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BIOENERGETICA

branca della biochimica che si occupa di trasferimento e

utilizzazione di E

Si applicano le leggi della termodinamica

I, II e III legge della termodinamica

Negli organismi viventi l’ordine è conservato prelevando

E dall’ambiente (nutrienti o luce solare) e restituendo E

all’ambiente (calore ed entropia)

G’= G°’+ RTln [prodotti]/[reagenti]

Tendenza a spostarsi verso l’equilibrio forza

trainante la reazione

Le energie libere di reazioni in successione sono

additive

L’E prodotta da processi esoergonici fornisce la forza

termodinamica per alimentare quelli endoergonici.

Le reazioni biochimiche

accoppiate

sono catalizzate da

enzimi

In tutti gli organismi le sostanze vengono prodotte in una serie di reazioni biochimiche rigorosamente coordinate.

L’idrolisi di ATP è accompagnata da grande

variazione di energia libera standard (di segno

negativo). La scissione del legame fosfoanidridico

provoca:

• l’allontanamento di uno dei tre gruppi fosforici

dell’ATP, carico negativamente, rimuovendo dalla

molecola alcune delle repulsioni elettrostatiche

•Stabilizzazione del gruppo fosfato da alcune forme

di risonanza non possibili quando il gruppo è inserito

nella molecola dell’ATP

• ionizzazione della restante parte della molecola

con rilascio di uno ione H

in un mezzo in cui la

concentrazione di ioni H

è molto bassa (situazione

I processi vitali che richiedono energia sono alimentati dall’idrolisi di molecole di ATP

Il flusso di E coinvolge la molecola di ATP e la maggior parte di reazioni prevede il trasferimento di un gruppo Pi da ATP ad un’altra sostanza o da una molecola ad alto contenuto di E ad ADP per dare ATP, molecola che collega catabolismo ad anabolismo immagazzinando E da ossidazione dei nutrienti o luce solare e donandola per:

• sintesi di metaboliti,

•trasporto transmembrana •movimento meccanico.

ATP molecola più versatile perché presente in tutte le cellule a concentrazioni elevate e con enzimi utili per i vari processi.

Gli enzimi che catalizzano il trasferimento di Pi si chiamano

Nel ciclo ATP/ADP, un apporto di energia permette a

una molecola di ADP (adenosindifosfato) di legarsi a

un gruppo fosfato (uno ione fosfato inorganico PO

3-indicato con Pi) formando una molecola di ATP; a sua

volta, poi, la molecola di ATP cede un gruppo fosfato e

si trasforma nuovamente in una molecola di ADP.

Il processo per cui un gruppo fosfato viene aggiunto a

una molecola è detto fosforilazione.

Quando una molecola viene fosforilata dall’ATP

generalmente il suo contenuto di energia aumenta,

sicché la molecola viene attivata e messa in grado di

partecipare a una determinata reazione.

Molecole con potenziale di trasferimento di Pi maggiore di ATP trasferiscono Pi ad ADP, quelle con potenziale di

Le reazioni di ossidoriduzione in biochimica

Nei sistemi biologici gli elettroni vengono trasferiti da una molecola (donatore) ad un’altra (accettore) in quattro modi diversi.

1. Sono trasferiti direttamente come elettroni Es. la coppia redox Fe2+/Fe3+ può trasferire un elettrone alla coppia Cu+/ Cu2+: Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

2. Gli elettroni possono essere trasferiti sotto forma di atomi di idrogeno (H+ + e-)

AH₂  A + 2e- + 2H+

AH₂ agisce come donatore di atomi di H AH₂ e A costituiscono una coppia redox coniugata che può ridurre un altro composto B (o coppia redox B/BH₂) mediante trasferimento di H (H+ + e-)

AH₂ + B  A + BH₂

3. Gli elettroni possono essere trasferiti da un donatore ad un accettore di elettroni sotto forma di ione idruro H- Es. deidrogenasi NAD-dipendenti

4. Il trasferimento di elettroni può avvenire per combinazione diretta di un riducente organico con l’ossigeno per formare un prodotto in cui l’ossigeno è legato covalentemente Es. ossidazione di un idrocarburo ad alcol

R-CH₃ + 1/2O₂  R-CH₂-OH

Trasferimento di e

di cruciale importanza

nelle reazioni metaboliche

Flusso di e

nelle reazioni redox

responsabile di tutto il lavoro prodotto dagli

organismi viventi

Gli e

passano da intermedi metabolici a

trasportatori specializzati in reazioni

catalizzate da enzimi, che a loro volta li

danno ad accettori ad alta affinità per gli

elettroni con rilascio di E (conversione del

flusso elettronico in lavoro utile).

Trasferiscono 2 e- _{e 2 H}+

NADH prodotto nelle reazioni cataboliche

NADPH usato nelle reazioni

anaboliche, si spostano entrambi rapidamente da un enzima all’altro

Nucleotidi flavinici sono spesso saldamente legati agli enzimi (flavoproteine)

Chinoni solubili nei lipidi trasportano e- nelle

Citocromi= proteine legate saldamente a gruppi prostetici, alcuni

solubili altri legati alle membrane. L’EME è legato fortemente ma non covalentemente nei citocromi a e b alle proteine, quello c

Fe-S proteine Un atomo di Fe

I trasportatori di elettroni sono disposti in ordine di potenziale dei riduzione crescente, poiché gli e- _{tendono a fluire da}

Le diverse serie di reazioni catalizzate da enzimi costituiscono le

VIE METABOLICHE

Ogni tappa di una via metabolica produce una modificazione chimica specifica di uno specifico atomo o gruppo funzionale. In una data via metabolica una molecola di PRECURSORE

viene convertita in un PRODOTTO attraverso una serie di INTERMEDI chiamati METABOLITI

Tutti i processi biosintetici (ANABOLICI). Partendo da molecole semplici ed ossidate (CO₂, H₂O, N₂) si ottengono

biomolecole complesse. Sono PROCESSI RIDUTTIVI. Reazioni di degradazione (CATABOLICHE). Partendo da

molecole complesse (carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici) si ottengono CO₂, H₂O e, nell’uomo, UREA. Sono