La bioenergetica

LA BIOENERGETICA
GLICOLISI
FERMENTAZIONI
RESPIRAZIONE CELLULARE
FOTOSINTESI CLOROFILLIANA
Prof. Filippo Quitadamo
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Introduzione
La bioenergetica studia gli scambi di
energia negli organismi
L’energia, insieme alla massa, rappresenta
una proprietà fondamentale dell’Universo
L’energia si presenta in varie forme:
Energia termica o calore (forma degradata,
secondaria, meno pregiata);
Energia chimica
Energia elettrica
Energia nucleare
Energia meccanica
Energia radiante
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Flusso di energia
In tutte le trasformazioni una porzione di
energia si converte sempre in calore in modo
irreversibile e non può essere utilizzato;
Perciò, mentre la materia può essere riciclata,
così non è per l’energia, per la quale non si
può parlare di ciclo, ma di FLUSSO.
Pertanto, gli organismi sono sistemi aperti,
perché hanno bisogno di un continuo
rifornimento di energia dal Sole o dagli
alimenti.
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La cellula e l’energia
La cellula essendo un sistema ordinato e
complesso, necessita di un continuo apporto di
energia e materia per mantenere la propria
organizzazione interna, il proprio ordine ed
assolvere le sue funzioni:
Crescita, sviluppo, moltiplicazione
Sintesi biopolimeri
Contrazione muscolare
Riparazioni danni e sostituire parti logore
Eliminare i prodotti di rifiuto
Mantenere costante la composizione interna
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Una cellula trae la materia di cui necessita
dalle sostanze nutritive fornite dall’ambiente
esterno (acqua, Sali minerali, lipidi, glucidi,
proteine).
Per quanto riguarda l’energia, l’unica
utilizzabile dalla cellula è l’energia chimica,
immagazzinata come energia di legame nei
lipidi, glucidi, proteine.
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Gli esseri viventi utilizzano due forme di
energia:
L’energia luminosa emessa dal SOLE
(Autotrofi - Fotosintesi)
L’energia chimica contenuta nei composti
chimici (Eterotrofi – Respirazione cellulare).
Si può affermare che alla base della vita vi
sia la seguente reazione:
6 CO2 + 6 H2O
C6 H12O6 + 6 O2
Letta da sinistra a destra = fotosintesi
Letta da destra a sinistra = respirazione.
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Quindi, è il Sole la fonte primaria dell’energia
biologica utilizzata dai viventi.
L’energia luminosa viene trasformata in
energia chimica, incamerata nei legami del
glucosio, il principale combustibile delle
cellule.
L’energia chimica può essere considerata una
forma di energia potenziale, racchiusa,
immagazzinata nei legami chimici.
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Metabolismo cellulare
La totalità delle trasformazioni, delle reazioni
chimiche che avvengono in una cellula,
costituisce il metabolismo cellulare.
Esso comprende due tipi di reazioni:
1. ANABOLISMO, costruzione, sintesi
2. CATABOLISMO, distruzione, demolizione.
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Metabolismo energetico
1.
2.
3.
4.
L’insieme delle reazioni che forniscono energia
alla cellula, mediante la demolizione dei
carboidrati, dei lipidi………..
Serve per:
Sintesi biochimica
Trasporto attivo (citomembrane)
Lavoro meccanico (contrazione muscolare)
Lavoro elettrico (impulsi).
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Evoluzione del metabolismo
cellulare
1.
2.
3.
Gli organismi ottengono l’energia da tre
processi chimici:
La fermentazione (prima tappa del
metabolismo cellulare)
La fotosintesi (circa 2.5 miliardi di
anni fa, liberando ossigeno)
La respirazione, a seguito dello
sviluppo di ossigeno……….
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La fermentazione
1.
2.
3.
4.
5.
E’ un processo energetico più primitivo, un
processo anaerobico di scissione dei
glucidi.
Vi sono vari tipi di fermentazione:
Butirrica
Lattica
Citrica
Acetica
Alcolica.
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Il complesso delle reazioni della fermentazione
anaerobica, fino alla formazione dell’acido
piruvico, è detto anche GLICOLISI.
Le fermentazioni sono tipiche dei
microrganismi:
LIEVITI
FUNGHI
BATTERI.
Ma avvengono anche nelle nostre cellule
muscolari.
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Importanza delle fermentazioni
Economica e industriale:
1. Prodotti
dell’industria
alimentare
(fermentazione lattica e alcolica)
2. Fermentazione dei detriti vegetali e animali
con formazione dei giacimenti di petrolio e di
carboni fossili, durante le ere geologiche.
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A.T.P. = valuta
energetica cellula
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A.T.P. = valuta energetica cellulare
E’ una molecola altamente energetica,
l’accumulatore universale di energia.
Il segreto delle sue proprietà e del suo ruolo
stanno nella sua struttura.
E’ un nucleotide chiamato adenosintrifosfato,
formato da tre parti:
Dalla base azotata ADENINA
Dal ribosio
Da tre gruppi fosfato legati in fila.
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IL RUOLO DELL’ATP
Trasportare energia, prodotta nei
mitocondri, in tutta la cellula, là dove è
necessaria.
La quantità di ATP prodotta è enorme:
fino a 10.000.000 ATP al secondo.
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UN AIUTO AL METABOLISMO:
GLI ENZIMI
GLI ENZIMI AGISCONO DA BIOCATALIZZATORI
O LUBRIFICANTI DELLE REAZIONI CHIMICHE,
RIDUCENDO L’ENERGIA DI ATTIVAZIONE E
FACILITANDO L’AVVIO DELLA REAZIONE.
IN
PRATICA
L’ENZIMA
FAVORISCE
L’INCONTRO DEI REAGENTI E LA FORMAZIONE
DEI PRODOTTI.
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ENZIMI
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Proprietà e meccanismo
d’azione degli enzimi
Dal punto di vista biochimico gli enzimi sono
proteine globulari a struttura terziaria.
Presentano sporgenze, fessure e depressioni.
Una di queste depressioni si chiama “sito
attivo” in grado di conoscere il substrato su
cui agire, grazie alla sua specificità.
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Proprietà e meccanismo
d’azione degli enzimi
Al momento della reazione, l’enzima stabilisce
con il substrato (reagenti) dei legami deboli,
per permettere ai reagenti la giusta
orientazione e per farli svincolare con facilità
alla fine.
Proprietà:
sono proteine, abbassano l’energia di
attivazione, agiscono a piccole dosi, non si
consumano
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LA GLICOLISI = SCISSIONE DEL GLUCOSIO
È UN PROCESSO DI DEMOLIZIONE DEL
GLUCOSIO TRAMITE UNA SERIE DI REAZIONI
CATALIZZATE DA ENZIMI SPECIFICI.
È IL PERCORSO METABOLICO PIÙ ANTICO, CHE
NON RICHIEDE ORGANULI CELLULARI E
AVVIENE NEL CITOSOL.
È COMUNE A TUTTI I VIVENTI, PER CUI
RAPPRESENTA UNA PROVA DELLA LORO
ORIGINE COMUNE DA UN UNICO ANTENATO.
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LA GLICOLISI = SCISSIONE DEL GLUCOSIO
ESSA È LA PRIMA FASE DELLA DEMOLIZIONE
DEL GLUCOSIO, LA TAPPA PREPARATORIA ALLA
RESPIRAZIONE CELLULARE.
HA UN RENDIMENTO ENERGETICO MOLTO
MODESTO, MA PRESENTA IL VANTAGGIO DI NON
RICHIEDERE LA PRESENZA DI OSSIGENO.
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GLICOLISI
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LA RESPIRAZIONE AEROBICA
È IL PROCESSO ENERGETICO FONDAMENTALE DI
QUASI TUTTE LE CELLULE.
ESSA COMPRENDE TRE MOMENTI:
1. RESPIRAZIONE ESTERNA: INTRODUZIONE ED
ESPULSIONE ARIA.
2. RESPIRAZIONE INTERNA:
PASSAGGIO ARIA ALLE
CELLULE
3. RESPIRAZIONE CELLULARE:
UTILIZZO
ARIA
DA
CELLULA.
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LA RESPIRAZIONE ……
1.
2.
3.
4.
La respirazione è una combustione controllata,
una reazione esoergonica.
Si svolge nei mitocondri e comprende i
seguenti processi, distinti in due fasi (anaerobica
ed aerobica):
Glicolisi o fase preparatoria
Acetilazione
Ciclo di krebs
Catena respiratoria.
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La respirazione……….
Rappresenta il meccanismo metabolico più
evoluto e vantaggioso, grazie ad un’alta resa
energetica:
Può
essere
interpretata
come
una
mineralizzazione del carbonio organico (glucosio)
a carbonio inorganico (CO2).
C6 H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP
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acetilazione
… o decarbossilazione dell’acido piruvico:
l’acido piruvico proveniente dalla GLICOLISI,
prima che inizi il ciclo di Krebs, nella matrice
mitocondriale subisce l’acetilazione, cioè viene
decarbossilato (liberazione di CO2) e
deidrogenato (- H2), trasformandosi in acetile
a 2C, che si lega al CoA formando l’acetil CoA.
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CICLO DI KREBS O DELL’ACIDO
CITRICO
È il nucleo della respirazione cellulare e
avviene nella matrice dei mitocondri.
È un insieme di reazioni cicliche, durante le
quali l’acido acetico viene degradato a CO2 e
H2.
Si producono 2ATP.
L’importanza del ciclo consiste nella
produzione di 2CO2 e nella liberazione di 4H2
trasportati alla catena respiratoria per produrre
ATP.
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CICLO DI KREBS
KREBS (1900-1981),
BIOCHIMICO
TEDESCO,
PREMIO NOBEL
NEL 1953.
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CATENA RESPIRATORIA: creste mitocondri.
Consiste nella produzione di 34 ATP
attraverso un processo che si chiama
“fosforilazione ossidativa” a partire da ADP ed
energia.
È una catena di trasporto elettroni formata da
una serie di proteine o citocromi, in cui ad
ogni passaggio gli elettroni perdono un po’ di
energia per produrre ATP.
Alla fine l’ultima proteina cede gli elettroni
all’ossigeno, formando acqua e 34 ATP.
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LA CATENA RESPIRATORIA
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Bilancio respirazione
2ATP glicolisi
2 ATP ciclo di Krebs
34 ATP catena respiratoria.
Rendimento energetico del 40%,
massimo del 50 %.
Totale 38 ATP.
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Confronto con la glicolisi
1.
2.
3.
4.
Respirazione
Migliore resa
energetica
Catena
respiratoria
Processo 19
volte più
efficiente
Possibilità di
usare anche
lipidi, proteine…
Glicolisi
1. Scarsa resa
energetica
2. Manca catena..
3. ……..
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Destino dei prodotti
CO2 ed H2O vengono eliminati con i reni e i
polmoni
L’ATP entra nel citoplasma per essere
utilizzato
Il calore serve per l’omeotermia.
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FOTOSINTESI
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Vita e fotosintesi clorofilliana
È il processo biochimico più importante,
mediante il quale l’energia luminosa è
trasformata in energia chimica nel
glucosio.
La fotosintesi, quindi, è la base della vita
sulla Terra, perché produce sostanza
organica ed ossigeno, consumando CO2.
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La clorofilla e i pigmenti clorofilliani
La fotosintesi può essere letta come una
organicazione del carbonio: il carbonio
inorganico e povero di energia della CO2 viene
elevato a materiale organico e ricco di energia
del glucosio.
La fotosintesi può avvenire solo in presenza di
clorofilla e dei pigmenti accessori, cioè nelle
piante autotrofe, sulle cui foglie presentano i
cloroplasti ricchi di clorofilla (parenchima a
palizzata),
l’agente
della
fotosintesi.
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Struttura foglia
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Gli agenti della fotosintesi
I cloroplasti si muovono trascinati dalle correnti
citoplasmatiche e nelle ore di luce intensa,
orientano la loro superficie maggiore verso il
Sole.
I pigmenti clorofilliani sono localizzati nei
tilacoidi dove avviene la fase fotochimica
Nello stroma o matrice mitocondriale
(ricca di enzimi) avviene la fase enzimatica.
Ma il pigmento fondamentale per la
fotosintesi è la clorofilla.
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cloroplasto
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La clorofilla……….
1.
2.
3.
La clorofilla è una sostanza biochimica
complessa, di colore verde, contenente due
subunità:
Una testa, porfirina, anello tetrapirrolico
contenente un atomo di Mg
Una coda, FITOLO a base di C e H, con il
ruolo di orientare il pigmento verso il sole.
Esistono vari tipi di clorofilla: a; b; c; d.
Sono di colore verde in quanto assorbono il
violetto e il rosso e respingono il verde.
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La clorofilla……….pigmenti
Infatti, non tutti i colori manifestano la
medesima efficacia fotosintetica: il blu e il
rosso sono più efficienti, il verde non è
utilizzato dalla clorofilla.
La clorofilla a (verde bluastra) termina con un
gruppo metile, mentre la clorofilla b ha una
funzione aldeidica.
Carotenoidi, pigmenti antenna: insieme alle
clorofille b, c, d hanno il compito di assorbire
radiazioni e rendere più efficace la cattura
della luce.
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Fotosistemi
Nei cloroplasti, clorofilla e pigmenti
accessori sono associati in complessi detti
fotosistemi (I e II), che lavorano
sinergicamente in serie.
Il processo di trasferimento energetico ad
imbuto, da una molecola all’altra, fino al
centro reattivo (P700 e P680), si chiama
risonanza elettronica.
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I FOTOSISTEMI
La fotosintesi è una reazione redox, in cui l’acqua è
il donatore di elettroni, si ossida, libera ossigeno, e
il CO2 è l’accettore di elettroni, cioè la specie
chimica che si riduce.
Il pigmento fondamentale è la clorofilla a, ma ci
sono altri pigmenti accessori (clorofilla b,
carotenoidi, xantofilla) che come antenne
convogliano l’energia catturata sulla clorofilla a.
Quando la clorofilla a assorbe energia si eccita,
sbalzando elettroni ad un livello superiore.
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I FOTOSISTEMI
Se la molecola eccitata fosse sola, l’energia
verrebbe riemessa come luce o calore.
Ma nel cloroplasto i pigmenti sono raggruppati
in 2 gruppi o fotosistemi: fotosistema I che ha
come centro di reazione la clorofilla P700 e II
con centro reattivo P680.
I due fotosistemi operano in serie: quando il
P700 assorbe energia cede elettroni ad una
catena di trasportatori. Per continuare il
processo, il vuoto elettronico viene colmato
grazie al fotosistema II.
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I FOTOSISTEMI
Gli elettroni necessari a riempire il vuoto
elettronico creatosi nel fotosistema II derivano
dalla fotolisi dell’acqua.
L’acqua, quindi, funge da donatrice di elettroni.
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FOTOSISTEMI
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FOTOSISTEMA
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Il meccanismo della fotosintesi
La fotosintesi si svolge in due tappe (1960 Calvin):
1. Fase luminosa o fotodipendente o fotochimica
nei grani, dove si compie il destino di H2O.
2. Fase oscura o fotoindipendente o enzimatica,
nello stroma ricco di enzimi, dove si compie il
destino di CO2.
3. L’equazione generale di SACHS (1863) è:
6CO2 + 6H2O + energia
C6 H12 O6 + 6O2
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Fase luminosa: destino di H2O
È legata alla luce ed ha luogo nei tilacoidi, grazie
ai fotorecettori o pigmenti clorofilliani. Si hanno le
seguenti reazioni:
1. Cattura energia solare usata per compiere due
lavori importanti:
2. La FOTOLISI dell’acqua;
3. La FOSFORILAZIONE con produzione di ATP da
ADP + P.
Nella fase luminosa entrano luce, acqua, ADP+P
ed escono ossigeno (si libera nell’aria), idrogeno,
ATP (entrano nella fase oscura).
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Fase oscura o di sintesi o chimica
Destino di CO2 .- Avvengono due tappe:
1. La PRODUZIONE di GAP;
2. La TRASFORMAZIONE di GAP in glucosio.
È la fase di sintesi del glucosio e consiste nella
riduzione della CO2 e nella sua organicazione.
Il processo di riduzione di CO2 a carboidrati viene
indicato come ciclo di CALVIN o del Carbonio:
Fissazione della CO2 cioè unione al RDP;
Una serie ciclica di reazioni fino al glucosio.
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Il segreto della fotosintesi
Nel 1930 van Niels svelò il segreto della
fotosintesi:
L’OSSIGENO NON SI SVILUPPA DALLA CO2,
bensì dalla FOTOLISI dell’acqua.
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Il rendimento della fotosintesi
Il rendimento della fotosintesi è espresso dal
rapporto:
Energia biochimica immagazzinata
Energia radiante assorbita.
Esperienze di laboratorio lo fissano su valori
del 35-40%, rendimento molto elevato,
considerate le ingenti dispersioni di energia.
In natura il rendimento si aggira intorno all’12%.
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Piante C3 e C4
Non tutte le piante effettuano l’organicazione del
CO2 legandolo al RDP per formare il PGA a 3C.
Alcune piante (canna da zucchero, sorgo, mais)
fissano il CO2 in un composto a 4C (acido
ossalacetico), che dopo viene scisso dando
nuovamente CO2 che entra nel ciclo di Calvin.
Queste piante sono indicate C4.
Tali piante sono più efficienti, effettuando la
fotosintesi anche in condizioni difficili (siccità,
scarsa luminosità…).
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Le condizioni per la fotosintesi
1. Illuminazione
2. Temperatura: oltre i
diminuisce di velocità.
32°C
la
fotosintesi
3. Contenuto di CO2. Se aumenta deve aumentare
anche la temperatura
4. Acqua: una deficienza riduce la velocità del
processo fotosintetico.
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Confronto respirazione - fotosintesi
1.
2.
3.
4.
FOTOSINTESI:
Ha come reagenti CO2 e
H2O
Come prodotti glucosio e
ossigeno
È una reazione
endoergonica
È una organicazione del C
1.
2.
3.
4.
RESPIRAZIONE:
Ha
come
reagenti
glucosio e ossigeno
Come prodotti CO2 ed
H2O
È
una
reazione
esoergonica
È una mineralizzazione
del C.
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Significato biologico fotosintesi
Senza la fotosintesi non ci sarebbero piante e
animali.
Essa è come un ponte tra il mondo inorganico e
il mondo organico.
Ha un grande significato biologico ed
ecologico per la produzione di ossigeno e
carboidrati, nonché per il consumo di CO2.
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