L ATTIVITA DELLA CELLULA
nutrizione crescita eliminare i rifiuti mantenimento delle strutture movimento riproduzione comunicazione
per svolgere tutte queste attività, le cellule hanno bisogno di ENERGIA
BIOENERGETICA Ramo della biologia che si occupa delle trasformazioni di energia negli organismi viventi
ENERGIA La capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro Si manifesta in diverse forme, trasformabili le une nelle altre, e riconducibili a due tipi principali ENERGIA CINETICA ENERGIA POTENZIALE Energia in azione, associata al movimento dei corpi Energia inattiva che un corpo accumula e libera in un momento opportuno
Le trasformazioni energetiche che avvengono negli organismi rispettano i due principi della termodinamica. I principio: l energia può essere trasformata da una forma all altra, ma non può essere né creata e né distrutta. II principio: ogni trasformazione energetica è accompagnata da una perdita di energia sottoforma di calore.
Le funzioni vitali degli organismi sono basate su una complessa serie di reazioni chimiche che si svolgono nelle loro cellule. SINTESI DECOMPOSIZIONE SCAMBI DI ENERGIA
REAZIONE CHIMICA è un tipo di trasformazione che attraverso la riorganizzazione degli atomi e delle molecole delle sostanze che vi prendono parte, dette REAGENTI, danno origine a nuove sostanze di composizione differente, i PRODOTTI A + B reagenti 1 2 C + D prodotti 1 2 = sintesi = decomposizione esempio CO + H 2 O CO 2 + H 2
...in riferimento agli scambi di energia REAZIONI ESOERGONICHE REAZIONI ENDOERGONICHE I reagenti contengono più energia dei prodotti avvengono spontaneamente l energia in eccesso viene liberata I reagenti contengono meno energia dei prodotti non avvengono spontaneamente avvengono solo se si fornisce energia dall esterno A + B C + D + ENERGIA A + B + ENERGIA C + D
REAZIONI REDOX OSSIDAZIONE = perdita di un elettrone da parte di un composto che quindi viene ossidato. A volte l e - si sposta assieme ad un protone, come facente parte di un atomo di idrogeno (H + ) dunque il composto che si ossida perde un atomo di idrogeno con il suo e -. In queste reazioni si ha una diminuzione dell energia chimica di legame. RIDUZIONE = acquisto di un elettrone o di un atomo di idrogeno col suo e - da parte di un composto che dunque viene ridotto. In queste reazioni si ha un aumento dell energia chimica di legame.
Ossidazione e riduzione avvengono sempre assieme: se una molecola si ossida gli elettroni che perde vengono trasferiti ad un altra molecola che si riduce. Tale reazione accoppiata viene definita OSSIDORIDUZIONE e il reagente che si riduce (acquista gli e - ) prende il nome di ossidante, quello che si ossida (perde gli e - ) prende il nome di riducente. Composto A ridotto (agente riducente) A viene ossidato perdendo elettroni A e - e - B Composto B ossidato (agente ossidante) B viene ridotto acquistando elettroni Composto A ossidato A B e - e - Composto B ridotto
Ossidante = elemento capace di attrarre a sé gli elettroni; quindi si riduce es. Ossigeno C + O 2 CO 2 (biossido di carbonio) Il carbonio che ha ceduto gli e - si ossida Riducente = elemento che facilmente perde gli elettroni; quindi si ossida es. Idrogeno C + 2H 2 CH 4 (metano) Il carbonio che ha acquistato gli e - si riduce Quando un elemento reagisce con l ossigeno si ossida Quando un elemento reagisce con l idrogeno si riduce
TAVOLA PERIODICA
IL METABOLISMO L insieme di tutte le reazioni chimiche che si svolgono negli organismi viventi ANABOLISMO Sintesi di nuove sostanze Consumo di energia CATABOLISMO Degradazione delle sostanze assimilate Liberazione di energia
ANABOLISMO CATABOLISMO MACROMOLECOLE glicogeno proteine lipidi ENERGIA ENERGIA MOLECOLE SEMPLICI glucosio aminoacidi acidi grassi ENERGIA ENERGIA CO 2 H 2 O NH 3
CHI TRASPORTA L ENERGIA? Gli organismi sono capaci di trasferire energia solo se disponibile sottoforma di energia chimica La biomolecola che rappresenta il mediatore energetico per eccellenza è l ATP
ade legame ad alta energia rib P P P + H 2 O ATP ade H 2 O P rib P P energia ADP Il trasporto dell energia da parte dell ATP alle molecole che devono reagire avviene mediante il trasferimento di un residuo fosforico e si dice FOSFORILAZIONE ATP + H 2 O = ADP + P i + energia
Fotosintesi Respirazione cellulare ATP accumulatore di energia attività cellulari
Forma ossidata FAD Coenzima assiste reazioni catalizzate da enzimi Forma ridotta Trasportatore di ioni H + ed e - durante le reazioni di ossidoriduzione riboflavina o
NAD Coenzima Trasportatore di ioni H + ed e - Nicotinammide Adenina Dinucleotide. La molecola è costituita da due unità: una nicotinammide-ribosio (in alto della figura; la nicotinamide è la vitamina PP) una adenina-ribosio (in basso della figura) collegate da un ponte difosfato (a sinistra). NADP si differenzia da NAD soltanto per un ulteriore gruppo fosfato che sostituisce un OH del ribosio
ENZIMI Proteine che hanno un importanza fondamentale nella regolazione delle reazioni chimiche metaboliche agendo come CATALIZZATORI aumentano la velocità della reazione senza prenderne parte cioè senza alterarne l equilibrio, senza entrare a far parte dei prodotti della reazione stessa e senza risultare alterate al termine del processo. Ogni via metabolica è regolata da enzimi specifici che possono essere attivati o inibiti determinando così la velocità delle reazioni.
nella catalisi enzimatica i reagenti sono chiamati substrati MECCANISMO Quando è avvenuta la reazione dei substrati i prodotti non si adattano più alla forma del sito attivo e se ne allontanano Gli enzimi sono molecole grandi ma l attività catalitica è svolta solo da una piccola parte : il sito attivo che ha una conformazione tale da consentire l acceso solo a determinate molecole SPECIFICITA
ENZIMI SEMPLICI solo proteina OLOENZIMI enzimi composti Parte chimica non amminoacidica di una proteina che gioca un ruolo cruciale nel suo funzionamento (es. gruppo eme dell emoglobina contenente l atomo di Fe che lega l O 2 ). APOENZIMA parte proteica COFATTORI gruppo prostetico COENZIMI molecole organiche IONI METALLICI Molte vitamine sono coenzimi o componenti di coenzimi (es.vit. B2 è precursore del FAD), esse agiscono come cofattori enzimatici risultando indispensabili per l innesco di molte reazioni metaboliche.
CLASSIFICAZIONE Vengono distinti in 6 classi fondamentali a seconda del tipo di reazione chimica catalizzata CLASSE Ossidoriduttasi Transferasi Idrolasi Liasi Isomerasi Ligasi FUNZIONE trasferimento di elettroni trasferimento di gruppi catalizzano le idrolisi rottura dei legami C-C; C-S; C-N isomerizzazione formazione dei legami covalenti come C-C; C- O; C-S
VIE METABOLICHE Sequenza di reazioni biochimiche controllate da enzimi e concatenate in modo tale che i prodotti di alcune reazioni fungono da reagenti per altre FOTOSINTESI GLICOLISI RESPIRAZIONE
glucosio
LA FOTOSINTESI
Classificazione metabolica degli organismi AUTOTROFI Producono le proprie sostanze alimentari a partire da sostanze inorganiche semplici ETEROTROFI Per il loro fabbisogno alimentare dipendono dai materiali organici sintetizzati dagli organismi autotrofi CATENA ALIMENTARE
Gli anelli o livelli della catena alimentare Energia entrante Energia uscente Piante Erbivori Carnivori predatori di erbivori Carnivori predatori di erbivori e carnivori AUTOTROFI ETEROTROFI
LA FOTOSINTESI Processo metabolico attraverso il quale gli organismi autotrofi producono glucosio a partire da anidride carbonica ed acqua utilizzando come fonte di energia la luce solare È il meccanismo fondamentale in grado di trasformare il carbonio inorganico, inutilizzabile dagli organismi eterotrofi in carbonio organico assimilabile.
La fotosintesi avviene all interno dei CLOROPLASTI ed è costituita da due fasi distinte Fase luminosa Avviene nei tilacoidi: la luce solare viene assorbita dalla clorofilla e serve a rompere le molecole d acqua e formare ATP e NADPH Fase oscura Gli enzimi presenti nello stroma utilizzano l anidride carbonica e l energia chimica contenuta nell ATP e nel NADPH per produrre glucosio: Ciclo di CALVIN (fissazione del carbonio) 1 2
FASE LUMINOSA
REAZIONE COMPLESSIVA CO 2 + H 2 O + hν GLUCOSIO + O 2 RISERVA ENERGETICA (amido) RESPIRAZIONE CELLULARE
AUTOTROFI fotosintesi + acqua + CO 2 O 2 + glucosio anabolismo Riserva energetica AMIDO RESPIRAZIONE CELLULARE GLICOLISI catabolismo Componenti strutturali CELLULOSA cibo ATP glucosio digestione ETEROTROFI Componenti strutturali anabolismo Riserva energetica GLICOGENO
LA GLICOLISI Insieme delle reazioni che demoliscono una molecola di glucosio (6C) fino a formare due molecole di acido piruvico (3C) Comprende 9 tappe ciascuna catalizzata da un enzima specifico Avviene nel citoplasma della cellula Non richiede ossigeno (processo anaerobico) antica reazione molto Resa netta 1 glucosio - 2 ATP 2 ac. piruvico + 2 ATP + 2 (NADH + H + )
- 2 ATP + 2 (NADH + H + ) + 2 ATP + 2 ATP
RESPIRAZIONE CELLULARE Continuazione di ciò che la glicolisi aveva iniziato Demolizione completa della molecola di ac. piruvico fino alla formazione di acqua e anidride carbonica al fine di ottenere altre molecole energetiche di ATP Avviene nei mitocondri Richiede la presenza di ossigeno Comprende 3 fasi: 1. Ossidazione del piruvato (trasformazione dell ac. piruvico in acetil-coa) 2. Ciclo di Krebs 3. Catena di trasporto degli elettroni
1. Trasformazione dell ac. piruvico in Acetil CoA (ossidazione del piruvato) Avviene nella matrice mitocondriale in presenza di O 2 Ciascuna delle due molecole di ac.piruvico (3C) viene ossidata ad acetile (2C) cui si lega temporaneamente un CoA con formazione di Acetil coenzima A e liberazione di 1 molecola di CO 2. Un NAD viene ridotto a NADH + H + Ac. piruvico + NAD + + CoA acetil CoA + NADH + H + + CO 2
2. Ciclo di Krebs Avviene nella matrice mitocondriale In presenza di O 2 Il CoA si stacca dall acetile (2C) per legarsi all ac. ossalacetico (4C) e formare un composto a 6C: ac. citrico che dà il nome al ciclo. L ac. citrico subisce una serie di ox. fino ad arrivare alla formazione di 2 molecole di CO2 e di nuovo una molecola di ac. ossalacetico che liberano l energia necessaria per la produzione (riduzione) di 3NADH,1FADH 2 e 1ATP. La molecola di glucosio è completamente ossidata e l ac. ossalacetico rientra nel ciclo che si ripete indefinitamente.
3. Catena di trasporto degli elettroni È formata da una serie di proteine integrali (citocromi) ordinate sulle membrane interne dei mitocondri. Gli elettroni e i protoni (ioni H + ) liberati nelle varie reazioni del Ciclo di Krebs vengono trasferiti da un trasportatore all altro lungo la membrana mitocondriale fino ad arrivare all O 2 col quale si combinano per formare H 2 O. Man mano che gli elettroni passano attraverso i complessi proteici transmembrana i protoni vengono pompati dalla matrice mitocondriale verso l esterno contro gradiente di concentrazione. Il pompaggio dei protoni crea una differenza di carica tra l interno che risulta essere più negativo (basico) e l esterno che invece è più positivo (acido). Questo sbilanciamento di carica genera una forza protono-motrice che fa diffondere i protoni all interno della matrice passando attraverso un canale protonico. L energia sviluppata da tale diffusione viene utilizzata per sintetizzare ATP da ADP e P i.
1. Gli e - dal NADH entrano nella catena di trasporto degli elettroni e vengono trasferiti da un citocromo all altro 3. Il flusso di ioni H + all esterno e lo sbilanciamento di carica creatosi a causa del pompaggio dei protoni vs l esterno fornisce l energia per la sintesi di ATP che viene accoppiata alla diffusione dei protoni nuovamente all interno attraverso un canale protonico esterno 2. L energia che si libera dall ossidazione del NADH serve a trasferire tramite trasporto attivo contro gradiente di concentrazione gli ioni H + all esterno matrice mitocondriale 4. Alla fine della catena respiratoria elettroni e protoni arrivano all O 2 col quale si combinano per formare H 2 O.
Rendimento complessivo Rendimento energetico complessivo della respirazione cellulare a partire da 1 molecola di glucosio è di 38 molecole di ATP 2 sono prodotte nella glicolisi 2 sono prodotte nel ciclo di Krebs 34 nel sistema di trasporto degli elettroni La respiazione può essere considerata come l inverso della fotosintesi Respirazione 1 glucosio + 6 O 2 6 CO 2 + 2 H 2 O + 38 ATP Fotosintesi 6 CO 2 + 2 H 2 O + ATP 1 glucosio + 6 O 2 r. esoergonica r. endoergonica
glicolisi respirazione 1 FADH 2 = 2 ATP 1 NADH = 3 ATP
Una parte delle 38 molecole di ATP prodotte dalla scissione di una molecola di glucosio vengono utilizzate dalle cellule per mantenere il ciclo stesso di demolizione, ma la maggior parte di esse viene utilizzata per tutte le reazioni necessarie alla cellula per vivere. La cellula si mantiene in uno stato di equilibrio coordinando, a seconda dello stato in cui si trova, le reazioni di demolizione delle sostanze nutritive fino ad eliminazione dei rifiuti (catabolismo), con quelle di costruzione di nuove molecole utili alle sue esigenze (anabolismo). L insieme di queste due funzioni viene definito: METABOLISMO CELLULARE
UTILIZZAZIONE DI OSSIGENO ORGANISMI AEROBI Capaci di usare l ossigeno per ossidare completamente le sostanze organiche ORGANISMI ANAEROBI Incapaci di usare l ossigeno per ossidare completamente le sostanze organiche Respirazione cellulare Glicolisi Fermentazioni
La condizione anaerobica può essere OBBLIGATA Legata all impossibilità di usare ossigeno e all assenza degli enzimi necessari alla respirazione cellulare FACOLTATIVA Entra in azione quando il livello di ossigeno nella cellula cala rispetto alle richieste metaboliche Gli organismi anaerobi debbono degradare l acido piruvico che si origina dalla glicolisi usando un sistema diverso dalla respirazione cellulare: la FERMENTAZIONE
LA FERMENTAZIONE Complesso di reazioni anaerobiche nel corso delle quali 1. l acido piruvico viene trasformato in sostanze caratteristiche. ACIDO LATTICO ETANOLO Fermentazione lattica Fermentazione alcolica 2. il NADH viene trasformato in NAD + in modo da essere riutilizzato durante la glicolisi
Fermentazione lattica acido piruvico + 2 NADH acido lattico + 2 NAD + Batteri del genere Lactobacillus utilizzati nell industria casearia per la produzione di yogurt Muscoli dopo un prolungato sforzo abbassamento del PH Fermentazione alcolica acido piruvico acetaldeide + CO 2 crampi per acetaldeide + 2 NADH alcool etilico + 2 NAD + Lieviti del genere Saccharomyces presenti sulla buccia dell uva e utilizzati nella produzione del vino. Fermentazione dell orzo birra Fermentazione degli zuccheri della farina pane
Glicolisi e respirazione cellulare GLUCOSIO GLUCOSIO Glicolisi e fermentazione PIRUVATO PIRUVATO OSSIDAZIONE DEL PIRUVATO FERMENTAZIONE O 2 presente O 2 assente CICLO DELL ACIDO CITRICO LATTATO O ALCOL CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI
glicolisi respirazione fermentazioni lipidi proteine Anche il metabolismo dei lipidi e delle proteine comporta la formazione di sostanze che possono essere utilizzate nel Ciclo di Krebs che può essere definito il punto di incontro dei vari metabolismi di glucidi, lipidi e proteine.
Catabolismo cellulare La demolizione enzimatica delle molecole complesse avviene in 3 fasi: FASE1: durante la digestione le grandi molecole complesse vengono degradate alle subunità che le costituiscono ( proteine in aminoacidi, zuccheri complessi in zuccheri semplici, lipidi in acidi grassi e glicerolo). Tale processo avviene fuori delle cellule per opera degli enzimi secreti. FASE2: le piccole molecole ottenute nel processo della digestione penetrano nella cellula e vengono ulteriormente degradate nel citoplasma(glicolisi) ad Acetil CoA con produzione di piccole quantità di ATP e NADH. FASE3: all interno dei mitocondri, le piccole molecole prodotte nella seconda fase sono completamente degradate ad CO 2 e H 2 O ad opera dell ossigeno attraverso il processo di RESPIRAZIONE che comprende 2 reazioni: il CICLO DI KREBS (o dell acido citrico o degli acidi tricarbossilici) e la CATENA RESPIRATORIA. In questa fase viene prodotta la maggior quantità di molecole di ATP.
CONCLUDENDO Il primo anello della catena alimentare comincia con gli organismi fotosintetici come produttori di cibo e porta agli animali come consumatori di cibo. Nella Fotosintesi, attuata dai primi, anidride carbonica e acqua si combinano a formare composti organici e ossigeno, utilizzati dai secondi. Nella Respirazione l ossigeno reagisce coi composti organici che vengono demoliti per ricavare energia vitale per gli organismi, con liberazione di anidride carbonica e acqua che possono essere reimpiegate nella fotosintesi. Il flusso di energia per la vita viene quindi dal sole, è assorbito nella fotosintesi, viene liberato dalla respirazione ed infine utilizzato per i processi vitali di tutti gli organismi viventi.