insieme di processi che si svolgono all’interno di una cellula o di un organismo IL VOCABOLARIO DEL METABOLISMO Ossidazione: perdita di un elettrone da parte di un atomo o di una molecola. Avviene simultaneamente alla riduzione Riduzione: acquisto di un elettrone da parte di un atomo o di una molecola Respirazione cellulare: ossidazione di una molecola di cibo per ottenere energia Substrato: molecola sulla quale agisce un enzima RESPIRAZIONE CELLULARE • La vita è resa possibile dall’energia • Tutte le attività svolte da un organismo comportano uso di energia RESPIRAZIONE CELLULARE • Piante, alghe, alcuni batteri prendono l’energia solare e la trasformano in energia chimica (fotosintesi) RESPIRAZIONE CELLULARE • Mentre il 95% degli organismi (animali, funghi, altri batteri…) prendono energia dalle molecole organiche RESPIRAZIONE CELLULARE • Energia necessaria per molte funzioni metaboliche è fornita dall’ATP (dalla rottura dei suoi legami) RESPIRAZIONE CELLULARE RESPIRAZIONE CELLULARE • Cioccolato Zuccheri Lipidi Proteine Altre molecole RESPIRAZIONE CELLULARE • Queste molecole complesse saranno degradate a molecole più semplici: Disaccaridi tagliati in glucosio Proteine in aminoacidi Lipidi in parti più piccole • Produzione di energia incanalata in molecole diverse (glucosio) con poca produzione di energia utilizzabile (accumulo energetico) RESPIRAZIONE CELLULARE • Es. Cioccolato costituito solo da glucosio • Necessario estrarre energia dal glucosio stesso. RESPIRAZIONE CELLULARE • Due tappe: 1. Glicolisi: reazione base che genera piccola quantità di energia tramite la modificazione dei legami del glucosio 2. Ciclo dell’Acido Citrico (ciclo di Krebs): genera molta più ATP (36 molecole) RESPIRAZIONE CELLULARE Glicolisi • Glicolisi: 10 reazioni in 4 tappe - Glucosio a 6 atomi di Carbonio convertito in 2 molecole di Piruvato a 3 atomi di Carbonio ciascuno con produzione di 2 molecole di ATP RESPIRAZIONE CELLULARE Glicolisi I. Tappa: Mobilizzazione del Glucosio Trasformato in un complesso che può facilmente essere tagliato in 2 molecole a 3 atomi di Carbonio ciascuna RESPIRAZIONE CELLULARE Glicolisi II. Tappa: Rottura Taglio della molecola di Glucosio (6 atomi di Carbonio) in 2 molecole di Gliceraldeide Trifosfato (3P) RESPIRAZIONE CELLULARE Glicolisi III Tappa: Ossidazione (sottrazione di elettroni – di solito ad un elettrone si associa un protone per cui si sottrae un atomo di H – protone+elettrone=1 molecola di H) Dalle 2 molecole di G3P vengono rimossi 2 elettroni (1 per ogni G3P) 2 elettroni rimossi sono donati ad un coenzima (NAD+ trasformato in NADH) RESPIRAZIONE CELLULARE Glicolisi IV Tappa: Generazione di ATP Trasformazione della G3P in un’altra molecola sempre a 3 atomi di C: Piruvato Questa trasformazione genera 2 molecole grazie alla rottura di legami chimici con conseguente trasferimento di fosforo a due molecole di ADP RESPIRAZIONE CELLULARE Problema: Le riserve di NAD+ (che accetta gli atomi di H del G3P) non sono molte. La glicolisi per poter continuare deve poter riciclare il NADH (da ritrasformare in NAD+) • Trovare delle vie alternative per poter utilizzare gli atomi di H RESPIRAZIONE CELLULARE Glicolisi RESPIRAZIONE CELLULARE • Respirazione Ossidativa: Ossigeno gassoso può prendere H del G3P con produzione di Acqua – Metabolismo Aerobico • Fermentazione: Quando l’Ossigeno non è disponibile: utilizza un’altra molecola per accettare H – Metabolismo Anaerobico RESPIRAZIONE CELLULARE • Respirazione Ossidativa: mitocondri in 2 tappe Ossidazione del Piruvato per produrre una nuova molecola: Acetil Coenzima A (acetil-CoA) Ossidazione acetil-CoA per produrre ATP RESPIRAZIONE CELLULARE Ossidazione del Piruvato • Ossidazione del Piruvato: Piruvato è una molecola a 3 atomi di C 1 atomo di C è staccato dal Piruvato con formazione di CO2 Rimane un frammento con 2 atomi di C (Gruppo acetilico) Ai 2 atomi di C rimanenti (gruppo acetilico) viene legata una molecola trasportatrice: Coenzima A con la formazione di: Acetil-Coenzima A (Acetil-CoA): 2 destini I. Utilizzato per immagazzinare energia (es. sintesi di lipidi) II. Ossidato per produrre ATP RESPIRAZIONE CELLULARE Ossidazione Acetil-CoA • Ossidazione Acetil-CoA (Ciclo dell’Acido Citrico): 9 reazioni in 2 tappe I. Tappa: Acetil-CoA a 2 atomi C è unito ad 1 molecola a 4 atomi di C Forma una molecola a 6 atomi di C: Acido Citrico Acido citrico subisce un rimodellamento: viene spostata una molecola di acqua da un C ad un altro Formazione di Acido Isocitrico RESPIRAZIONE CELLULARE II. Tappa: Acido Isocitrico cede elettroni (ossidazione con NAD+ a NADH) e vengono tolti due atomi di C (eliminati sotto forma di due molecole di CO2) Quel che rimane dopo questi processi è unito ad una molecola di CoA per formare un nuovo composto: Succinil-CoA Il legame viene tagliato, si libera un gruppo fosfato che viene legato ad una molecola di GDP (GDP + gruppo fosfato: GTP che viene convertito in ATP) RESPIRAZIONE CELLULARE Dal taglio del succinil-CoA rimane un frammento: Acido Succinico che viene ossidato (gli elettroni passano non al NAD+ ma ad una altro composto – FAD+) Dopo l’ossidazione, il composto rimanente viene legato ad una molecola d’acqua, riossidato fino a formare Acido Ossalacetico e 2 elettroni che vanno al NAD+ Acido ossalacetico lega il CoA e ri-inizia il ciclo RESPIRAZIONE CELLULARE RESPIRAZIONE CELLULARE • Ossidazione cellulare delle Proteine RESPIRAZIONE CELLULARE Rottura delle proteina in aminoacidi (forma più semplice) Aminoacidi sono costituiti da: uno o più gruppi amminici NH2 e uno o più gruppi carbossilici -COOH Il gruppo aminico è rimosso La catena carboniosa che rimane è trasformata in una sostanza che entra nel ciclo acido citrico (alanina in piruvato, aspartato in ossalacetato) RESPIRAZIONE CELLULARE • Ossidazione cellulare dei Lipidi RESPIRAZIONE CELLULARE Scissione dei Lipidi in Acidi grassi e Glicerolo Nei mitocondri gli Acidi Grassi vengono ossidati e vengono staccati due atomi di C : si ottengono dei gruppi acetilici Gruppi Acetilici vengono legati al CoA formando Acetil-CoA Passaggio nel ciclo dell’acido citrico Energia prodotta in elevata quantità dalle reazioni che trasformano gli Ac. Grassi in in gruppi acetilici e dal ciclo di Krebs
