L’ENERGIAL’ENERGIA

L’energia nei sistemi viventiL’energia è la capacità di compiere un lavoro.

L’energia può essere legata al movimento (cinetica) oppure alla posizione (potenziale).

L’energia chimica è una forma di energia potenziale.

L’energia nei sistemi viventiEnergia e lavoro si misurano in joule (J).

Il calore è una forma di energia che passa spontaneamente da un corpo più caldo a uno più freddo.

I principi della termodinamicaPrimo principio della termodinamica

L’energia può convertirsi da una forma all’altra, ma il contenuto totale di energia dell’universo si mantiene sempre costante.

Secondo principio della termodinamica

In qualunque trasformazione vi è sempre una parte di energia che si disperde sotto forma di calore.

Le reazioni chimiche

Tutte le trasformazioni della materia dove le sostanze iniziali (reagenti) diventano altre sostanze (prodotti) sono reazioni chimiche.

Il metabolismo cellulareIl metabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche che avvengono in una cellula e quindi in un organismo

Le reazioni chimiche comportano trasformazioni energetiche

• Se si libera energia, la reazione è esoergonica

• Se viene assorbita energia, la reazione è endoergonica

Il metabolismo cellulare Il metabolismo comprende• anabolismo = reazioni di costruzione (sintesi) di molecole• catabolismo = reazioni di demolizione di molecole

l'ATP, il trasportatore universale di energia

In tutti i viventi esiste una molecola, chiamata adenosin trifosfato (ATP) che ha il compito di assorbire l'energia prodotta dalle reazioni esorgoniche di demolizione e di renderla disponibile per i lavori cellulari.

base azotata adenina base azotata adenina

zucchero a cinque atomi di carbonio

zucchero a cinque atomi di carbonio

tre gruppi fosfato tre gruppi fosfato

I legami presenti tra questi gruppi fosfato racchiudono l'energia utilizzabile dalla cellula.

I legami presenti tra questi gruppi fosfato racchiudono l'energia utilizzabile dalla cellula.

L’ATP: una molecola “Ricaricabile”

L’ATP: una molecola “Ricaricabile”L’ATP immagazzina energia chimica nel legame fra due dei suoi gruppi fosfato: il processo è noto come fosforilazione a livello di substrato. In esso un enzima trasferisce all’ADP un gruppo fosfato proveniente da una molecola organica che funge da substrato.

ATP

adenina

Ribosio

PP

P

Quando il legame si rompe, con una reazione di idrolisi, l’energia chimica si rende disponibile per altri processi biologici.

Quando il legame si rompe, con una reazione di idrolisi, l’energia chimica si rende disponibile per altri processi biologici.

Legami ad alta energia

Legami ad alta energia

Energia

ADP

Rigenerazione dell’ ATP

L’ATP è la “moneta” di scambio energetica.

Continuamente, negli organismi, si realizzano queste due reazioni: 1. IDROLISI ATP --> ADP + P + Energia 2. SINTESI ADP + P + Energia ---> ATP La (1) è la reazione di liberazione di energia durante l'anabolismo, la (2) è quella che avviene durante la produzione di energia nella respirazione cellulare.

ATP viene continuamente consumato ma si rigenera per addizione di un P ad ADP.

L’ATP e le reazioni accoppiateLe reazioni del catabolismo e dell’anabolismo sono accoppiate a reazioni di sintesi e idrolisi dell’ATP.

L’energia liberata dalle reazioni di degradazione (catabolismo), viene utilizzata per “ricaricare” l’ATP. L’energia immagazzinata nell’ATP viene utilizzata per compiere la maggior parte del lavoro cellulare. Quindi l’ATP accoppia i processi cellulari che liberano energia con quelli che la richiedono.

In conclusione: L’ATP risulta coinvolto, direttamente o indirettamente, in quasi tutti i processi metabolici.

Gli enzimi

Gli organismi viventi utilizzano gli enzimi per controllare la velocità delle reazioni biologiche. La maggior parte degli enzimi è costituita da proteine globulari

Gli enzimi funzionano da catalizzatori, ossia abbassano l’energia di attivazione della reazione rendendola molto veloce

Gli enzimi

Ogni enzima ha un certo effetto sul suo substrato. In questo esempio l’enzima combina assieme due substrati, favorendo la reazione che porta alla formazione di tre prodotti.

Gli enzimi: classificazione

Gli enzimi si classificano in base al tipo di azione che svolgono.Alcuni enzimi sono proteine globulari; alcuni oltre alla parte proteica (apoenzima) contengono molecole e/o ioni di natura diversa (i cofattori, o coenzimi se sono organici, ad es. le vitamine). Un cofattore legato stabilmente all’apoenzima è un gruppo prostetico.

Gli enzimi: meccanismo di azione

Un enzima è in grado di catalizzare una reazione in maniera specifica poiché il sito attivo è complementare ai reagenti

Gli enzimi: meccanismo di azione

Modello dell’adattamento indotto: la struttura dell’enzima si adatta a quella del substrato.

Modello chiave-serratura: il substrato si lega al sito attivo come la chiave in una serratura.

Gli enzimi: meccanismo di azione

La velocità delle reazioni catalizzate da enzimi è influenzata da fattori quali:• concentrazione dell’enzima• concentrazione del substrato• temperatura

Il controllo dell’attività enzimatica

Gli inibitori possono essere: competitivi (A) o non competitivi (B).

Gli enzimi allosterici cambiano forma quando si legano a particolari sostanze, per esempio inibitori o attivatori.

L’inibitore non competitivo si lega all’enzima tramite il cosiddetto sito allosterico

L’inibitore competitivo si lega al sito attivo dell’enzima verso cui ha una affinità superiore a quella del substrato

Il controllo dell’attività enzimatica

Gli enzimi allosterici formati da più subunità possono manifestare cooperatività positiva

Un tipo di reazione chimica: l’ossidoriduzione

Una reazione di ossidoriduzione (o reazione redox) è una reazione in cui una sostanza cede uno o più elettroni a un’altra sostanza:

la riduzione è l’acquisto di uno o più elettroni da parte di un atomo, uno ione o una molecola

l’ossidazione è la perdita di uno o più elettroni

Un tipo di reazione chimica: l’ossidoriduzione

Nelle reazioni biochimiche spesso sono acquistati o ceduti atomi di idrogeno: lo spostamento di un atomo di idrogeno comporta sempre un trasferimento di elettroni: H = H+ + e-

Una molecola che perde atomi di idrogeno si ossida, mentre una molecola che li acquista si riduce

Ogni reazione redox comporta un trasferimento di energia

Un tipo di reazione chimica: l’ossidoriduzione

Nelle cellule le reazioni redox sono generalmente accompagnate da coenzimi che funzionano da trasportatori di elettroni e di atomi di idrogeno

In conclusione le reazioni redox sono reazioni accoppiate

I trasportatori di elettroni

I trasportatori di elettroni sono: • NAD+

• FAD• NADP+

I trasportatori di elettroniI trasportatori partecipano alle ossidoriduzioni trasferendo 2 elettroni alla volta

Le vie metabolicheLe reazioni cellulari sono organizzate in vie metaboliche, sequenze dove il prodotto di una reazione è il reagente di quella successiva.

Le vie metaboliche possono essere

• lineari

• cicliche

Le vie metaboliche

Il metabolismo cellulare è un sistema complesso di vie metaboliche.Le sostanze comuni a più vie sono dette intermedi chiave.

FINE