GLICOLISI FERMENTAZIONI RESPIRAZIONE …...chimici (Eterotrofi – Respirazione cellulare) . Si può...

Prof. Filippo Quitadamo 1

LA BIOENERGETICA

� GLICOLISI

� FERMENTAZIONI

� RESPIRAZIONE CELLULARE

� FOTOSINTESI CLOROFILLIANA


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 nucleare� Energia radiante

�Energia elettrica�Energia meccanica


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.


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


� Una cellula trae la materia di cui necessitadalle sostanze nutritive fornite dall’ambienteesterno (acqua, Sali minerali, lipidi, glucidi,proteine).

� Per quanto riguarda l’energia, l’unicautilizzabile dalla cellula è l’energia chimica,immagazzinata come energia di legame neilipidi, glucidi, proteine.


Gli esseri viventi utilizzano due forme di energia:

� L’energia luminosa emessa dal SOLE(Autotrofi - Fotosintesi)

� L’energia chimica contenuta nei compostichimici (Eterotrofi – Respirazione cellulare) .

�Si può affermare che alla base della vita visia la seguente reazione:

6 CO2 + 6 H2O C6 H12O6 + 6 O2

Letta da sinistra a destra = fotosintesiLetta da destra a sinistra = respirazione.


� Quindi, è il Sole la fonte primaria dell’energiabiologica utilizzata dai viventi.

� L’energia luminosa viene trasformata inenergia chimica, incamerata nei legami delglucosio, il principale combustibile dellecellule .

� L’energia chimica può essere considerata unaforma di energia potenziale, racchiusa,immagazzinata nei legami chimici.


Metabolismo cellulare

� La totalità delle trasformazioni , delle reazionichimiche che avvengono in una cellula,costituisce il metabolismo cellulare.

� Esso comprende due tipi di reazioni:

1. ANABOLISMO, costruzione, sintesi2. CATABOLISMO, distruzione, demolizione.


Metabolismo energetico

� L’insieme delle reazioni che forniscono energiaalla cellula, mediante la demolizione deicarboidrati, dei lipidi………..

� Serve per:1. Sintesi biochimica2. Trasporto attivo (citomembrane)3. Lavoro meccanico (contrazione muscolare)4. Lavoro elettrico (impulsi).


Evoluzione del metabolismo cellulare

� Gli organismi ottengono l’energia da treprocessi chimici:

1. La fermentazione (prima tappa delmetabolismo cellulare)

2. La fotosintesi (circa 2.5 miliardi dianni fa, liberando ossigeno)

3. La respirazione, a seguito dellosviluppo di ossigeno ……….


La fermentazione

� E’ un processo energetico più primitivo, unprocesso anaerobico di scissione deiglucidi.

� Vi sono vari tipi di fermentazione:1. Butirrica2. Lattica3. Citrica4. Acetica5. Alcolica .


� Il complesso delle reazioni della fermentazioneanaerobica, fino alla formazione dell’acidopiruvico, è detto anche GLICOLISI .

� Le fermentazioni sono tipiche dei microrganismi:

LIEVITI

FUNGHI

BATTERI.

Ma avvengono anche nelle nostre cellulemuscolari.


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 dicarboni fossili , durante le ere geologiche.


A.T.P. = valuta energetica cellula


� E’ una molecola altamente energetica,l’accumulatore universale di energia.

� Il segreto delle sue proprietà e del suo ruolostanno 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.

A.T.P. = valuta energetica cellulare


IL RUOLO DELL’ATP

� Trasportare energia, prodotta neimitocondri, in tutta la cellula, là dove ènecessaria.

� La quantità di ATP prodotta è enorme:fino a 10.000.000 ATP al secondo .


UN AIUTO AL METABOLISMO: GLI ENZIMI

� GLI ENZIMI AGISCONO DA BIOCATALIZZATORIO LUBRIFICANTI DELLE REAZIONI CHIMICHE,RIDUCENDO L’ENERGIA DI ATTIVAZIONE EFACILITANDO L’AVVIO DELLA REAZIONE.

� IN PRATICA L’ENZIMA FAVORISCEL’INCONTRO DEI REAGENTI E LA FORMAZIONEDEI PRODOTTI.


ENZIMI


Proprietà e meccanismo d’azione degli enzimi

� Dal punto di vista biochimico gli enzimi sonoproteine globulari a struttura terziaria.

� Presentano sporgenze, fessure e depressioni.� Una di queste depressioni si chiama “sito

attivo” in grado di conoscere il substrato sucui agire, grazie alla sua specificità.


Proprietà e meccanismo d’azione degli enzimi

� Al momento della reazione, l’enzima stabiliscecon il substrato (reagenti) dei legami deboli,per permettere ai reagenti la giustaorientazione e per farli svincolare con facilitàalla fine.

� Proprietà:

� sono proteine, abbassano l’energia diattivazione, agiscono a piccole dosi, non siconsumano


LA GLICOLISI = SCISSIONE DEL GLUCOSIO

� È UN PROCESSO DI DEMOLIZIONE DELGLUCOSIO TRAMITE UNA SERIE DI REAZIONICATALIZZATE DA ENZIMI SPECIFICI.

� È IL PERCORSO METABOLICO PIÙ ANTICO, CHENON RICHIEDE ORGANULI CELLULARI EAVVIENE NEL CITOSOL.

� È COMUNE A TUTTI I VIVENTI, PER CUIRAPPRESENTA UNA PROVA DELLA LOROORIGINE COMUNE DA UN UNICO ANTENATO.


LA GLICOLISI = SCISSIONE DEL GLUCOSIO

� ESSA È LA PRIMA FASE DELLA DEMOLIZIONEDEL GLUCOSIO, LA TAPPA PREPARATORIA ALLARESPIRAZIONE CELLULARE.

� HA UN RENDIMENTO ENERGETICO MOLTOMODESTO, MA PRESENTA IL VANTAGGIO DI NONRICHIEDERE LA PRESENZA DI OSSIGENO.


GLICOLISI


LA RESPIRAZIONE AEROBICA

� È IL PROCESSO ENERGETICO FONDAMENTALE DIQUASI 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.


LA RESPIRAZIONE ……

� La respirazione è una combustione controllata,una reazione esoergonica.

� Si svolge nei mitocondri e comprende iseguenti processi, distinti in due fasi (anaerobicaed aerobica):

1. Glicolisi o fase preparatoria

2. Acetilazione

3. Ciclo di krebs

4. Catena respiratoria.


La respirazione……….

� Rappresenta il meccanismo metabolico piùevoluto e vantaggioso, grazie ad un’alta resaenergetica:

� Può essere interpretata come unamineralizzazione del carbonio organico (glucosio)a carbonio inorganico (CO2).

�C6 H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP


acetilazione

� … o decarbossilazione dell’acido piruvico:l’acido piruvico proveniente dalla GLICOLISI,prima che inizi il ciclo di Krebs, nella matricemitocondriale subisce l’acetilazione, cioè vienedecarbossilato (liberazione di CO2) edeidrogenato (- H2), trasformandosi in acetilea 2C, che si lega al CoA formando l’acetil CoA.


CICLO DI KREBS O DELL’ACIDO CITRICO

� È il nucleo della respirazione cellulare eavviene nella matrice dei mitocondri.

� È un insieme di reazioni cicliche, durante lequali l’acido acetico viene degradato a CO2 eH2.

� Si producono 2ATP.� L’importanza del ciclo consiste nella

produzione di 2CO2 e nella liberazione di 4H2trasportati alla catena respiratoria per produrreATP.


CICLO DI KREBS

KREBS (1900-1981), BIOCHIMICO

TEDESCO, PREMIO NOBEL

NEL 1953.


CATENA RESPIRATORIA: creste mitocondri .

� Consiste nella produzione di 34 ATPattraverso un processo che si chiama“fosforilazione ossidativa” a partire da ADP edenergia.

� È una catena di trasporto elettroni formata dauna serie di proteine o citocromi, in cui adogni passaggio gli elettroni perdono un po’ dienergia per produrre ATP.

� Alla fine l’ultima proteina cede gli elettroniall’ossigeno, formando acqua e 34 ATP.


LA CATENA RESPIRATORIA


Bilancio respirazioneBilancio respirazione

� 2ATP glicolisi

� 2 ATP ciclo di Krebs

� 34 ATP catena respiratoria.

� Rendimento energetico del 40%,

massimo del 50 %.

� Totale 38 ATP.


Confronto con la glicolisi

� Respirazione

1. Migliore resa energetica

2. Catena respiratoria

3. Processo 19 volte più efficiente

4. Possibilità di usare anche lipidi, proteine…

� Glicolisi

1. Scarsa resa energetica

2. Manca catena..

3. ……..


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.


FOTOSINTESI


Vita e fotosintesi clorofilliana

� È il processo biochimico più importante,mediante il quale l’energia luminosa ètrasformata in energia chimica nelglucosio.

� La fotosintesi, quindi, è la base della vitasulla Terra, perché produce sostanzaorganica ed ossigeno, consumando CO2.


La clorofilla e i pigmenti clorofilliani

� La fotosintesi può essere letta come unaorganicazione del carbonio: il carbonioinorganico e povero di energia della CO2 vieneelevato a materiale organico e ricco di energiadel glucosio.

� La fotosintesi può avvenire solo in presenza diclorofilla e dei pigmenti accessori, cioè nellepiante autotrofe, sulle cui foglie presentano icloroplasti ricchi di clorofilla (parenchima apalizzata), l’agente della fotosintesi.


Struttura foglia


Gli agenti della fotosintesi

� I cloroplasti si muovono trascinati dalle correnticitoplasmatiche e nelle ore di luce intensa,orientano la loro superficie maggiore verso ilSole.

� I pigmenti clorofilliani sono localizzati neitilacoidi dove avviene la fase fotochimica

� Nello stroma o matrice mitocondriale(ricca di enzimi) avviene la fase enzimatica.

� Ma il pigmento fondamentale per lafotosintesi è la clorofilla.


cloroplasto


La clorofilla……….

� La clorofilla è una sostanza biochimicacomplessa, di colore verde, contenente duesubunità:

1. Una testa, porfirina, anello tetrapirrolicocontenente un atomo di Mg

2. Una coda, FITOLO a base di C e H, con ilruolo di orientare il pigmento verso il sole .

3. Esistono vari tipi di clorofilla: a; b; c; d.Sono di colore verde in quanto assorbono ilvioletto e il rosso e respingono il verde.


La clorofilla……….pigmenti

� Infatti, non tutti i colori manifestano lamedesima efficacia fotosintetica: il blu e ilrosso sono più efficienti, il verde non èutilizzato dalla clorofilla.

� La clorofilla a (verde bluastra) termina con ungruppo metile, mentre la clorofilla b ha unafunzione aldeidica.

� Carotenoidi, pigmenti antenna : insieme alleclorofille b, c, d hanno il compito di assorbireradiazioni e rendere più efficace la catturadella luce.


Fotosistemi

� Nei cloroplasti, clorofilla e pigmentiaccessori sono associati in complessi dettifotosistemi (I e II), che lavoranosinergicamente in serie.

� Il processo di trasferimento energetico adimbuto, da una molecola all’altra, fino alcentro reattivo (P700 e P680), si chiamarisonanza elettronica.


I FOTOSISTEMI

� La fotosintesi è una reazione redox, in cui l’acqua èil donatore di elettroni, si ossida, libera ossigeno, eil CO2 è l’accettore di elettroni, cioè la speciechimica che si riduce.

� Il pigmento fondamentale è la clorofilla a, ma cisono altri pigmenti accessori (clorofilla b,carotenoidi, xantofilla) che come antenneconvogliano l’energia catturata sulla clorofilla a.

� Quando la clorofilla a assorbe energia si eccita,sbalzando elettroni ad un livello superiore.


I FOTOSISTEMI

� Se la molecola eccitata fosse sola, l’energiaverrebbe riemessa come luce o calore.

� Ma nel cloroplasto i pigmenti sono raggruppatiin 2 gruppi o fotosistemi: fotosistema I che hacome centro di reazione la clorofilla P 700 e IIcon centro reattivo P680.

� I due fotosistemi operano in serie: quando ilP700 assorbe energia cede elettroni ad unacatena di trasportatori. Per continuare ilprocesso, il vuoto elettronico viene colmatograzie al fotosistema II.


I FOTOSISTEMI

� Gli elettroni necessari a riempire il vuotoelettronico creatosi nel fotosistema II derivanodalla fotolisi dell’acqua.

� L’acqua, quindi, funge da donatrice di elettroni.


FOTOSISTEMI


FOTOSISTEMA


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 ildestino di CO2.

3. L’equazione generale di SACHS (1863) è:6CO2 + 6H2O + energia C 6 H12 O6 + 6O2


Fase luminosa: destino di H2O

� È legata alla luce ed ha luogo nei tilacoidi, grazieai fotorecettori o pigmenti clorofilliani. Si hanno leseguenti reazioni:

1. Cattura energia solare usata per compiere duelavori 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).


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.


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.


Il rendimento della fotosintesi

� Il rendimento della fotosintesi è espresso dal rapporto:

Energia biochimica immagazzinataEnergia radiante assorbita.

� Esperienze di laboratorio lo fissano su valoridel 35-40%, rendimento molto elevato,considerate le ingenti dispersioni di energia.

� In natura il rendimento si aggira intorno all’1-2%.


Piante C3 e C4

� Non tutte le piante effettuano l’organicazione delCO2 legandolo al RDP per formare il PGA a 3C.

� Alcune piante (canna da zucchero, sorgo, mais)fissano il CO2 in un composto a 4C (acidoossalacetico ), che dopo viene scisso dandonuovamente CO 2 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…).


Le condizioni per la fotosintesi

1. Illuminazione

2. Temperatura: oltre i 32°C la fotosintesidiminuisce di velocità.

3. Contenuto di CO2. Se aumenta deve aumentareanche la temperatura

4. Acqua: una deficienza riduce la velocità delprocesso fotosintetico .


Confronto respirazione - fotosintesi

� FOTOSINTESI:1. Ha come reagenti CO2 e

H2O2. Come prodotti glucosio e

ossigeno3. È una reazione

endoergonica4. È una organicazione del C

� RESPIRAZIONE:1. Ha come reagenti

glucosio e ossigeno2. Come prodotti CO2 ed

H2O3. È una reazione

esoergonica4. È una mineralizzazione

del C.


Significato biologico fotosintesi

� Senza la fotosintesi non ci sarebbero piante eanimali.

� Essa è come un ponte tra il mondo inorganico eil mondo organico.

� Ha un grande significato biologico edecologico per la produzione di ossigeno ecarboidrati, nonché per il consumo di CO2.

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