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Il nuovo Invito alla biologia.blu 13/11/11 H. Curtis, N. S. Barnes, A. Schnek, A. Massarini Il nuovo Invito alla biologia.blu 2 2 2

La bioenergetica Capitolo E2 3 13/11/11 3 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 3 3

Gli scambi energetici negli esseri viventi 13/11/11 Lezione 1 Gli scambi energetici negli esseri viventi 4 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 4 4

Energia ed esseri viventi 13/11/11 Energia ed esseri viventi Circa l’1% dell’energia che arriva dal Sole alla Terra alimenta i processi vitali degli autotrofi (che utilizzano l’energia solare per sintetizzare composti chimici liberando ossigeno). Gli organismi eterotrofi, invece, consumano ossigeno e molecole prodotte da autotrofi per ricavare energia liberando diossido di carbonio. L’energia si manifesta in diverse forme ma queste forme possono essere convertite una nell’altra attraverso dei dispositivi. Nelle cellule tale dispositivo sono le proteine. 5 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 5 5

Primo principio della termodinamica 13/11/11 Primo principio della termodinamica Termodinamica: scienza che studia le trasformazioni di energia. Primo principio: l’energia interna di un sistema termodinamico isolato non si crea né si distrugge, ma si trasforma, passando da una forma a un’altra. I sistemi biologici sono sistemi aperti ma, considerandoli assieme all’ambiente in cui si trovano, il saldo dell’energia è nullo, come in un sistema isolato. 6 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 6 6

13/11/11 L’entropia /1 I processi che si verificano in natura si svolgono in maniera spontanea in una sola direzione. Tali processi avvengono per rendere omogeneo un sistema, dissipando i gradienti di energia tra due estremi delle reazioni. Entropia: tale concetto si utilizza per dare una misura del disordine presente in un sistema fisico. 7 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 7 7

13/11/11 L’entropia /2 Il sistema 1 ha bisogno di un continuo apporto di energia da parte di chi l’ha costruito, altrimenti tende a crollare; al contrario, il sistema 2 è più disordinato e quindi non cambierà il suo stato di equilibrio. 8 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 8 8

Secondo principio della termodinamica 13/11/11 Secondo principio della termodinamica Secondo principio: il calore non può spontaneamente fluire da un corpo freddo a uno più caldo. In altre parole l’entropia tende ad aumentare nel tempo, finché non viene raggiunto l’equilibrio. I processi spontanei tendono a far aumentare l’entropia di un sistema e si fermano quando l’entropia è massima, ovvero quando il sistema ha raggiunto l’equilibrio. In tal caso i processi hanno compensato i gradienti che li hanno prodotti. 9 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 9 9

13/11/11 Gli enzimi /1 Le vie metaboliche comprendono una serie di reazioni intermedie (metabolismo intermedio), che portano alla trasformazione dei reagenti in prodotti finali. Gli enzimi permettono alle cellule di svolgere le reazioni in tempi brevi e in condizioni compatibili con la vita. 10 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 10 10

Gli enzimi /2 Gli enzimi influiscono su: 13/11/11 Gli enzimi /2 Gli enzimi influiscono su: velocità: accelerano le reazioni chimiche; rendimento: amministrano le risorse energetiche limitando al minimo gli sprechi di energia. 11 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 11 11

Le vie metaboliche Le vie metaboliche possono essere: 13/11/11 Le vie metaboliche Le vie metaboliche possono essere: anaboliche: sintesi dei componenti strutturali e funzionali con le quali la cellula costruisce sé stessa; cataboliche: degradazione di molecole complesse dalle quali si ottengono energia e altre molecole più semplici necessarie alla biosintesi. 12 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 12 12

Reazioni esoergoniche o endoergoniche 13/11/11 Reazioni esoergoniche o endoergoniche Reazioni esoergoniche: forniscono energia utile per svolgere le attività cellulari. Sono spontanee. Esempio: glicolisi, respirazione cellulare Reazioni endoergoniche: consumano energia libera. Non sono spontanee. Esempio: fotosintesi clorofilliana. Nelle cellule si verificano anche reazioni non spontanee che richiedono un apporto esterno di energia (grazie alla rottura dei legami dell’ATP che si converte in ADP). 13 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 13 13

Gli enzimi nel metabolismo cellulare 13/11/11 Lezione 2 Gli enzimi nel metabolismo cellulare 14 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 14 14

13/11/11 Catalizzatori Una reazione si innesca quando si raggiunge una certa soglia nell’energia di attivazione. Maggiori sono la temperatura e la concentrazione dei reagenti, maggiore sarà la quantità di reagenti che raggiunge il valore di energia di attivazione. Catalizzatori: sostanze che accelerano la velocità di una reazione senza modificare né la natura dei reagenti né quella dei prodotti. Un catalizzatore va ad agire sull’energia di attivazione di una reazione. 15 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 15 15

La funzione degli enzimi 13/11/11 La funzione degli enzimi Gli enzimi funzionano come catalizzatori inorganici: abbassano l’energia di attivazione delle reazioni attraverso la formazione di associazioni transitorie con i reagenti (substrati). Avvicinano le molecole che devono reagire e indeboliscono i legami chimici esistenti. Il sito attivo è il luogo fisico nel quale si inseriscono le molecole dei substrati e dove avvengono le reazioni. 16 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 16 16

L’adattamento indotto 13/11/11 L’adattamento indotto L’unione di enzima e substrato modifica la conformazione dell’enzima stesso (adattamento indotto). Quando substrato ed enzima si legano si forma il complesso enzima-substrato: sono legati. È in questa fase che avviene la catalisi. Ciclo catalitico dell’enzima: dopo aver partecipato a una reazione l’enzima è pronto a catalizzarne una nuova. 17 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 17 17

13/11/11 Coenzimi e cofattori L’attività catalitica di alcuni enzimi richiede la presenza di ulteriori sostanze: cofattori; coenzimi. 18 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 18 18

L’inibizione enzimatica 13/11/11 L’inibizione enzimatica La cellula può regolare l’attività degli enzimi con inibitori che riducono la velocità delle reazioni catalizzate dagli enzimi. Questa inibizione può essere: competitiva (reversibile); non competitiva (reversibile); irreversibile. 19 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 19 19

La regolazione allosterica 13/11/11 La regolazione allosterica La regolazione allosterica si verifica quando, legandosi in corrispondenza di un sito di regolazione, una molecola chiamata effettore induce l’enzima a cambiare forma. Tale cambiamento altera l’affinità del sito attivo per il substrato e influenza la velocità della reazione. 20 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 20 20

Vie metaboliche ed effetto allosterico 13/11/11 Vie metaboliche ed effetto allosterico Ogni via metabolica è costituita da una serie di reazioni, ciascuna catalizzata da un enzima diverso e porta a uno specifico prodotto intermedio. Tramite l’effetto allosterico è possibile fare in modo che il prodotto finale della via metabolica si comporti da inibitore per l’enzima che catalizza il passaggio obbligato (prima tappa della via metabolica). 21 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 21 21

13/11/11 La temperatura e il pH La velocità di una reazione aumenta all’aumentare della temperatura fino a una certa soglia. Ogni enzima raggiunge inoltre il massimo della sua attività a un determinato valore di pH. 22 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 22 22

Il ruolo dell’ATP Lezione 3 23 13/11/11 23 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 23 23

La struttura dell’ADP e dell’ATP 13/11/11 La struttura dell’ADP e dell’ATP Una molecola di ATP è formata dalla base azotata adenina, dallo zucchero aldoso a cinque atomi di carbonio ribosio e da tre gruppi fosfato. 24 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 24 24

13/11/11 Il ruolo dell’ATP /1 L’ATP può svolgere due importanti funzioni nelle cellule: agire da agente accoppiante tra le reazioni endoergoniche e quelle esoergoniche; essere usato per la fosforilazione dei composti. 25 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 25 25

13/11/11 Il ruolo dell’ATP /2 26 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 26 26