LA LOGICA DELLA VITA

La materia vivente è costituita da molecole, che costruiscono strutture ordinate partendo da materiali disordinati, tramite una spesa energetica

G = H - TS

Le reazioni dei processi metabolici sono catalizzate da enzimi, ad altissima resa e velocità e in modo stereospecifico.

L’informazione genetica contenuta nel DNA istruisce la cellula sul modo di mantenersi in vita e di riprodursi.

I COSTITUENTI DELLA MATERIA VIVENTE

20 AMMINOACIDI, i costituenti delle proteine

5 BASI NUCLEOTIDICHE, i costituenti degli acidi nucleici

< 10 MONOSACCARIDI, tra cui predominante il glucosio

DECINE DI ACIDI GRASSI, costituenti dei lipidi, fra cui i trigliceridi

Queste piccole molecole possono entrare a far parte di strutture polimeriche, dimolecole più grandi o di strutture cellulari più complesse

idrolisi dell’amido e dei trigliceridipH intorno a 6,6

scissione delle proteinepH tra 1 e 2

digestione di carboidrati, lipidi e proteinepH > 7

Per poter essere assorbiti, i nutrienti devono essere spezzati in frammentimolecolari piccoli e resi solubili in acqua.Le molecole così ottenute entrano nei cicli catabolici e vengono ossidate perprodurre energia, tramite la catena respiratoria.

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Le diverse vie metaboliche non sono indipendenti fra loro, ma collegate in modo dautilizzare in una i prodotti dell’altra, riciclando efficientemente i materiali.Molti processi avvengono in entrambe le direzioni, utilizzando enzimi comuni.

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LE REAZIONI BIOCHIMICHE

Le reazioni che avvengono in vivo devono essere spontanee (G < 0). Per lereazioni endoergoniche, questo significa che devono essere accoppiate areazioni esoergoniche in modo che il bilancio energetico totale sia G < 0.

Occorrono quindi degli scambiatori dienergia, molecole in grado di formarsi inreazioni esoergoniche ed essere utilizzati inquelle endoergoniche. Queste molecoleimmagazzinano l’energia dei processiesoergonici sotto forma di energiapotenziale chimica (legami ad altocontenuto energetico, relativamente pocostabili), la trasportano e la rilasciano quandoquesti legami si rompono.

Com’è noto, gli organismi autotrofi ricavano l’energia necessaria dalla lucesolare, mentre gli eterotrofi la ottengono dall’ossidazione degli alimenti:

sostanza organica (C,H,O) + O2 = CO2 + H2O.

ATPADENOSINTRIFOSFATO

è un NUCLEOTIDE, costituente degli acidi nucleiciè il più importante trasportatore di energia nelle celluleviene sintetizzato soprattutto nella fosforilazione ossidativa

4 cariche negative ravvicinate: larepulsione elettrostatica è forte. La perditadi un gruppo fosfato attenua le repulsionied è energeticamente favorevole.

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ADP

AMP

- PO43-

+ PO43-

- PO43-

+ PO43-

ATP

4 cariche negativerepulsione elettrostatical’idrolisi rilascia la tensionesi libera energia

30,5 kJ/mol(7,3 kcal/mol)

30,5 kJ/mol(7,3 kcal/mol)

14,2 kJ/mol(3,4 kcal/mol)

legami anidride

legame estere

NAD / NADHNICOTINAMIDEADENINA DINUCLEOTIDE

è un coenzima che serve per trasferireidrogeno in reazioni redox

(H+ + 2 e- = H-)

NADP

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FAD / FADH2

FLAVINAADENINADINUCLEOTIDE

Anche questo è un coenzimatrasportatore di elettroni

forma ossidataforma ridotta

+1

+3

0

+2

E°red (FAD/FADH2) = - 0,200 V

10

H -

ox, - 2H+ - 2e-

red, + 2H+ + 2e-

ox, - 2H+ - 2e-

red, + 2H+ + 2e-

il coenzima NAD prende parte alle reazioni diossidoriduzione dei composti organici trasferendoioni idruro.

E°red (NAD/NADH) = - 0,315 V

il coenzima FAD funziona allo stesso modo, ma conun potenziale di riduzione maggiore.

E°red (FAD/FADH2) = - 0,200 V

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Per recuperare efficientemente energia da processi spontanei, questivengono fatti avvenire in vari passaggi graduali e ordinati, formandoprogressivamente molecole di ATP.

Nel catabolismo, alcuni processi generano direttamente ATP tramitereazioni di fosforilazione. In molti altri casi si genera dapprima NADH oFADH2, e questi vengono poi ossidati da O2 nei mitocondri, rigenerandoNAD o FAD e producendo una grande quantità di ATP.

CATENA RESPIRATORIA: nella membrana interna del mitocondrio NADH eFADH2 vengono riossidati a NAD e FAD, cedendo idrogeni a O2 che sitrasforma in acqua. Questo avviene attraverso una catena di trasportatoriche fa avvenire il processo gradualmente per la massima efficienzaenergetica.

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA: È il processo che sintetizza l’ATP neimitocondri, utilizzando l’energia prodotta nella catena respiratoria.

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coenzima Q10

emecoenzima dei citocromi

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il gradiente di protoniattraverso la membranaviene annullato facendopassare gli H+ attraversoil complesso ATP sintetasiproducendo ATP.

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Nella catena respiratoria, grazie al potenziale elettrochimico che si sviluppa,si producono 2,5 molecole di ATP per ogni coenzima NADH + H+ riossidato e1,5 molecole di ATP per ogni FADH2

Gli enzimi, come tutti i catalizzatori, non possono far avvenire reazioni nonspontanee, ma solo accelerare reazioni spontanee.

Gli organismi autotrofi (piante) ricavano l’energia necessaria dal Sole, mentre quellieterotrofi (animali) la ricavano da reazioni di combustione, in cui il combustibile è ilcibo e il comburente l’ossigeno.

REAZIONE ESOERGONICA: demolizione del glucosio

6 O2 + C6H12O6 = 6CO2 + 6 H2O

REAZIONE ENDOERGONICA: fotosintesi clorofilliana

6 CO2 + 6 H2O = 6 O2 + C6H12O6

Le reazioni non spontanee vengono fatte avvenire accoppiate a reazioni spontanee,in modo che il valore complessivo di G sia negativo.

Le reazioni esoergoniche vengono fatte avvenire in modo controllato e graduale, perrecuperarne l’energia in forma utile.

acido piruvico

acetil-CoA

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IL CICLO DI KREBS

Isocitrato

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1

1acetil-CoA proveniente dai processi delcatabolismo entra nel ciclo

L’enzima citrato sintasi rappresenta il punto diregolazione del ciclo, perché è inibito dai prodotti(ATP, NADH, citrato) e quindi quando c’è giàdisponibilità di energia il ciclo è lento.

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eliminazione(disidratazione)

addizione(idratazione)

2

2 isomerizzazione del citrato

ossidazione e perdita di CO23

3Cis-aconitato

in questa tappa si producono:

1 molecola di CO2

1 NADH + H+

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4

H

CoASH

S-CoA

4 decarbossilazione ossidativa

in questa tappa si producono:

1 molecola di CO2

1 NADH + H+

e si forma un legame tioestere adalta energia

CoASH

il passaggio ossidativo è la conversione del chetone in tioestere

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fosforilazione della guanosina difosfato

S-CoA

+ CoASH

idrolisi

5

5 idrolisila rottura del legame tioestere adalta energia è sfruttata per ottenerela fosforilazione di GDP (unnucleotide). Il gruppo fosfato vienepoi successivamente trasferito daGTP ad ADP, e si forma ATP.

in questa tappa siproduce:

1 molecola di ATP

e si rompe un legametioestere ad alta energia

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6

6 deidrogenazione(ossidazione)

in questa tappa siproduce:

1 FADH2

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addizione a doppio legamenon redox

7

7 idratazione

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ridotto ossidato

8

8 ossidazione

in questa tappa si produce:

1 NADH + H+

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IL CICLO DI KREBS

E’ entrata una molecola di acetilCoA, che ha fattoentrare nel ciclo un gruppo CH3-CO- provenientedal catabolismo dei diversi nutrienti

Sono state prodotte 2 molecole di CO2 comeprodotto di ossidazione dei due atomi dicarbonio entrati nel ciclo come gruppo acetile

Sono state prodotte 3 molecole di NADH + H+ euna di FADH2 in forma ridotta, a spesedell’ossidazione del substrato.

E’ stata fosforilata una molecola di GDPimmagazzinando energia sotto forma di GTP.

La riossidazione di ciascuna molecola di NADH+ H+ fornisce energia sufficiente per la sintesidi circa 2,5 molecole di ATP, la riossidazionedel FADH2 a circa 1,5, quindi in totale:

3 NADH + H+ 7,5 ATPFADH2 1,5 ATPGTP 1 ATPtotale 10 ATP