Biologia

Energia e metabolismi energetici
L’energia è la capacità di produrre lavoro
– Tutti gli organismi hanno bisogno di energia per vivere.
– L’energia è definita come la capacità di effettuare un lavoro
– L’energia cinetica è l’energia posseduta dai corpi in movimento.
– L’energia potenziale è l’energia immagazzinata (dovuta alla posizione del corpo)
e può essere trasformata in energia cinetica.
L’energia chimica (importante in biologia) è l’energia potenziale
immagazzinata nei legami chimici
Le reazioni chimiche immagazzinano o liberano energia
Energia assorbita
Reagenti
–
–
Quantità
di energia
assorbita
delle molecole
Energia potenziale
delle molecole
Prodotti
Energia potenziale
•Le reazioni endoergoniche assorbono energia e danno origine a prodotti ricchi in energia
potenziale (con un livello di energia chimica superiore a quella dei reagenti di partenza).
•Le reazioni esoergoniche liberano energia e danno origine a prodotti che contengono meno
energia potenziale dei reagenti.
Reagenti
Energia liberata
Quantità
di energia
liberata
Prodotti
Le cellule compiono migliaia di reazioni chimiche (esoergoniche ed endoergoniche):
L’insieme di queste reazioni costituisce il metabolismo cellulare.
L’accoppiamento energetico utilizza le reazioni esoergoniche per far avvenire le
reazioni endoergoniche.
Nella cellula l’ATP funge da molecola-navetta per il trasporto dell’energia chimica
– L’ATP fornisce l’energia necessaria per tutte le forme di lavoro cellulare.
– In una molecola di ATP l’energia risiede nei legami covalenti che uniscono i
gruppi fosfato.
ATP
Lavoro chimico
Lavoro meccanico
Lavoro di trasporto
Membrana della proteina
P +
Proteina
motrice
Soluto
P
Reagenti
P
P
P
Prodotto
Molecola formata
P
Proteina mobile
ADP+ P
Soluto trasportato
– L’ATP libera energia utile per
le reazioni endoergoniche
attraverso la fosforilazione
(trasferimento di un gruppo
fosfato)
•L’ATP accoppia reazioni endoergoniche a reazioni
esoergoniche
•l’ATP è una molecola rinnovabile, che viene
continuamente consumata e rigenerata dalle cellule.
ATP
Energia prodotta
dalle reazioni
Esoergoniche
Energia utile
per le reazioni
Endoergoniche
(respirazione cellulare)
Lavoro cellulare
ADP +
P
Affinchè una reazione chimica inizi, i reagenti devono assorbire una
quantità di energia chiamata energia di attivazione (EA).
Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche della cellula abbassando la
richiesta energetica
Reagenti
→ Prodotti
Enzima
Barriera EA
Reagenti
Contenitore 1
Prodotti
Contenitore 2
– Un enzima è una proteina che funziona come catalizzatore
biologico.
EA senza
enzima
EA con
enzima
Energia
Reagenti
Differenza
netta
di energia
Prodotti
Direzione della reazione
Ogni reazione cellulare è catalizzata da un enzima specifico
– Gli enzimi hanno strutture tridimensionali caratteristiche che lo
rendono adatto per uno specifico substrato
– l’enzima agisce in modo specifico e selettivo su un substrato,
legandolo nel suo sito attivo.
•L’ambiente cellulare influenza l’attività degli enzimi
– La temperatura, la concentrazione dei sali e il pH influenzano
l’attività enzimatica.
– alcuni enzimi richiedono molecole non proteiche chiamate cofattori.
– I cofattori possono essere sostanze inorganiche, come gli ioni
metallo, o molecole organiche (in questo caso si chiamano
coenzimi).
Gli inibitori bloccano l’azione degli enzimi
L’azione di un inibitore è irreversibile se si formano legami covalenti tra
inibitore ed enzima, è reversibile quando si formano solo legami deboli
(come il legame idrogeno).
Substrato
Sito attivo
Enzima
Legame normale del substrato
Inibitore
competitivo
Inibitore
non competitivo
Inibitore enzimatico
La respirazione cellulare è il processo con cui si recupera energia da
molecole organiche (es, zuccheri) per produrre ATP
C6H12O6
Glucosio
+
6
O2
Ossigeno
gassoso
6
CO2
+
Diossido
di carbonio
6
H2 O
Acqua
+
ATP
Energia
la respirazione cellulare è un processo aerobio
Le cellule ricavano energia mediante reazioni redox, cioè trasferendo
elettroni dalle molecole organiche all’ossigeno
–
–
Durante il loro trasferimento dai composti organici all’ossigeno gli elettroni
liberano energia potenziale.
Quando il glucosio è trasformato in diossido di carbonio, perde atomi di
idrogeno, che vengono acquistati dall’ossigeno molecolare, formando acqua.
Perdita d’atomi di
idrogeno
C6H12O6 +
Glucosio
6
O2
6 CO2
+
6 H2O + Energia
(ATP)
Acquisto di atomi di
idrogeno
la respirazione avviene per tappe discrete → processo controllato che
recupera energia ad ogni stadio
1. Glicolisi;
2. Ciclo di Krebs;
3. Fosforilazione ossidativa
Trasportatore di membrana
degli elettroni
Citoplasma
2 NADH
Mitocondrio
2 NADH
(o 2 FADH2)
6 NADH
2 NADH
GLICOLISI
1
molecola
di glucosio
2
molecole
di acido
piruvico
2 Acetil
CoA
+ 2 ATP
Dalla fosforilazione a
livello di substrato
CICLO DI
KREBS
+ 2 ATP
Dalla fosforilazione a
livello di substrato
Resa massima
per molecola di glucosio:
Circa
38 ATP
2 FADH2
FOSFORILAZIONE
OSSIDATIVA
(Catena di trasporto
e chemiosmosi)
+ circa 34 ATP
Dalla fosforilazione
ossidativa
Mitocondrio
•Doppia membrana
•Sistema creste®aumento superficie
•Matrice: enzimi ciclo Krebs, DNA cromosomale, ribosomi,
•Organello geneticamente semiautonomo
La glicolisi ricava energia chimica ossidando il glucosio in acido piruvico
2 NAD+
2 NADH
+
+2 H
Glucosio
2 ADP + 2
La glicolisi produce ATP
mediante fosforilazione a
livello del substrato: un
gruppo fosfato è trasferito da
una molecola organica
(substrato) ad una molecola
di ADP.
P
2
2 molecole
di acido
piruvico
ATP
Enzima
P
P
P Adenosina
ADP
ATP
P
Molecola organica
(substrato)
P
Prima di entrare nel ciclo di Krebs, l’acido piruvico viene modificato, liberando CO 2
e formando NADH e acetilcoenzima A (acetil-CoA).
NAD+
NADH
CoA
Acido
piruvico
Acetil CoA
Acetil CoA
CO2
CoA
+ H+
Coenzima A
CoA
CICLO DI KREBS
2 CO2
3 NAD+
FADH2
3 NADH
FAD
+
3 H+
ATP
ADP + P
Il ciclo di Krebs completa l’ossidazione
delle molecole organiche
• origina NADH e FADH2
• ossida il gruppo acetile a 2 CO2
• libera ATP
Catena di trasporto degli elettroni: stadio finale della respirazione cellulare
NADH e FADH2 cedono i propri elettroni agli enzimi della catena di trasporto e
infine all’ossigeno
L’energia liberata dalle reazioni redox è usata per trasportare attivamente ioni H+
nello spazio intermembrana dei mitocondri: il reflusso secondo gradiente dei protoni
attiva i complessi enzimatici per la sintesi di ATP.
H+
Spazio
intermembrana
Membrana
interna
mitocondriale
H
Flusso di
elettroni
FADH2
H+
H+
Trasportatore
di elettroni
NADH
Matrice
mitocondriale
+
H+
Complesso
. enzimatico
H+
H+
H+
H+
ATP
sintetasi
FAD
NAD+
H+
1 O2 + 2 H+
2
H+
H+
H2O
Catena di trasporto degli elettroni
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
ADP + P
H+
Chemiosmosi
ATP
La fermentazione permette di ricavare energia in assenza di ossigeno
– In condizioni anaerobiche, il muscolo opera la fermentazione lattica
2
NAD+
2
2
NADH
NADH
2
NAD+
GLICOLISI
2 ADP + 2
P
2
ATP
2 molecole
di acido lattico
2 molecole di
acido piruvico
Glucosio
- Nei lieviti avviene la fermentazione alcolica: il NADH è ossidato a NAD+ mentre
l’acido piruvico è ridotto a CO2 ed etanolo.
2
NAD+
2 NADH
2
NADH
2
NAD+
GLICOLISI
2 ADP + 2 P
Glucosio
2
2
ATP
2 molecole di
acido piruvico
CO2
liberate
2 molecole
di etanolo
Le cellule usano varie molecole organiche come fonte di energia
L’insieme delle reazioni che consentono di ricavare energia dagli alimenti
viene detto catabolismo
Alimento
Carboidrati
Grassi
Zuccheri
Proteine
Glicerolo Acidi grassi
Amminoacidi
Gruppi
amminici
Glucosio
G3P
Acido
piruvico
Acetil
CoA
GLICOLISI
ATP
CICLO DI
KREBS
FOSFORILAZIONE
OSSIDATIVA
(Catena di trasporto
e chemiosmosi)
Le cellule usano alcune molecole
alimentari e intermedi dalla glicolisi
e dal ciclo di Krebs come
materiali grezzi (sostanze di
partenza per la biosintesi di
molecole).
Questo processo di biosintesi
(anabolismo) consuma ATP.
ATP
CICLO DI
KREBS
SINTESI DEL GLUCOSIO
Acido
G3P
Glucosio
piruvico
Acetil
CoA
Gruppi
amminici
Amminoacidi
Proteine
Acidi grassi
Glicerolo
Grassi
Cellule, tessuti, organismi
Zuccheri
Carboidrati
Gli autotrofi svolgono il ruolo di produttori di sostanze alimentari
Piante, alghe e alcuni batteri sono fotoautotrofi (organismi autotrofi che
utilizzano la luce come fonte di energia per i propri processi vitali) e produttori
degli alimenti consumati da quasi tutti gli organismi viventi.
Nelle piante la fotosintesi avviene nei cloroplasti
•I cloroplasti contengono lo stroma (un liquido denso) e i tilacoidi (un complesso
sistema di sacchetti discoidali provvisti di membrane) allineati in pile detti grani.
La fotosintesi è un processo redox, come la respirazione cellulare
Nella fotosintesi l’H2O viene ossidata e la CO2 viene ridotta.
1.
Le reazioni luminose trasformano l’energia luminosa in energia chimica,
liberando ossigeno gassoso (O2).
2.
Il ciclo di Calvin assembla molecole di zucchero a partire da CO2
usando ATP e NADPH prodotti dalle reazioni luminose.
H2O
CO2
Cloroplasto
Luce
NADP+
ADP
+ P
CICLO
DI CALVIN
(nello stroma)
REAZIONI
LUMINOSE
(nei grani)
ATP
NADPH
O
Zucchero