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

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1 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 - T S 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.

2 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, di molecole più grandi o di strutture cellulari più complesse

3 Per poter essere assorbiti, i nutrienti devono essere spezzati in frammenti molecolari piccoli e resi solubili in acqua. Le molecole così ottenute entrano nei cicli catabolici e vengono ossidate per produrre energia, tramite la catena respiratoria. idrolisi dell amido e dei trigliceridi ph intorno a 6,6 scissione delle proteine ph tra 1 e 2 digestione di carboidrati, lipidi e proteine ph > 7

4 Le diverse vie metaboliche non sono indipendenti fra loro, ma collegate in modo da utilizzare in una i prodotti dell altra, riciclando efficientemente i materiali. Molti processi avvengono in entrambe le direzioni, utilizzando enzimi comuni. 4

5 LE REAZIONI BIOCHIMICHE Le reazioni che avvengono in vivo devono essere spontanee ( G < 0). Per le reazioni endoergoniche, questo significa che devono essere accoppiate a reazioni esoergoniche in modo che il bilancio energetico totale sia G < 0. Com è noto, gli organismi autotrofi ricavano l energia necessaria dalla luce solare, mentre gli eterotrofi la ottengono dall ossidazione degli alimenti: sostanza organica (C,H,O) + O 2 = CO 2 + H 2 O. Occorrono quindi degli scambiatori di energia, molecole in grado di formarsi in reazioni esoergoniche ed essere utilizzati in quelle endoergoniche. Queste molecole immagazzinano l energia dei processi esoergonici sotto forma di energia potenziale chimica (legami ad alto contenuto energetico, relativamente poco stabili), la trasportano e la rilasciano quando questi legami si rompono. 5

6 ATP ADENOSINTRIFOSFATO 4 cariche negative ravvicinate: la repulsione elettrostatica è forte. La perdita di un gruppo fosfato attenua le repulsioni ed è energeticamente favorevole. è un NUCLEOTIDE, costituente degli acidi nucleici è il più importante trasportatore di energia nelle cellule viene sintetizzato soprattutto nella fosforilazione ossidativa

7 legami anidride 30,5 kj/mol (7,3 kcal/mol) - PO 4 3- ATP 4 cariche negative repulsione elettrostatica l idrolisi rilascia la tensione si libera energia + PO 4 3- ADP + PO PO ,5 kj/mol (7,3 kcal/mol) legame estere 14,2 kj/mol (3,4 kcal/mol) AMP 7

8 NAD / NADH NICOTINAMIDE ADENINA DINUCLEOTIDE NADP è un coenzima che serve per trasferire idrogeno in reazioni redox (H e - = H - )

9 FAD / FADH 2 FLAVINA ADENINA DINUCLEOTIDE Anche questo è un coenzima trasportatore di elettroni E red (FAD/FADH 2 ) = - 0,200 V forma ossidata forma ridotta

10 il coenzima NAD prende parte alle reazioni di ossidoriduzione dei composti organici trasferendo ioni idruro. ox, - 2H + - 2e - red, + 2H + + 2e - H - red, + 2H + + 2e - ox, - 2H + - 2e - E red (NAD/NADH) = - 0,315 V il coenzima FAD funziona allo stesso modo, ma con un potenziale di riduzione maggiore. E red (FAD/FADH 2 ) = - 0,200 V 10

11 Per recuperare efficientemente energia da processi spontanei, questi vengono fatti avvenire in vari passaggi graduali e ordinati, formando progressivamente molecole di ATP. Nel catabolismo, alcuni processi generano direttamente ATP tramite reazioni di fosforilazione. In molti altri casi si genera dapprima NADH o FADH 2, e questi vengono poi ossidati da O 2 nei mitocondri, rigenerando NAD o FAD e producendo una grande quantità di ATP. CATENA RESPIRATORIA: nella membrana interna del mitocondrio NADH e FADH 2 vengono riossidati a NAD e FAD, cedendo idrogeni a O 2 che si trasforma in acqua. Questo avviene attraverso una catena di trasportatori che fa avvenire il processo gradualmente per la massima efficienza energetica. FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA: È il processo che sintetizza l ATP nei mitocondri, utilizzando l energia prodotta nella catena respiratoria. 11

12 12

13 eme coenzima dei citocromi coenzima Q10 13

14 il gradiente di protoni attraverso la membrana viene annullato facendo passare gli H + attraverso il complesso ATP sintetasi producendo ATP. 14

15 Nella catena respiratoria, grazie al potenziale elettrochimico che si sviluppa, si producono 2,5 molecole di ATP per ogni coenzima NADH + H + riossidato e 1,5 molecole di ATP per ogni FADH 2 15

16 Gli enzimi, come tutti i catalizzatori, non possono far avvenire reazioni non spontanee, ma solo accelerare reazioni spontanee. Le reazioni non spontanee vengono fatte avvenire accoppiate a reazioni spontanee, in modo che il valore complessivo di G sia negativo. Gli organismi autotrofi (piante) ricavano l energia necessaria dal Sole, mentre quelli eterotrofi (animali) la ricavano da reazioni di combustione, in cui il combustibile è il cibo e il comburente l ossigeno. REAZIONE ENDOERGONICA: fotosintesi clorofilliana 6 CO H 2 O = 6 O 2 + C 6 H 12 O 6 REAZIONE ESOERGONICA: demolizione del glucosio 6 O 2 + C 6 H 12 O 6 = 6CO H 2 O Le reazioni esoergoniche vengono fatte avvenire in modo controllato e graduale, per recuperarne l energia in forma utile.

17 acido piruvico acetil-coa

18 IL CICLO DI KREBS Isocitrato 18

19 L enzima citrato sintasi rappresenta il punto di regolazione del ciclo, perché è inibito dai prodotti (ATP, NADH, citrato) e quindi quando c è già disponibilità di energia il ciclo è lento. 1 1 acetil-coa proveniente dai processi del catabolismo entra nel ciclo 19

20 2 isomerizzazione del citrato 2 eliminazione (disidratazione) Cis-aconitato addizione (idratazione) 3 3 ossidazione e perdita di CO 2 in questa tappa si producono: 1 molecola di CO 2 1 NADH + H + 20

21 4 decarbossilazione ossidativa CoASH S-CoA 4 il passaggio ossidativo è la conversione del chetone in tioestere in questa tappa si producono: H CoASH 1 molecola di CO 2 1 NADH + H + e si forma un legame tioestere ad alta energia 21

22 5 idrolisi la rottura del legame tioestere ad alta energia è sfruttata per ottenere la fosforilazione di GDP (un nucleotide). Il gruppo fosfato viene poi successivamente trasferito da GTP ad ADP, e si forma ATP. 5 fosforilazione della guanosina difosfato + CoASH in questa tappa si produce: S-CoA 1 molecola di ATP idrolisi e si rompe un legame tioestere ad alta energia 22

23 6 deidrogenazione (ossidazione) 6 in questa tappa si produce: 1 FADH 2 23

24 7 idratazione 7 addizione a doppio legame non redox 24

25 8 ossidazione 8 ridotto ossidato in questa tappa si produce: 1 NADH + H + 25

26 IL CICLO DI KREBS E entrata una molecola di acetilcoa, che ha fatto entrare nel ciclo un gruppo CH 3 -CO- proveniente dal catabolismo dei diversi nutrienti Sono state prodotte 2 molecole di CO 2 come prodotto di ossidazione dei due atomi di carbonio entrati nel ciclo come gruppo acetile Sono state prodotte 3 molecole di NADH + H + e una di FADH 2 in forma ridotta, a spese dell ossidazione del substrato. E stata fosforilata una molecola di GDP immagazzinando energia sotto forma di GTP. La riossidazione di ciascuna molecola di NADH + H + fornisce energia sufficiente per la sintesi di circa 2,5 molecole di ATP, la riossidazione del FADH 2 a circa 1,5, quindi in totale: 3 NADH + H + 7,5 ATP FADH 2 1,5 ATP GTP 1 ATP totale 10 ATP 26

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