CHIUSO: scambia con. solo energia. ENERGIA IN TRANSITO tra SISTEMA e AMBIENTE. POSITIVO Il sistema assorbe calore dall ambiente

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1 Analisi quantitativa delle modalità con cui gli organismi ottengono, incanalano e utilizzano l ENERGIA ISOLATO : non scambia né energia né materia con l ambiente CALORE (q) LAVORO (w) CHIUSO: scambia con l ambiente solo energia Parte dell Universo che vogliamo studiare, deve avere dei confini ben definiti. APERTO : energia e materia possono entrare ed uscire CALORE LAVORO ENERGIA IN TRANSITO tra SISTEMA e AMBIENTE POSITIVO Il sistema assorbe calore dall ambiente NEGATIVO Il calore fluisce dal sistema all ambiente POSITIVO Il sistema compie lavoro sull ambiente NEGATIVO L ambiente compie lavoro sul sistema 1

2 Ogni SISTEMA contiene una certa quantità di ENERGIA INTERNA Comprende tutte le forme di energia che possono essere scambiate attraverso processi fisici o reazioni chimiche FUNZIONE DI STATO Se non è isolato il sistema può scambiare questa energia con l ambiente Poiché l ENERGIA INTERNA può variare solo per scambi di calore o di lavoro con l ambiente ΔE = q - w PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL ENERGIA GLUCOSIO CO 2 + H 2 O ΔE = q GLUCOSIO CO 2 + H 2 O ΔE = q + w SCAMBIO DI CALORE E LAVORO NELLE REAZIONI A VOLUME E PRESSIONI COSTANTI CH 3 (CH 2 ) 14 COOH (sol) + 23O 2(gas) 16CO 2(gas) + 16H 2 O( liq ) La reazione avviene n un contenitore sigillato, o bomba calorimetrica. Il calore q viene trasferito all acqua circostante. Non viene compiuto lavoro perché il sistema è a volume costante Fig. A ΔE = q ΔE = -994,4 KJ/mol la reazione rilascia ENERGIA conservata nei legami che viene trasferita dal SISTEMA sotto forma di calore all AMBIENTE 2

3 Occorre ricordare che: Volumi uguali di gas diversi contengono lo stesso numero di molecole quando si trovino nelle stesse condizioni di temperatura e pressione CH 3 (CH 2 ) 14 COOH (sol) + 23O 2(gas) 16CO 2(gas) + 16H 2 O( liq ) Fig.B Il Volume si decontrae di una quantità proporzionale al decremento di moli di gas. Un certo LAVORO è stato compiuto dall AMBIENTE al SISTEMA (W negativo) W = PΔV ΔV = Δn RT/ P PV = n RT Variazione del numero di moli di gas / mole di acido palmitico W = Δn RT 3

4 Il calore sviluppato in questa combustione a pressione costante sarà: q = ΔE + w q = ΔE + Δn RT q = -9941,4-17,3 = KJ/mol IN CONDIZIONI DI PRESSIONE COSTANTE L AMBIENTE COMPIE LAVORO SUL SISTEMA E QUESTO LAVORO APPARE SOTTOFORMA DI CALORE IN ECCESSO CHE VIENE RILASCIATO DAL SISTEMA ALL AMBIENTE CIRCOSTANTE I cambiamenti dell ENERGIA INTERNA, come per tutte le FUNZIONI DI STATO, dipendono solo dallo stato finale ed iniziale del SISTEMA e sono indipendenti dal cammino fatto La maggior parte delle reazioni che avvengono in laboratorio e praticamente tutti i processi biochimici hanno luogo in condizioni più vicine a quelle di pressione costante che di volume costante Se vogliamo sapere il calore che si può ottenere dall ossidazione dell acido palmitico in un animale dobbiamo conoscere il calore prodotto a pressione costante Per esprimere il calore di una reazione a P costante ci occorre un altra FUNZIONE DI STATO : ENTALPIA (H) H = E + PV ΔH = ΔE + P ΔV La differenza tra ΔH e ΔE per l acido palmitico è del 0,2% ΔH è la misura diretta della variazione di ENERGIA di un processo 4

5 SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA In tutti i processi naturali l entropia tende ad aumentare Ora, la seconda legge della termodinamica Qual è la direzione favorita in un processo? Il secondo principio della termodinamica ci dice quali processi siano termodinamicamente favoriti I processi reversibili avvengono in prossimità di uno stato di equilibrio; quelli irreversibili tendono all equilibrio I processi tendono sempre ad un più basso stato di energia Non basta I SISTEMI DI MOLECOLE TENDONO NATURALMEMNTE AL DISORDINE ENTROPIA Un dato stato termodinamico può avere molti sottostati di UGUALE ENERGIA. esistono diversi modi in cui le molecole possono essere distribuite all interno di un sistema I processi irreversibili tendono all equilibrio 5

6 ENTROPIA (S) misura dello stato di casualità o disordine di un sistema Uno stato ordinato ha meno modi di disporre le molecole di uno stato disordinato. S stato ordinato < S stato disordinato S = 0 CRISTALLO PERFETTO allo zero assoluto Sebbene l energia del sistema rimanga invariata l entropia può aumentare, sono entrambe forze che determinano la direzione del processo termodinamico. Tutti i sistemi biologici sono sistemi aperti, occorre a questo punto una funzione di stato che comprenda sia l energia entalpica che l entropica: Sistemi a P e T costante G = H - TS ΔG = ΔH - TΔS TRASFORMAZIONE FAVORITA ΔG negativo TRASFORMAZIONE SFAVORITA ΔG positivo ENERGIA LIBERA DI GIBBS ΔS positivo ΔH negativo Trasformazione esotermica Trasformazione endotermica Un processo termodinam icamente favorito tende a procedere nelle direzione che minimizza l energia libera 6

7 INTERAZIONI TRA ENTALPIA ED ENTROPIA IN OGNI TRASFORMAZIONE FISICA E CHIMICA E LA COMPETIZIONE TRA IL TERMINE ENTALPICO E QUELLO ENTROPICO CHE DETERMINA LA DIREZIONE FAVORITA ΔG = ΔH - TΔS L energia libera rappresenta la porzione di energia (ΔH ) che risulta disponibile, o libera, per svolgere lavoro utile. Una parte dell energia libera è sempre dissipata sottoforma di calore, come è espresso dal termine TΔS. Sebbene la quantità effettiva utilizzata per svolgere lavoro dipenderà dalla VIA SEGUITA DAL PROCESSO. EFFICIENZA = Lavoro effettivamente svolto Lavoro massimo atteso 7

8 ENERGIA LIBERA NELLE REAZIONI CHIMICHE Quando i reagenti sono presenti alla concentrazione 1M, il ΔG rappresenta la VARIAZIONE STANDARD DI ENERGIA LIBERA Poiché nelle reazioni biochimiche non si può non considerare anche lo stato ionico del sistema vivente (ph 7), la VARIAZIONE STANDARD DI ENERGIA LIBERA diventa ΔG In una reazione chimica l energia libera dipende dalle concentrazione dei vari componenti aa +bb +cc. G = ag A + bg B + cg C.. Energie libere molari parziali POTENZIALI CHIMICI ΔG A = G o A + RT ln [A] ΔG = ΔG A + ΔG B + ΔG c. Contributo energetico per moli di sostanza ENERGIA CHIMICA ED EQUILIBRIO CHIMICO aa +bb cc +dd 8

9 ΔG = ΔGo + RT ln [C] c [D] d [A] a [B] b prodotti reagenti = Keq All equilibrio ΔG = 0 e l equazione diventa 0 = ΔGo + RT ln Keq Che può essere scritta ΔG o = - RT ln Keq RELAZIONE TRA IL ΔG o E LA COSTANTE DI EQUILIBRIO Quando il sistema non è all equilibrio, la tendenza a spostarsi verso l equilibrio diventa una forza trainante la cui ampiezza è espressa dalla variazione di ΔG. ΔG o = variazione di energia libera standard (298 K,25 C, ph=0, ) ΔG o = variazione di energia libera standard (298 K,25 C, ph=7, ) La variazione di ENERGIA LIBERA STANDARD di una reazione chimica è semplicemente un modo matematico alternativo di esprimere la sua costante di equilibrio. Relazione tra le costanti di equilibrio delle reazioni chimiche e la loro variazione di energia libera standard ENERGIA LIBERA STANDARD negativa o positiva a seconda che la costante di equilibrio sia superiore o inferiore ad 1 9

10 Le singole reazioni di una via metabolica spesso hanno valori di ΔG o positivi, quindi sfavorevoli. Com è possibile che il processo complessivo si svolga efficacemente? Una risposta è che le concentrazioni dei reagenti vengono mantenute lontane da quelle di equilibrio. In entrambi i casi la reazione procede verso l equilibrio REAZIONI ACCOPPIATE REAZIONI ENERGICAMENTE SFAVORITE POSSONO ESSERE TRASCINATE ACCOPPIANDOLE A REAZIONI ALTAMENTE FAVORITE L accoppiamento di reazioni endoergoniche a reazioni esoergoniche è uno dei principi più importanti della Biochimica Questo accoppiamento viene adoperato non solo per spingere reazioni termodinamicamente sfavorite ma anche per trasportare materiali attraverso le membrane contro gradiente, per trasmettere impulsi nervosi, per contrarre i muscoli ed altro. 10

11 L energia biologica è essenzialmente di natura chimica ed origina da reazioni redox ma può essere anche accumulata in alcuni legami chimici energetici di biomolecole. Legame covalente ad alta energia libera energia richiesta per la loro sintesi e recuperabile mediante rottura (idrolisi) 11

12 I composti del fosfato hanno un energia libera altamente negativa L ATP è forse il più importante di questi composti ed quello che incontreremo più spesso nel METABOLISMO CELLULARE L idrolisi dell ATP è altamente esoergonica ΔG o =-31 KJ/ mol -7,3Kcal/mol Questo valore corrisponde ad una Keq = 10 5 L equilibrio è talmente spostato verso destra che l idrolisi dell ATP può essere considerata essenzialmente irreversibile 12

13 3) Repulsione elettronica tra prodotti carichi 4) Aumento della stabilizzazione per tautomeria dei prodotti 5) Rilascio di un protone in soluzioni tamponate La spiegazione dell elevata energia libera di idrolisi di queste sostanze risiede nelle particolari proprietà dei reagenti e dei prodotti della reazione. I più importanti sono: 1) Stabilizzazione per risonanza del fosfato prodotto Lo ione ortofosfato possiede un ampia varietà di forme di risonanza che contribuiscono ad aumentare l ENTROPIA di questa struttura. 2) Ulteriore idratazione dei composti di idrolisi Ione ortofosfato ( P i ) Basi chimiche della grande variazione di energia libera associata all idrolisi dell ATP IDRATAZIONE 2 ΔG o reale > ΔG o (-30,5KJ/mole) poiché le concentrazioni di ATP, ADP e Pi nelle cellule sono diverse da quelle standard e soprattutto perché il vero substrato delle razioni sono: REPULSIONE 3 13

14 4 In tutte le reazioni che trasferiscono il fosfato, le diverse forme di risonanza che il fosfato può assumere contribuiscono ulteriormente a generare un ΔG o negativo CREATINA FOSFATO REAZIONI ACCOPPIATE REAZIONI ENERGICAMENTE SFAVORITE POSSONO ESSERE TRASCINATE ACCOPPIANDOLE A REAZIONI ALTAMENTE FAVORITE L accoppiamento di reazioni endoergoniche a reazioni esoergoniche è uno dei principi più importanti della Biochimica Questo accoppiamento viene adoperato non solo per spingere reazioni termodinamicamente sfavorite ma anche per trasportare materiali attraverso le membrane contro gradiente, per trasmettere impulsi nervosi, per contrarre i muscoli ed altro. 14

15 POTENZIALE DI TRASFERIMENTO DEL FOSFATO Ciascuno degli elementi considerati nella tabella iniziale, considerando i diversi valori di energia libera, è capace di spingere la fosforilazione dei composti che si trovano più in basso nella scala, sempre che, sia disponibile un meccanismo adatto di accoppiamento. Le variazioni di energia libera nelle reazioni sequenziali si possono sommare L ATP trovandosi a metà della scala di trasferimento del fosfato funziona bene da MONETA DI SCAMBIO DELL ENERGIA LIBERA L energia ottenuta dalla demolizione del cibo (CATABOLISMO) viene immagazzinata sottoforma di ATP. Questa energia viene utilizzata, attraverso idrolisi accoppiate, per spingere i processi vitali. 15

16 Le reazioni esorgoniche sono nominate cataboliche ( scissione o ossidazione dei molecole combustibili), le reazioni sintetiche, endoergoniche, sono nominate anaboliche. La combinazione di processi catabolici e anabolici costituisce il metabolismo. I GRUPPI FOSFORICI PASSANO dai DONATORI AD ALTA ENERGIA, reazioni cataboliche, UTILIZZANDO IL SISTEMA ATP-ADP, ad ACCETTORI A BASSA ENERGIA, reazioni anaboliche. 16

17 Il vantaggio biologico della formazione di un composto ad alto contenuto energetico (ATP) è che può essere correlato a diverse reazioni esoergoniche. L ATP è quindi un trasduttore di energia da un ampia serie di reazioni esoergoniche ad un altrettanto ampio ambito di processi endoergonici come la biosintesi, la contrazione muscolare, l eccitazione nervosa, il trasporto ecc. AH AP 2 carrier ADP BH BP 2 A carrier-h ATP 2 B Come troviamo scritta la reazione REAZIONE A DUE STADI Come in realtà avviene la reazione 17

18 L IDROLISI DELL ATP PUO PROCEDERE IN TRE DIREZIONI La capacità di una cellula di effettuare reazioni spinte dall ATP dipende dalle concentrazioni relative dell ATP e dei suoi derivati. La carica energetica degli adenilati rappresenta la porzione di legami totali ad alto contenuto energetico che sono presenti in una cellula Carica energetica = [ATP] + ½ [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP] La maggior parte delle cellule sane funziona con un valore di carica energetica di circa 0,9, come ci si aspetterebbe se i livelli di ATP fossero molto più elevati di quelli dell ADP e dell AMP. 18

19 L ATP è il principale composto fosforilato ad alta energia prodotto dal catabolismo cellulare Mg ATP + NDP (o dndp) 2+ ADP + NTP (o dntp) ΔG o, 0 Nucleoside difosfato chinasi Quando l ADP si accumula nella cellula per sottrazione di gruppi fosforici all ATP, è l ADENILATO CHINASI che rimuove l ADP in eccesso Mg 2 ADP 2+ ATP + AMP ΔG o 0 La fosfocreatina rappresenta una RISERVA disponibile di GRUPPI FOSFORICI Mg ADP + PCr 2+ ATP +Cr ΔG o = -12,5 KJ/mole Muscolo scheletrico 30 mm CREATINA CHINASI M. liscio, cervello, reni 5-10 mm I FOSFAGENI RAPPRESENTANO FORME DI DEPOSITO DI FOSFATO AD ALTA ENERGIA CREATINA FOSFATO muscolo, cervello e spermatozoi dei vertebrati ARGININA FOSFATO nel muscolo degli invertebrati 19

20 Le cellule muscolari e nervose, caratterizzate da un elevato ricambio di ATP, dipendono dalla creatina per rigenerare rapidamente ATP ΔG = +12,6 kj mole -1 In condizioni standard la reazione è endoergonica, ma le concentrazioni intracellulari dei reagenti e dei prodotti sono tali che la reazione opera in una situazione di equilibrio. Nelle cellule che contengono la fosfocreatina chinasi la fosfocreatina si comporta come un tampone dell ATP La quantità di ATP presente nel muscolo è capace di sostenere la contrazione per meno di 1 sec. RISERVA DI CREATINA FOSFATO Elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosforico ΔG = - 43,1 KJ mol -1 20

21 Idrolisi dell acetil-co(enzima) A Il legame tioestere appare nelle vie metaboliche come intermedio di reazione in forma di acetil-coa prodotto comune del catabolismo dei carboidrati, acidi grassi e aminoacidi Una reazione termodinamicamente sfavorita, o ENDOERGONICA, potrà procedere senza difficoltà nella direzione non favorita soltanto se può essere accoppiata ad una reazione favorita o ESOERGONICA. Negli organismi viventi la maggior parte dell energia libera richiesta per promuovere le reazioni biochimiche deriva dall OSSIDAZIONE DEI SUBSTRATI ORGANICI 21