L’ATTIVITA’

DELLA CELLULA

nutrizione

riproduzione

crescita

movimento

mantenimento delle strutture

comunicazione

eliminare i rifiuti

…per svolgere tutte queste attività, le cellule hanno bisogno di

ENERGIA

BIOENERGETICA

Ramo della biologia che si occupa

delle trasformazioni di energia

negli organismi viventi

ENERGIA La capacità di un corpo o di un sistema di

compiere lavoro

Si manifesta in diverse forme, trasformabili le

une nelle altre, e riconducibili a due tipi

principali

ENERGIA CINETICA ENERGIA POTENZIALE

Energia in azione,

associata al

movimento dei corpi

Energia inattiva che

un corpo accumula e

libera in un momento

opportuno

Le trasformazioni energetiche che avvengono negli organismi rispettano i due principi della

termodinamica.

I° principio: l’energia può essere trasformata

da una forma all’altra, ma non può essere né

creata e né distrutta.

II° principio: ogni trasformazione energetica è

accompagnata da una perdita di energia

sottoforma di calore.

Le funzioni vitali degli organismi sono basate su una

complessa serie di reazioni chimiche che si svolgono

nelle loro cellule.

SINTESI DECOMPOSIZIONE

SCAMBI DI ENERGIA

è un tipo di trasformazione che attraverso la riorganizzazione degli atomi e delle molecole delle sostanze che vi prendono parte, dette REAGENTI, danno origine a nuove sostanze di composizione differente, i PRODOTTI

REAZIONE CHIMICA

A + B C + D

CO + H2O CO2 + H2

reagenti prodotti

1

2

esempio

= sintesi

= decomposizione

1

2

...in riferimento agli scambi di energia

REAZIONI

ESOERGONICHE

REAZIONI

ENDOERGONICHE

I reagenti contengono più

energia dei prodotti

avvengono spontaneamente

l’energia in eccesso viene

liberata

I reagenti contengono

meno energia dei prodotti

non avvengono

spontaneamente avvengono solo se si

fornisce energia

dall’esterno

A + B C + D + ENERGIA A + B + ENERGIA C + D

REAZIONI REDOX

OSSIDAZIONE = perdita di un elettrone da parte di un composto che quindi viene ossidato. A volte l’e- si sposta assieme ad un protone, come facente parte di un atomo di idrogeno (H+) dunque il composto che si ossida perde un atomo di idrogeno con il suo e-. In queste reazioni si ha una diminuzione dell’energia chimica di legame.

RIDUZIONE = acquisto di un elettrone o di un atomo di idrogeno col suo e- da parte di un composto che dunque viene ridotto. In queste reazioni si ha un aumento dell’energia chimica di legame.

A

A

B

B

Composto B ossidato

(agente ossidante)

Composto B ridotto

Composto A ridotto

(agente riducente)

Composto A ossidato

B viene ridotto

acquistando

elettroni

A viene ossidato

perdendo

elettroni

Ossidazione e riduzione avvengono sempre assieme: se una molecola si ossida gli elettroni che perde vengono trasferiti ad un’altra molecola che si riduce. Tale reazione accoppiata viene definita OSSIDORIDUZIONE e il reagente che si riduce (acquista gli e-) prende il nome di ossidante, quello che si ossida (perde gli e-) prende il nome di riducente.

e-

e-

e-

e-

e-

Ossidante = elemento capace di attrarre a sé gli elettroni; quindi si riduce

Riducente = elemento che facilmente perde gli elettroni; quindi si ossida

es. Ossigeno

C + O2 CO2 (biossido di carbonio)

C + 2H2 CH4 (metano)

es. Idrogeno

Il carbonio che ha ceduto

gli e- si ossida

Il carbonio che ha acquistato

gli e- si riduce

Quando un elemento reagisce con l’ossigeno si ossida Quando un elemento reagisce con l’idrogeno si riduce

TAVOLA PERIODICA

IL METABOLISMO

L’insieme di tutte le reazioni chimiche che si svolgono negli organismi viventi

ANABOLISMO CATABOLISMO

Sintesi di nuove

sostanze

Consumo di

energia

Degradazione delle

sostanze assimilate

Liberazione di

energia

MACROMOLECOLE

MOLECOLE SEMPLICI

CO2 H2O NH3

glicogeno

proteine

lipidi

glucosio

aminoacidi

acidi grassi

AN

AB

OLIS

MO

ENERGIA

ENERGIA

ENERGIA

ENERGIA

CA

TA

BO

LIS

MO

CHI TRASPORTA L’ENERGIA?

Gli organismi sono capaci di trasferire energia solo se disponibile sottoforma di energia chimica La biomolecola che rappresenta il

mediatore energetico per eccellenza è l’ATP

Il trasporto dell’energia da parte dell’ATP alle molecole che devono

reagire avviene mediante il trasferimento di un residuo fosforico e

si dice FOSFORILAZIONE

ATP + H2O = ADP + Pi + energia

ade

P rib P P

ATP

legame ad alta energia

ade

rib

P

P P energia

H2O

ADP

+ H2O

Fotosintesi Respirazione cellulare

attività cellulari

ATP accumulatore di energia

FAD

riboflavina o

Coenzima

assiste reazioni

catalizzate da

enzimi

Trasportatore di

ioni H+ ed e-

durante le

reazioni di

ossidoriduzione

Forma

ridotta

Forma

ossidata

NAD

Nicotinammide Adenina

Dinucleotide.

La molecola è costituita da due

unità:

una nicotinammide-ribosio (in

alto della figura; la nicotinamide

è la vitamina PP)

una adenina-ribosio (in basso

della figura)

collegate da un ponte difosfato

(a sinistra).

NADP si differenzia da NAD soltanto per un ulteriore gruppo fosfato che

sostituisce un OH del ribosio

Coenzima

Trasportatore di

ioni H+ ed e-

ENZIMI Proteine che hanno un’importanza

fondamentale nella regolazione delle

reazioni chimiche metaboliche agendo

come CATALIZZATORI

aumentano la velocità

della reazione senza

prenderne parte

Ogni via metabolica è regolata da enzimi specifici che

possono essere attivati o inibiti determinando così la

velocità delle reazioni.

cioè senza alterarne

l’equilibrio, senza

entrare a far parte dei

prodotti della reazione

stessa e senza risultare

alterate al termine del

processo.

nella catalisi enzimatica i

reagenti sono chiamati

substrati

Gli enzimi sono molecole grandi ma l’attività catalitica è svolta solo da una

piccola parte : il sito attivo che ha una conformazione tale da consentire

l’acceso solo a determinate molecole SPECIFICITA’

MECCANISMO Quando è avvenuta la

reazione dei substrati i

prodotti non si adattano

più alla forma del sito attivo

e se ne allontanano

ENZIMI

SEMPLICI OLOENZIMI

COENZIMI

APOENZIMA COFATTORI

IONI METALLICI

solo proteina

gruppo prostetico parte proteica

enzimi composti

molecole organiche

Molte vitamine sono coenzimi o componenti di coenzimi (es.Vit. B2 è precursore

del FAD), esse agiscono come cofattori enzimatici risultando indispensabili per

l’innesco di molte reazioni metaboliche.

Parte chimica non amminoacidica

di una proteina che gioca un ruolo

cruciale nel suo funzionamento (es.

gruppo eme dell’emoglobina

contenente l’atomo di Fe che lega

l’O2).

Vengono distinti in 6 classi fondamentali a seconda del tipo di reazione chimica catalizzata

CLASSE FUNZIONE

Ossidoriduttasi Transferasi Idrolasi Liasi Isomerasi Ligasi

trasferimento di elettroni trasferimento di gruppi catalizzano le idrolisi rottura dei legami C-C; C-S; C-N isomerizzazione formazione dei legami covalenti come C-C; C-O; C-S

CLASSIFICAZIONE

VIE METABOLICHE

Sequenza di reazioni biochimiche controllate da enzimi e concatenate in modo tale che i prodotti di alcune

reazioni fungono da reagenti per altre

FOTOSINTESI

GLICOLISI

RESPIRAZIONE

glucosio

LA

FOTOSINTESI

Classificazione metabolica degli organismi

AUTOTROFI ETEROTROFI

Producono le proprie sostanze alimentari a partire da sostanze inorganiche semplici

Per il loro fabbisogno alimentare dipendono dai materiali organici sintetizzati dagli organismi autotrofi

CATENA ALIMENTARE

Gli anelli o “livelli” della catena alimentare

Energia

entrante Energia uscente

Piante Erbivori Carnivori

predatori di

erbivori

Carnivori

predatori di

erbivori e

carnivori

AUTOTROFI ETEROTROFI

LA FOTOSINTESI Processo metabolico attraverso il quale gli organismi autotrofi producono glucosio a partire da anidride carbonica ed acqua utilizzando come fonte di energia la luce solare

È il meccanismo fondamentale in grado di trasformare il carbonio inorganico, inutilizzabile dagli organismi eterotrofi in carbonio organico assimilabile.

La fotosintesi avviene all’interno dei CLOROPLASTI ed è costituita da due fasi distinte

Fase luminosa

Avviene nei tilacoidi: la luce solare viene assorbita dalla clorofilla e serve a rompere le molecole d’acqua e formare ATP e NADPH

Fase oscura

Gli enzimi presenti nello stroma utilizzano l’anidride carbonica e l’energia chimica contenuta nell’ATP e nel NADPH per produrre glucosio: Ciclo di CALVIN

(fissazione del carbonio)

1

2

FASE LUMINOSA

RISERVA ENERGETICA

(amido)

REAZIONE COMPLESSIVA

CO2 + H2O + hν GLUCOSIO + O2

RESPIRAZIONE CELLULARE

AUTOTROFI

+ acqua + CO2 O2 + glucosio

Riserva energetica

AMIDO

Componenti strutturali

CELLULOSA

ETEROTROFI glucosio

fotosintesi

digestione

cibo

RESPIRAZIONE CELLULARE

GLICOLISI

ATP

Riserva energetica

GLICOGENO Componenti strutturali

anabolismo

anabolismo

catabolismo

LA GLICOLISI Insieme delle reazioni che demoliscono una molecola di glucosio

(6C) fino a formare due molecole di acido piruvico (3C)

Comprende 9 tappe ciascuna catalizzata da un enzima specifico

Avviene nel citoplasma della cellula

Non richiede ossigeno (processo anaerobico) reazione molto

antica

Resa netta

1 glucosio - 2 ATP 2 ac. piruvico + 2 ATP + 2 (NADH + H+ )

- 2 ATP

+ 2 ATP

+ 2 ATP

+ 2 (NADH + H+ )

RESPIRAZIONE CELLULARE

Continuazione di ciò che la glicolisi aveva iniziato

Demolizione completa della molecola di ac. piruvico fino alla

formazione di acqua e anidride carbonica al fine di ottenere

altre molecole energetiche di ATP

Avviene nei mitocondri

Richiede la presenza di ossigeno

Comprende 3 fasi: 1. Ossidazione del piruvato (trasformazione dell’ac. piruvico in

acetil-CoA)

2. Ciclo di Krebs

3. Catena di trasporto degli elettroni

1. Trasformazione dell’ac. piruvico in Acetil – CoA

(ossidazione del piruvato)

Ciascuna delle due molecole di ac.piruvico (3C) viene ossidata ad acetile (2C) cui si

lega temporaneamente un CoA con formazione di Acetil coenzima A e liberazione di

1 molecola di CO2. Un NAD viene ridotto a NADH + H+

Ac. piruvico + NAD+ + CoA acetil CoA + NADH + H+ + CO2

Avviene nella matrice mitocondriale in presenza di O2

2. Ciclo di Krebs Avviene nella matrice mitocondriale

In presenza di O2

Il CoA si stacca dall’acetile

(2C) per legarsi all’ ac.

ossalacetico (4C)

e formare un composto a

6C: ’ac. citrico

che dà il nome al ciclo.

L’ac. citrico subisce una

serie di ox. fino ad

arrivare alla formazione di

2 molecole di CO2

e di nuovo una molecola di

ac. ossalacetico

che liberano l’energia

necessaria per la

produzione (riduzione) di

3NADH,1FADH2 e 1ATP.

La molecola di glucosio è

completamente ossidata e

l’ac. ossalacetico rientra

nel ciclo che si ripete

indefinitamente.

3. Catena di trasporto degli elettroni È formata da una serie di proteine integrali (citocromi) ordinate sulle membrane

interne dei mitocondri.

Gli elettroni e i protoni (ioni H+) liberati nelle varie reazioni del Ciclo di Krebs

vengono trasferiti da un trasportatore all’altro lungo la membrana mitocondriale fino

ad arrivare all’O2 col quale si combinano per formare H2O.

Man mano che gli elettroni passano attraverso i complessi proteici transmembrana i

protoni vengono pompati dalla matrice mitocondriale verso l’esterno contro

gradiente di concentrazione.

Il pompaggio dei protoni crea una differenza di carica tra l’interno che risulta

essere più negativo (basico) e l’esterno che invece è più positivo (acido).

Questo sbilanciamento di carica genera una forza protono-motrice che fa

diffondere i protoni all’interno della matrice passando attraverso un canale

protonico.

L’energia sviluppata da tale diffusione viene utilizzata per sintetizzare ATP

da ADP e Pi.

matrice mitocondriale

esterno

1. Gli e- dal NADH

entrano nella catena di

trasporto degli

elettroni e vengono

trasferiti da un

citocromo all’altro

4. Alla fine della catena respiratoria

elettroni e protoni arrivano all’O2

col quale si combinano per

formare H2O.

2. L’energia che si

libera

dall’ossidazione del

NADH serve a

trasferire tramite

trasporto attivo

contro gradiente di

concentrazione gli

ioni H+ all’esterno

3. Il flusso di ioni H+ all’esterno e lo

sbilanciamento di carica creatosi a causa del

pompaggio dei protoni vs l’esterno fornisce

l’energia per la sintesi di ATP che viene

accoppiata alla diffusione dei protoni

nuovamente all’interno attraverso un canale

protonico

Rendimento energetico complessivo della respirazione cellulare a partire da 1 molecola di glucosio è di 38 molecole di ATP

2 sono prodotte nella glicolisi 2 sono prodotte nel ciclo di Krebs 34 nel sistema di trasporto degli elettroni

Rendimento complessivo

Respirazione 1 glucosio + 6 O2 6 CO2 + 2 H2O + 38 ATP

La respiazione può essere considerata come l’inverso della fotosintesi

Fotosintesi 6 CO2 + 2 H2O + ATP 1 glucosio + 6 O2

r. esoergonica

r. endoergonica

1 FADH2 = 2 ATP

1 NADH = 3 ATP

glicolisi respirazione

Una parte delle 38 molecole di ATP prodotte dalla

scissione di una molecola di glucosio vengono

utilizzate dalle cellule per mantenere il ciclo stesso di

demolizione, ma la maggior parte di esse viene

utilizzata per tutte le reazioni necessarie alla cellula

per vivere.

La cellula si mantiene in uno stato di equilibrio

coordinando, a seconda dello stato in cui si trova, le

reazioni di demolizione delle sostanze nutritive fino ad

eliminazione dei rifiuti (catabolismo), con quelle di

costruzione di nuove molecole utili alle sue esigenze

(anabolismo).

L’insieme di queste due funzioni viene definito:

METABOLISMO CELLULARE

ORGANISMI AEROBI ORGANISMI ANAEROBI

UTILIZZAZIONE DI OSSIGENO

Capaci di usare

l’ossigeno per ossidare

completamente le

sostanze organiche

Incapaci di usare

l’ossigeno per ossidare

completamente le

sostanze organiche

Respirazione cellulare Glicolisi

Fermentazioni

La condizione anaerobica può essere …

OBBLIGATA Legata all’impossibilità di usare ossigeno e all’assenza degli enzimi necessari alla respirazione cellulare

FACOLTATIVA Entra in azione quando il livello di ossigeno nella cellula cala rispetto alle richieste metaboliche

Gli organismi anaerobi debbono degradare l’acido piruvico che si origina

dalla glicolisi usando un sistema diverso dalla respirazione cellulare:

la FERMENTAZIONE

LA FERMENTAZIONE

Complesso di reazioni anaerobiche nel corso delle quali 1. l’acido piruvico viene trasformato in sostanze caratteristiche.

ACIDO LATTICO ETANOLO

Fermentazione lattica Fermentazione alcolica

2. il NADH viene trasformato in NAD+ in modo da essere riutilizzato durante la glicolisi

Fermentazione lattica

Fermentazione alcolica

acido piruvico + 2 NADH acido lattico + 2 NAD+

Batteri del genere Lactobacillus utilizzati nell’industria casearia per

la produzione di yogurt

Muscoli dopo un prolungato sforzo crampi per

abbassamento del PH

acetaldeide + 2 NADH alcool etilico + 2 NAD+

acido piruvico acetaldeide + CO2

Lieviti del genere Saccharomyces presenti sulla buccia dell’uva e

utilizzati nella produzione del vino.

Fermentazione dell’orzo birra

Fermentazione degli zuccheri della farina pane

LATTATO O ALCOL

CATENA DI TRASPORTO

DEGLI ELETTRONI

GLUCOSIO GLUCOSIO

O2 assente O2 presente

CICLO

DELL’ACIDO

CITRICO

OSSIDAZIONE DEL PIRUVATO

PIRUVATO

Glicolisi

e respirazione

cellulare

Glicolisi

e fermentazione

FERMENTAZIONE

PIRUVATO

glicolisi

fermentazioni

respirazione

proteine

lipidi

Anche il metabolismo dei

lipidi e delle proteine

comporta la formazione

di sostanze che possono

essere utilizzate nel

Ciclo di Krebs che può

essere definito il punto

di incontro dei vari

metabolismi di glucidi,

lipidi e proteine.

Catabolismo cellulare La demolizione enzimatica delle molecole complesse avviene in 3 fasi:

FASE1: durante la digestione le grandi molecole complesse vengono

degradate alle subunità che le costituiscono ( proteine in

aminoacidi, zuccheri complessi in zuccheri semplici, lipidi

in acidi grassi e glicerolo). Tale processo avviene fuori delle

cellule per opera degli enzimi secreti.

FASE2: le piccole molecole ottenute nel processo della digestione

penetrano nella cellula e vengono ulteriormente degradate

nel citoplasma(GLICOLISI) ad Acetil CoA con produzione di

piccole quantità di ATP e NADH.

FASE3: all’interno dei mitocondri, le piccole molecole prodotte nella

seconda fase sono completamente degradate ad CO2 e H2O ad

opera dell’ossigeno attraverso il processo di RESPIRAZIONE che

comprende 2 reazioni: il CICLO DI KREBS (o dell’acido citrico o

degli acidi tricarbossilici) e la CATENA RESPIRATORIA.

In questa fase viene prodotta la maggior quantità di molecole

di ATP.

CONCLUDENDO… Il primo anello della catena alimentare comincia con gli organismi

fotosintetici come produttori di cibo e porta agli animali come

consumatori di cibo.

Nella Fotosintesi, attuata dai primi, anidride carbonica e acqua si combinano

a formare composti organici e ossigeno, utilizzati dai secondi.

Nella Respirazione l’ossigeno reagisce coi composti organici che vengono

demoliti per ricavare energia vitale per gli organismi, con liberazione di

anidride carbonica e acqua che possono essere reimpiegate nella

fotosintesi.

Il flusso di energia per la vita viene quindi dal sole,

è assorbito nella fotosintesi,

viene liberato dalla respirazione

ed infine

utilizzato per i processi vitali di tutti gli organismi viventi.