Lo scopo della biochimica è la comprensione della vita in termini molecolari.

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1 Lo scopo della biochimica è la comprensione della vita in termini molecolari. Sebbene la biochimica venga spesso descritta come una scienza della vita e il suo sviluppo venga messo in relazione con la biologia, essa rimane soprattutto ed in primo luogo una scienza chimica.

2 Come si distingue la materia vivente da quella non vivente? La caratteristica principale che distingue la vita è il costante rinnovamento di una struttura altamente ordinata che è spesso accompagnato da un aumento della complessità di tale struttura. La vita quindi dipende dalla creazione e dalla propagazione dell ordine in un ambiente disordinato. La creazione di ordine consuma energia

3 Cos è il metabolismo? E il complesso delle reazioni chimiche e fisiche che avvengono in un organismo o in una sua parte Anabolismo Produzione di molecole complesse a partire da molecole più semplici. Richiede energia Catabolismo Degradazione di molecole complesse in molecole più semplici. Libera energia Sebbene siano due processi contrari funzionano in maniera coordinata e armonica

4 Metabolismo primario Insieme dei processi essenziali e ubiquitari, indispensabili per la crescita e lo sviluppo della specie (zuccheri, proteine, lipidi) Metabolismo secondario Processi non indispensabili per la crescita e lo sviluppo, ma indispensabili per la sopravvivenza della specie

5 La bioenergetica è lo studio delle trasformazioni energetiche che avvengono negli organismi viventi e lo studio degli scambi di energia tra le cellule ed il loro ambiente circostante. sostanza organica + O 2 H 2 O + CO 2 + energia Organismi eterotrofi ed autotrofi. Gli autotrofi usano l energia della luce o l energia chimica generata da fonti non organiche per convertire la CO 2 in composti organici.

6 Energia: capacità o possibilità di un sistema di produrre un lavoro. Un sistema è in grado di eseguire un lavoro se la materia si muove nella direzione di un gradiente di potenziale (variazione di potenziale chimico/energia libera).

7 Tutti i fenomeni biologici sono ricollegabili a trasformazioni energetiche. Anche i meccanismi delle reazioni chimiche sono governati, a livello atomico e/o molecolare, da mutamenti che involgono variazioni di energia (energia potenziale, cioè energia legata alle condizioni dell oggetto e nello specifico la condizione dei legami chimici).

8 Prima legge della termodinamica Un sistema conserva invariata la sua energia totale, indipendentemente dalle trasformazioni che subiscono in esso le singole specie di energia. Durante una modificazione chimica o fisica l energia non viene né creata né distrutta; la quantità totale di energia resta costante, ma può essere convertita in forme diverse.

9 Energia libera (G): parte dell energia totale di un sistema che può essere liberata come lavoro e quindi utilizzata nelle reazioni. G < 0 (G P < G R ) reazione esoergonica (spontanea, genera lavoro) G > 0 (G P > G R ) reazione endoergonica (non spontanea, necessita apporto di E) G = 0 (G P = G R ) reazione all equilibrio

10 La conoscenza del segno di G indica le condizioni di attuabilità delle reazioni, indipendentemente dal fatto che siano esotermiche od endotermiche (cessione o acquisto di calore). Il G non dà indicazioni sulla velocità di reazione (reazioni con valori di G negativo molto elevati possono verificarsi con estrema lentezza o non verificarsi affatto).

11 G: variazione di E libera reale. In una reazione chimica corrisponde all energia libera posseduta dai prodotti sottratta dell energia libera dei reagenti: G = G P G R G 0 : variazione di E libera standard. E riferita a reagenti e prodotti presenti alla concentrazione di 1 M o alla pressione di 101,3 kpa (1 atm), 298 K (25 C) e ph=0. G 0 : variazione di E libera standard biologica alle stesse condizioni sopra citate, ma a ph=7.

12 L energia libera (G) di un composto viene anche detta potenziale chimico (µ) in quanto rappresenta la capacità potenziale del composto a passare da uno stato chimico ad un altro. Il potenziale chimico è legato alla concentrazione c dalla relazione di Nernst: ovvero: µ = µ 0 + RT ln c G = G 0 + RT ln c

13 Nella reazione aa + bb cc + dd sarà: G R = ΣG 0 R + RT ln [A] a [B] b G P = ΣG 0 P + RT ln [C] c [D] d quindi: G = G 0 + RT ln [C] c [D] d [A] a [B] b

14 Il G rappresenta quindi la differenza tra i potenziali chimici dei prodotti e dei reagenti. Un G negativo molto alto è caratteristico di reazioni irreversibili (spontanee), uno negativo molto basso è caratteristico di reazioni reversibili (non spontanee). La tendenza alla spontaneità di un reazione è data dal segno di G, che è legato alle concentrazioni dei reagenti e non al valore di G 0.

15 + G = G 0 + RT ln [C] c [D] d [A] a [B] b G c

16 All equilibrio si avrà che [C] c [D] d = K eq [A] a [B] b Poiché in questo caso (equilibrio) G=0, si avrà: G 0 = - RT ln K eq Il G 0 di una reazione è quindi una misura della sua K eq.

17 ,, Relazione tra G 0 e K eq K eq =1 G 0 =0 reaz. equilibrio K eq >1 G 0 <0 reaz. esoegoniche K eq <1 G 0 >0 reaz. endoergoniche

18 Reazioni redox Ossidazione = perdita di elettroni Riduzione = acquisto di elettroni In una reazione redox (generalmente reversibili), ogni reagente può esistere in una forma ossidata (agente ossidante, accettore di e - ) ed in una forma ridotta (agente riducente, donatore di e - ).

19 Una reazione redox si compone di due semi-reazioni (coppia donatore/accettore): donatore (1) e - + accettore (1) e - + accettore (2) donatore (2) donatore(1)+accettore(2) accettore(1)+donatore(2) La K eq (e quindi il verso) di una reazione redox dipende da quella forma ossidata (accettore) che ha maggiore affinità per gli e -. La reazione in avanti (verso dx) viene favorita se l affinità dell accettore(2) per gli e - è maggiore di quella dell accettore(1).

20 Il potenziale di ossido-riduzione (redox) standard (E 0 ) rappresenta una misura quantitativa dell affinità di un accettore per gli elettroni in una semi-reazione.

21 Alla semi-reazione 2H + + 2e - H 2 (elettrodo ad idrogeno) viene assegnato per convenzione un valore E 0 =0 ([H + ]=1 M, P H2 =101,3 kpa, T=25 C, ph=0). Esso viene utilizzato come riferimento per la determinazione dei potenziali standard delle altre semi-reazioni.

22 Se H + ha maggiore affinità per l elettrone dell accettore nella semi-cella di misura, l elettrone si muoverà dalla semi-cella destra a quella sinistra e viceversa.

23 agente ossidante agente riducente

24 Quando le concentrazioni del donatore e dell accettore di e - sono diverse dall unità, il potenziale redox (E) di una semi-reazione è dato da: E = E 0' + RT ln [ox] nf [rid] F = costante di Faraday, n = e - trasferiti Il potenziale redox standard biologico (E 0 ) viene misurato a ph=7.

25 Trasferimenti spontanei di elettroni sono possibili solo se il potenziale redox del sistema donatore è più negativo di quello dell accettore. Un potenziale negativo indica azione riducente e uno positivo azione ossidante.

26 Il G 0 di una reazione redox può essere calcolato dai potenziali redox E 0 delle due semi-reazioni secondo la relazione: G 0 = - n F E 0 Il valore E 0 viene calcolato sottraendo a E 0 della semi-reazione contenente l agente ossidante (accettore), il valore di E 0 della semi-reazione contenente l agente riducente (donatore).

27 Per verificare se la reazione è spostata verso destra ossidante riducente NAD + + etanolo acetaldeide + NADH + H + E 0 = -0,320 (-0,197) = V ( G 0 >0) riducente ossidante NADH + H + + ½O 2 NAD + + H 2 O E 0 = +0,816 (-0,320) = +1,136 V ( G 0 <0) G 0 = -nf E 0

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29 Composti ricchi di energia I composti ricchi di energia vengono utilizzati dal metabolismo cellulare per fornire energia trainante alle reazioni termodinamicamente sfavorite. Ciò viene reso possibile attraverso l accoppiamento delle reazioni: A + B C + D G 0 = +18 kj mole -1 C X G 0 = +7 kj mole -1 X + Y Z G 0 = -46 kj mole -1 A + B + Y D + Z G 0 = -21 kj mole -1 Le reazioni devono essere collegate da un intermedio comune, che sia il prodotto dell una ed il substrato dell altra.

30 Legami ricchi (ad alta energia): NON rappresentano alte energie di legame, ma alte energie intorno al legame che si liberano per idrolisi del legame stesso. I legami ricchi sono notevolmente instabili ed hanno un energia generalmente bassa. G 0 idrolisi legami ricchi: <-25 kj mol -1 Vengono spesso indicati con il simbolo ~

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32 I valori molto negativi dei G 0 di idrolisi dei composti ricchi di energia indicano che i reagenti contengono una quantità di energia libera sensibilmente più alta di quella dei prodotti (sono cioè molto instabili).

33 ATP (adenosintrifosfato) Trasferimento di gruppi fosforici su altre molecole per formare composti con una più alta E libera (attivazione) tramite enzimi detti transferasi. ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = -31 kj/mole glucosio + P i glucosio-6-p + H 2 O G 0 = +14 kj/mole glucosio + ATP glucosio-6-p + ADP G 0 = -17 kj/mole

34 ribosio adenina

35 L elevato G 0 di idrolisi si spiega con: - una maggiore instabilità dei reagenti a causa di repulsioni tra cariche simili - una maggiore stabilità dei prodotti risultante da risonanza e dissociazione ATP ADP + P i ADP AMP + P i ATP AMP + PP i (pirofosfato) PP i 2 P i

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38 Carica energetica [ATP] + ½ [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP] (valore = 0,80 all equilibrio metabolico)

39 % Reazioni cataboliche + anaboliche = 100 Quando le reazioni anaboliche sono limitate, la cellula non ha bisogno di molta E e la carica energetica cellulare è quindi bassa. All aumentare delle reazioni anaboliche, la cellula ha bisogno di maggiore E e la carica aumenta. All aumentare dell anabolismo, le reazioni cataboliche diminuiscono come percentuale del totale, ma NON di intensità.