Energia e metabolismi energetici

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1 Energia e metabolismi energetici

2 L energia è la capacità di produrre lavoro Tutti gli organismi hanno bisogno di energia per vivere. L energia è definita come la capacità di effettuare un lavoro L energia cinetica è l energia posseduta dai corpi in movimento. L energia potenziale è l energia immagazzinata (dovuta alla posizione del corpo) e può essere trasformata in energia cinetica. L energia chimica (importante in biologia) è l energia potenziale immagazzinata nei legami chimici

3 Le reazioni chimiche immagazzinano o liberano energia Le reazioni endoergoniche assorbono energia e danno origine a prodotti ricchi in energia potenziale (con un livello di energia chimica superiore a quella dei reagenti di partenza). Le reazioni esoergoniche liberano energia e danno origine a prodotti che contengono meno energia potenziale dei reagenti. Energia potenziale delle molecole Reagenti Energia assorbita rodotti Quantità di energia assorbita Energia potenziale delle molecole Reagenti Energia liberata rodotti Quantità di energia liberata Le cellule compiono migliaia di reazioni chimiche (esoergoniche ed endoergoniche): L insieme di queste reazioni costituisce il metabolismo cellulare. L accoppiamento energetico utilizza le reazioni esoergoniche per far avvenire le reazioni endoergoniche.

4 Nella cellula l AT funge da molecola-navetta per il trasporto dell energia chimica L AT fornisce l energia necessaria per tutte le forme di lavoro cellulare. In una molecola di AT l energia risiede nei legami covalenti che uniscono i gruppi fosfato. AT Lavoro chimico Lavoro meccanico Lavoro di trasporto Membrana della proteina + roteina motrice Soluto Reagenti rodotto Molecola formata roteina mobile Soluto trasportato L AT libera energia utile per le reazioni endoergoniche attraverso la fosforilazione (trasferimento di un gruppo fosfato) AD+

5 L AT accoppia reazioni endoergoniche a reazioni esoergoniche l AT è una molecola rinnovabile, che viene continuamente consumata e rigenerata dalle cellule. AT Energia prodotta dalle reazioni Esoergoniche (respirazione cellulare) AD + Energia utile per le reazioni Endoergoniche Lavoro cellulare

6 Affinchè una reazione chimica inizi, i reagenti devono assorbire una quantità di energia chiamata energia di attivazione (E A ). Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche della cellula abbassando la richiesta energetica Reagenti rodotti Barriera E A Enzima Reagenti Contenitore 1 rodotti Contenitore 2

7 Un enzima è una proteina che funziona come catalizzatore biologico. Energia Reagenti E A senza enzima E A con enzima Differenza netta di energia rodotti Direzione della reazione

8 Ogni reazione cellulare è catalizzata da un enzima specifico Gli enzimi hanno strutture tridimensionali caratteristiche che lo rendono adatto per uno specifico substrato l enzima agisce in modo specifico e selettivo su un substrato, legandolo nel suo sito attivo. L ambiente cellulare influenza l attività degli enzimi La temperatura, la concentrazione dei sali e il ph influenzano l attività enzimatica. alcuni enzimi richiedono molecole non proteiche chiamate cofattori. I cofattori possono essere sostanze inorganiche, come gli ioni metallo, o molecole organiche (in questo caso si chiamano coenzimi).

9 Gli inibitori bloccano l azione degli enzimi L azione di un inibitore è irreversibile se si formano legami covalenti tra inibitore ed enzima, è reversibile quando si formano solo legami deboli (come il legame idrogeno). Substrato Sito attivo Enzima Legame normale del substrato Inibitore competitivo Inibitore non competitivo Inibitore enzimatico

10 La respirazione cellulare è il processo con cui si recupera energia da molecole organiche (es, zuccheri) per produrre AT C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + AT Glucosio Ossigeno gassoso Diossido di carbonio Acqua Energia

11 la respirazione cellulare è un processo aerobio Le cellule ricavano energia mediante reazioni redox, cioè trasferendo elettroni dalle molecole organiche all ossigeno Durante il loro trasferimento dai composti organici all ossigeno gli elettroni liberano energia potenziale. Quando il glucosio è trasformato in diossido di carbonio, perde atomi di idrogeno, che vengono acquistati dall ossigeno molecolare, formando acqua. erdita d atomi di idrogeno 6 CO 2 6 H 2 O C 6 H 12 O Glucosio O 2 Acquisto di atomi di idrogeno Energia (AT)

12 la respirazione avviene per tappe discrete processo controllato che recupera energia ad ogni stadio 1. Glicolisi; 2. Ciclo di Krebs; 3. Fosforilazione ossidativa Citoplasma Trasportatore di membrana degli elettroni 2 NADH 2 NADH (o 2 FADH 2 ) 2 NADH 6 NADH 2 FADH 2 Mitocondrio 1 molecola di glucosio GLICOLISI 2 molecole di acido piruvico 2 Acetil CoA CICLO DI KREBS FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA (Catena di trasporto e chemiosmosi) + 2 AT + 2 AT + circa 34 AT Dalla fosforilazione a livello di substrato Dalla fosforilazione a livello di substrato Dalla fosforilazione ossidativa Resa massima per molecola di glucosio: Circa 38 AT

13 Mitocondrio Doppia membrana Sistema cresteæaumento superficie Matrice: enzimi ciclo Krebs, DNA cromosomale, ribosomi, Organellogeneticamente semiautonomo

14 La glicolisi ricava energia chimica ossidando il glucosio in acido piruvico 2 NAD + 2 NADH + 2 H + Glucosio 2 AD AT 2 molecole di acido piruvico La glicolisi produce AT mediante fosforilazione a livello del substrato: un gruppo fosfato è trasferito da una molecola organica (substrato) ad una molecola di AD. Enzima Molecola organica (substrato) Adenosina AD AT

15 rima di entrare nel ciclo di Krebs, l acido piruvico viene modificato, liberando CO 2 e formando NADH e acetilcoenzima A (acetil-coa). NAD + NADH + H + Acido piruvico Acetil CoA CoA Acetil CoA CoA CO 2 Coenzima A CoA FADH 2 CICLO DI KREBS 2 CO 2 3 NAD + Il ciclo di Krebs completa l ossidazione delle molecole organiche origina NADH e FADH 2 ossida il gruppo acetile a 2 CO 2 libera AT FAD 3 NADH + 3 H + AT AD +

16 Catena di trasporto degli elettroni: stadio finale della respirazione cellulare NADH e FADH2 cedono i propri elettroni agli enzimi della catena di trasporto e infine all ossigeno L energia liberata dalle reazioni redox è usata per trasportare attivamente ioni H+ nello spazio intermembrana dei mitocondri: il reflusso secondo gradiente dei protoni attiva i complessi enzimatici per la sintesi di AT. H + H + H + H + Spazio intermembrana. Complesso enzimatico H + H + H + Trasportatore H + H + di elettroni AT sintetasi Membrana interna mitocondriale Flusso di elettroni FADH 2 FAD Matrice mitocondriale NADH NAD + H + H + H O H + H 2 O AD + H + AT Catena di trasporto degli elettroni Chemiosmosi FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

17 La fermentazione permette di ricavare energia in assenza di ossigeno In condizioni anaerobiche, il muscolo opera la fermentazione lattica 2 NAD + 2 NADH 2 NADH 2 NAD + GLICOLISI Glucosio 2 AD AT 2 molecole di acido piruvico 2 molecole di acido lattico - Nei lieviti avviene la fermentazione alcolica: il NADH è ossidato a NAD+ mentre l acido piruvico è ridotto a CO2 ed etanolo. NAD + NADH NADH NAD GLICOLISI Glucosio 2 AD AT 2 molecole di acido piruvico 2 CO 2 liberate 2 molecole di etanolo

18 Le cellule usano varie molecole organiche come fonte di energia L insieme delle reazioni che consentono di ricavare energia dagli alimenti viene detto catabolismo Alimento Carboidrati Grassi roteine Zuccheri Glicerolo Acidi grassi Amminoacidi Gruppi amminici Glucosio G3 GLICOLISI Acido piruvico Acetil CoA CICLO DI KREBS FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA (Catena di trasporto e chemiosmosi) AT

19 Le cellule usano alcune molecole alimentari e intermedi dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs come materiali grezzi (sostanze di partenza per la biosintesi di molecole). Questo processo di biosintesi (anabolismo) consuma AT. Gruppi amminici CICLO DI KREBS AT Acetil CoA SINTESI DEL GLUCOSIO Acido piruvico G3 Glucosio Amminoacidi Acidi grassi Glicerolo Zuccheri roteine Grassi Carboidrati Cellule, tessuti, organismi

20 Gli autotrofi svolgono il ruolo di produttori di sostanze alimentari iante, alghe e alcuni batteri sono fotoautotrofi (organismi autotrofi che utilizzano la luce come fonte di energia per i propri processi vitali) e produttori degli alimenti consumati da quasi tutti gli organismi viventi.

21 Nelle piante la fotosintesi avviene nei cloroplasti I cloroplasti contengono lo stroma (un liquido denso) e i tilacoidi (un complesso sistema di sacchetti discoidali provvisti di membrane) allineati in pile detti grani.

22 La fotosintesi è un processo redox, come la respirazione cellulare Nella fotosintesi l H 2 O viene ossidata e la CO 2 viene ridotta. 1. Le reazioni luminose trasformano l energia luminosa in energia chimica, liberando ossigeno gassoso (O 2 ). 2. Il ciclo di Calvin assembla molecole di zucchero a partire da CO 2 usando AT e NADH prodotti dalle reazioni luminose. H 2 O Cloroplasto CO 2 Luce REAZIONI LUMINOSE (nei grani) NAD + AD + AT CICLO DI CALVIN (nello stroma) NADH O Zucchero