S P A I SS P A I S 20072007Scuola Permanente per lScuola Permanente per l’’Aggiornamento degli Insegnanti di ScienzeAggiornamento degli Insegnanti di Scienze

LL’’energia. Aspetti di base e applicativienergia. Aspetti di base e applicativiSanto Stefano Santo Stefano QuisquinaQuisquina (AG), 16 (AG), 16 –– 20 luglio 200720 luglio 2007

Mariano Mariano VenanziVenanzivenanzi@uniroma2.itvenanzi@uniroma2.it

conversione delle biomasse

fotosintesi artificiale

tecnologie di membrana (osmosi)

celle solari

generatori termici e meccanici dalle maree

Bilancio energetico in un ciclo metabolico

Trasporto cellulare

Fotosintesi

I processi naturali sono di gran lunga il migliore esempio di come si possano attuare funzioni complesse massimizzando le efficienze, utilizzando al massimo le risorse disponibili con il minimo dell’energia necessaria.

1. Formazione del legame glucosio1. Formazione del legame glucosio--fosfatofosfato

Glucosio + Fosfato ⇔ glucosio-6-fosfato + H2O

13.14 −⊗ ⋅=Δ molkJGr

KlnRTGr −=⊗Δ

0040310 .)(K =

Solo 4 molecole su 1000 di glucosio vengono trasformate in glucosio-6-fosfato!

ATP(ATP(aqaq) + H) + H22O(l) O(l) ⇔⇔ ADP(ADP(aqaq) + P) + P--((aqaq) + H) + H33OO++((aqaq))

130 −⊗ ⋅−= molkJΔGr

Glucosio + ATP(aq) ⇔ glucosio-6-fosfato + ADP

17.150.303.14 −⊗ ⋅−=−=Δ molkJGr

2. isomerizzazione glucosio2. isomerizzazione glucosio--66--fosfato fosfato ⇔⇔ fruttosiofruttosio--66--fosfatofosfato

17.1 −⊗ ⋅+=Δ molkJGr

La reazione è leggermente sfavorita, ma produce una quantitàsignificativa di prodotto. Infatti a 310K:

52.03103144.8

1700expexp0

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ−=

RTGK r

fruttosio-6-fosfato ≈ 0.5 glucosio-6-fosfato

La reazione procede poiché il prodotto viene continuamente sottratto all’equilibrio dal passaggio successivo fortemente esoergonico, poiché è accoppiato ad una seconda reazione di idrolisi dell’ATP.

3. fruttosio3. fruttosio--1,61,6--DP DP ⇔⇔ diidrossiacetonediidrossiacetone--PP + gliceraldedide+ gliceraldedide--33--PP

18.23 −⊗ ⋅+=Δ molkJGr

Nelle condizioni di reazione le concentrazioni sono molto lontane da quelle di equilibrio (prodotti 10-4 rispetto ai reagenti):

]6,1[]][[lnln

DPfruttosioidegliceraldecetonediidrossiaRTGQRTGG rr −−

+Δ=+Δ=Δ ⊗⊗

1

4

06074238231029831448823

−

−

⋅=

=−=⋅⋅+=

molkJ...ln..GΔ

Just in time: la concentrazione giusta al momento giusto!

4. 4. diidrossiacetonediidrossiacetone--PP ⇔⇔ gliceraldeidegliceraldeide--33--PP

0.05K 5.7 1 =⋅=Δ −⊗ molkJGr

La reazione procede perché il ciclo sottrae continuamente gliceraldeide all’equilibrio.

Tutte queste reazioni sono catalizzate da enzimi, che rendono piTutte queste reazioni sono catalizzate da enzimi, che rendono piùùveloci le reazioni, ma non ne influenzano la termodinamica.veloci le reazioni, ma non ne influenzano la termodinamica.

int

exttr C

ClnRTG −=Δ

RTcs≈ΠPressione osmoticaPressione osmotica

Trasporto passivo:

0 <> trintext ΔGCC

In presenza di soluti carichi:

ΔΨΔ ZFCClnRTG

int

exttr +−=

Differenza di concentrazioneDifferenza di concentrazione

Differenza di potenzialeDifferenza di potenziale

20≈+

+

ext

int

]K[]K[

Nella membrana delle cellule nervose (a riposo):

mV]K[]K[ln

FRT)(

ext

intintext

77−=

==− +

+

ΦΦ

ΔΦexp=-60 mV

Trasporto mediato da proteine che formano canali o fungono da carrier.

Antibiotici:

- Gramicidina (Na+,K+)canalicanali

- Valinomicina (K+)carriercarrier

Entrambi dissipano i gradienti di concentrazione ionica essenziali per il funzionamento della cellula.

CO2→glucide

20012001

PQHPQH22

Special Special pairpair((ChargeCharge separationseparation))

Servono 4 quanti di luce per produrre una molecola di O2!

HH22OO→→OO22+4H+4H+++4e+4e--

20032003

Catena di Trasferimento Elettronico: PQ→PC

FF--ATPasiATPasi

20032003

Catena di Trasferimento Elettronico: PC→FD

FDFD--NADPNADP NADPHNADPH

Ciclo di Calvin

COCO22 →→ carboidraticarboidrati

NADPH NADPH reducingreducing agentagent

ATP ATP energyenergy supplysupply

3 molecole di ATP prodotte per ogni giro completo del rotore!