METABOLISMO È l’insieme delle reazioni chimiche che avvengono nel corpo degli esseri viventi e che intercorrono tra l’introduzione di sostanze di origine chimica e l’eliminazione degli scarti. ENERGIA

ENERGIA = ATTIVITÀ, FORZA CAPACITÀ DI COMPIERE UN LAVORO SPOSTARE LA MATERIA ENERGIA CHIMICA Fondamentale per i viventi. È depositata nelle molecole sotto forma di legami chimici. È resa utilizzabile in decorrenza alla demolizione delle molecole. È resa disponibile per compiere lavoro.

USO DELL’ENERGIA L’uso dell’energia dipende: dalla capacità di trasformarsi in forme diverse dalla capacità di trasferirsi da un corpo all’altro Energia utile in uscita è MINORE a quella in entrata perdita sotto forma di CALORE – forma di energia non utilizzabile per compiere un lavoro

SISTEMI TERMODINAMICI SISTEMA ISOLATO non scambia né energia né materia SISTEMA CHIUSO scambia energia ma non materia SISTEMA APERTO scambia energia e materia

LEGGI FONDAMENTALI DELL’ENERGIA PRIMA LEGGE DELLA TERMODINAMICA Nulla si crea, nulla si distrugge tutto si trasforma SECONDA LEGGE DELLA TERMODINAMICA L’energia dell’universo si degrada in modo irreversibile tende a disperdersi sotto forma di calore e a degradarsi in maniera disorganizzata ENTROPIA

ENERGIA E I VIVENTI I viventi sono sistemi aperti molto organizzati a bassa entropia. Per il mantenimento della vita c’è la necessità di un continuo scambio e flusso di MATERIA ed ENERGIA.

Ingestione di molecole organiche ENERGIA E I VIVENTI I viventi utilizzano solo due forme di manifestazione dell’energia: Energia luminosa Organismi autotrofi fotosintesi Energia chimica Organismi eterotrofi Ingestione di molecole organiche

ENERGIA E I VIVENTI 2 TIPI DI REAZIONI Energia dei prodotti minore di quella dei reagenti Libera enegia spontaneamente Può produrre lavoro Es: respirazione cellulare ESOERGONICA Energia dei prodotti maggiore di quella dei reagenti Richiedono spesa di energia Esigono lavoro per poter avvenire Es. fotosintesi ENDOERGONICA

ATP = ADENOSINA TRIFOSFATO L’energia liberata dalle reazioni esoergoniche deve essere “intrappolata” dai viventi, affinché non si disperda in forma di calore. Viene perciò spesso trasferita ad uno speciale trasportatore di energia: l’ATP ATP = ADENOSINA TRIFOSFATO

ATP È il collegamento universale tra le reazioni eso e endoergoniche e funziona: fornendo energia ADP + P ATP richiedendo energia ATP ADP + P o ATP AMP + 2P

ATP e RISERVA ENERGETICA Il fabbisogno energetico di una cellula si esprime in 2 modi: Bisogno immediato – energia da spendere istantaneamente (uso di ATP). Deposito energetico – riserva energetica a lungo termine (uso di polimeri grandi come amido nelle piante e glicogeno negli animali).

ENERGIA DI ATTIVAZIONE È l’energia necessaria per innescare uma reazione È questa che determina l’effettivo svolgimento di una reazione e ne controlla la velocità In caso di assenza – cellula raggiunge entropia massima e muore In caso di presenza – cellula può fare avvenire le reazioni e può controllarla abbassandola (azione enzimatica).

Reazione esoergonica Energia di attivazione Energia reagenti Energia prodotti

Reazione endoergonica Energia di attivazione Energia prodotti Energia reagenti

REAZIONI DI INTERESSE BIOLOGICO OSSIDORIDUZIONI – REAZIONI REDOX Consistono nel trasferimento di elettroni isolati o di elettroni e ioni idrogeno (protoni) da un composto (DONATORE) ad un altro (ACCETTORE). OSSIDAZIONE – perdita di elettroni RIDUZIONE – guadagno di elettroni

REDOX Le ossidazioni e le riduzioni sono sempre abbinate perché gli elettroni non possono essere mai eliminati, ma solo trasferiti. Al passaggio degli elettroni coincide un passaggio di energia che non viene passata tutta in una volta, ma gradualmente attraverso reazioni intermedie che liberano ciascuna una piccola porzione di energia.

REDOX In tal senso si evita che l’energia liberata tutta insieme sotto forma di calore, innalzi la temperatura della cellula fino alla sua morte. Ciò è possibile grazie ai trasportatori di elettroni, che sono catene speciali di molecole, disposte in ordine che liberano energia gradativamente.

In laboratorio Nella cellula ENERGIE DI ATTIVAZIONE PICCOLE PER OPERA DEGLI ENZIMI ENERGIA DI ATTIVAZIONE GRANDE GLUCOSIO + O2 E GLUCOSIO + O2 E E Non viene immagazzinata nessuna energia ATP E E E CO2 + H20 E CO2 + H20

TRASPORTATORI DI ELETTRONI Esempi: NAD – nicotinnamide adenin nucleotide NADP – nicotinnamide adenin dinucleotide fosfato FAD – flavina adenin dinucleotide CITOCROMI – presenti nei mitocondri

CATALISI Le reazioni biochimiche nelle cellule sono quasi tutte ad alta energia di attivazione. Le cellule quindi ricorrono ai CATALIZZATORI, sostanze la cui funzione è quella di ABBASSARE L’ENERGIA DI ATTIVAZIONE, AUMENTANDONE LA VELOCITÀ. Le cellule usano catalizzatori organici che sono gli ENZIMI. Questo processo è denominato CATALISI.

FATTORI CHE INFLUENZANO L’ATTIVITÀ ENZIMATICA TEMPERATURA – aumento della temperatura porta all’aumento della velocità delle reazioni, ma oltre um certo grado può avvenire la denaturazione irreversibile delle proteine. pH – piccole variazioni sono sufficienti per ridurre l’attività enzimatica; variazioni grandi denaturano gli enzimi.

METABOLISMO ENERGETICO

COSTRUIRE, DEMOLIRE, RINNOVARE STORIA Inizi ‘800 – sviluppo della chimica organica 1937 – uso di isotopi radioattivi usati come traccianti per identificare le tappe del metabolismo intermedio Necessità cellulare: COSTRUIRE, DEMOLIRE, RINNOVARE

FUNZIONI DEL METABOLISMO Fornire energia per permettere alla cellula di svolgere le sue attività. Fornire materia per la costruzione di molecole specifiche. Assicurare il ricambio molecolare, permettendo alla cellula di regolare il suo ambiente interno e le sue attività.

METABOLISMO IN SINTESI Ingestione di macromolecole (proteine, glucidi e lipidi) L’apparato digerente riduce la macromolecole in molecole più piccole Le molecole piccole passano al citoplasma dove vengono ulteriormente demolite attraverso i processi di: Glicolisi – degradazione del glucosio Fermentazione (assenza di O2) ATP Respirazione cellulare (presenza di O2)

GLICOLISI Via metabolica antica già usata dai batteri 3,5 miliardi di anni fa. Si tratta del metabolismo dei glucidi e stadio di estrazione di energia dal glucosio. GLICOLISI = DEGRADAZIONE DEL GLUCOSIO

GLICOLISI A cosa serve: Fonte di energia Fonte di materia In anaerobiosi – 2 ATP In aerobiosi – 38 ATP Fonte di materia Precursore di molecole di interesse biologico (es. Pentosi - ribosio, desossiribosio)

GLICOLISI Origine del glucosio: Dove avviene: Alimentare – digestione dei polisaccaridi e disaccaridi Metabolica – prodotta dalle cellule del fegato Dove avviene: Nel citoplasma delle cellule e avviene CONTINUAMENTE (tessuti glucosio-dipendenti: globuli rossi e cervello).

GLICOLISI É una serie di reazioni, mediante le quali il glucosio viene trasformato in due molecole di un composto a tre atomi di carbonio, la gliceraldeide 3-fosfato o fosfogliceraldeide (PGAl), e successivamente in due molecole di piruvato. Nella prima serie di tappe, il glucosio viene trasformato in PGAl, previo utilizzo di due molecole di ATP. La tappa 3 è catalizzata dall'enzima fosfofruttochinasi. Questo meccanismo viene utilizzato dalle cellule per evitare di produrre ATP quando non serve

GLICOLISI

GLICOLISI

FERMENTAZIONE Processo mediante il quale organismi ricavano energia chimica dalla demolizione parziale del glucosio in assenza di ossigeno molecolare (anaerobiosi)

FERMENTAZIONE LATTICA ALCOLICA Formazione di Acido lattico – sensazione di affaticamento da parte dei muscoli Casi di acidosi metabolica – insufficienza epatica o cardiaca, ustioni, leucemie ALCOLICA Formazione di alcol etilico Bibite alcoliche – es: Saccaromyces cervisiae Panifici – lieviti – liberazione di CO2 Formazione dell’acido acetico

FERMENTAZIONE Funzione nell’uomo: Dove avviene: Permette ai muscoli di lavorare quando l’apporto di O2 è insufficiente Permette ai globuli rossi di ricavare energia giacché sono sprovvisti di mitocondri Dove avviene: Nel citoplasma cellulare

FERMENTAZIONE

RESPIRAZIONE CELLULARE Permette di estrarre dal glucosio la maggior quantità di ATP in presenza di Ossigeno. Avviene nei mitocondri.

RESPIRAZIONE CELLULARE

RESPIRAZIONE CELLULARE In presenza di ossigeno: l’acido piruvico entra nel mitocondrio e si pone nella matrice mitocondriale e qui grazie agli enzimi perde il gruppo O2 Ac. Piruvico perde: CO2 – decabossilazione H - deidrogenazione Ac.piruvico

RESPIRAZIONE CELLULARE Il gruppo acetile si attacca alla grande molecola di coenzima A (COA), quindi si ottiene l’acetil coenzima A Gruppo acetile

RESPIRAZIONE CELLULARE Chi permette questa reazione è un’enzima chiamata piruvato-deidrogenasi (complesso proteico grande attivato da vitamine del complesso B di cui la tiamina - vitamina B1 – è particolarmente importante

RESPIRAZIONE CELLULARE L’acetil-CoA è molto importante perché è il punto di convergenza del metabolismo dei glucidi, dei lipidi e delle proteine. Questo acetil-CoA entra nella matrice mitocondriale, in un ciclo di reazione che si chiama ciclo di Krebs.

RESPIRAZIONE CELLULARE Il Ciclo di Krebs è una sequenza di reazioni cicliche che ha come finalità ossidare completamente l’acetil-CoA a CO2, prodotto di rifiuto della cellula. Sir Hans Adolf Krebs, vincitore del premio Nobel per la medicina nel 1953.

RESPIRAZIONE CELLULARE Il ciclo di Krebs è una sorgente di energia che si libera dalla rottura dei legami che si uniscono agli atomi di carbonio. Ad ogni giro l’energia viene immagazzinata in 1 ATP, 3 di NADH e 1 di FADH2. Per ossidare una molecola di glucosio sono necessari quindi 2 giri del ciclo di Krebs.

RESPIRAZIONE CELLULARE

RESPIRAZIONE CELLULARE Il ciclo di Krebs è sempre seguito dalla fosforilazione ossidativa, una catena di trasporto di elettroni. Questa respirazione cellulare estrae energia da NADH e FADH2, ricreando NAD+ e FAD, permettendo in tal modo al Ciclo di continuare.

RESPIRAZIONE CELLULARE Catena respiratoria o catena di trasporto degli elettroni: - Il NADH (proveniente dalla glicolisi, dall’ossidazione del piruvato in acetil-CoA e dal ciclo di Krebs) ha immagazzinato energia che per poter essere usata dalla cellula, deve essere convertita in ATP.

RESPIRAZIONE CELLULARE

ENERGIA PRODOTTA Risultato in termini di ATP: 10 molecole da piruvato e acetil CoA 24 molecole da intermedi nel ciclo di Krebs

SALDO DI ATP

TOTALE Totale (glicolisi + krebs + STE) = Numero di ATP derivanti dalla glicolisi (respirazione anaerobia) = 2 Numero di ATP derivanti dal ciclo di Krebs e dal sistema di trasporto di elettroni = 34 Totale (glicolisi + krebs + STE) = 36 molecole ATP in presenza di ossigeno

L’energia che si ricava dalla completa demolizione di una molecola di glucosio attraverso i tre diversi stadi della respirazione cellulare: glicolisi --> Ciclo di Krebs --> catena di trasporto di elettroni, è approssivamente di 38 molecole di ATP.