BIOENERGETICA BIOENERGETICA
Studio delle variazioni di energia che accompagnano le reazioni biochimiche (Termodinamica)
Sistemi viventi = isotermici
utilizzano energia chimica per attivare i processi vitali
Reazioni spontanee e non Reazioni spontanee e non
∆ G > 0 processo ENDOERGONICO
∆ G < 0 processo ESOERGONICO
Per la reazione A + B
ÅÆ C + D∆G = ∆Go' + RT ln
[C] [D]
[A] [B]
∆ G
o' di una reazione può essere positivo anche quando ∆ G è negative
(dipendenza dalle concentrazioni cellulari di reagenti e prodotti).Molte reazioni il cui ∆Go‘>0 possono, all’interno delle nostre cellule, essere momentaneamente spontanee (∆G<0) perchè altre reazioni causano una deplezione dei prodotti oppure
mantengono elevate le concentrazioni dei reagenti.
Per la reazioneA + B
ÅÆ C + D∆G = ∆Gº' + RT ln
[A] [B]
[C] [D]
Reazioni spontanee e non
Reazioni spontanee e non
Reazioni endoergoniche Reazioni endoergoniche
• • Reazioni chimiche che richiedono una Reazioni chimiche immissione netta di energia. energia
• • Esempio: Esempio:
1. Fotosintesi 1. Fotosintesi
6CO
2+ 6H
2O → C
6H
12O
6+ 6O
2Sole fotoni
fotoni
Luce Energia
(glucosio) (glucosio)
Reazioni Esoergoniche Reazioni Esoergoniche
• • Reazioni chimiche che rilasciano Reazioni chimiche energia
energia.
• • Esempio: Esempio:
1. 1. Respirazione Cellulare Respirazione Cellulare
C
6H
12O
6+ 6O
2→ 6CO
2+ 6H
2O + ATP
(glucosio) (glucosio)
Energia Energia
Metabolismo Cellulare Metabolismo Cellulare
• La somma totale somma totale delle attività attività chimiche di tutte chimiche le cellule. cellule
• Reazioni Endoergoniche Endoergoniche e Esoergoniche Esoergoniche
• • 2 Esempi: 2 Esempi:
1. 1. Processi Anabolici Processi Anabolici
2. 2. Processi Catabolici Processi Catabolici
Processi Anabolici Processi Anabolici
• • Reazioni metaboliche Reazioni metaboliche che consumano energia consumano energia (endoergoniche)
(endoergoniche) per costruire costruire molecole
complesse a partire da molecole più semplici.
• • Esempio: Esempio:
1. 1. Fotosintesi Fotosintesi
6CO
2+ 6H
2O → C
6H
12O
6+ 6O
2Sole luceluce
(glucosio) (glucosio)
Processi Catabolici Processi Catabolici
• • Reazioni metaboliche che Reazioni metaboliche rilasciano energia rilasciano energia (esoergoniche)
(esoergoniche) attraverso la demolizione la demolizione di molecole complesse in composti più semplici.
• • Esempio: Esempio:
1. 1. Respirazione Cellulare Respirazione Cellulare
C
6H
12O
6+ 6O
2→ 6CO
2+ 6H
2O +
(glucosio) (glucosio)
ATP
energia
I processi vitali (sintesi, contrazione muscolare,
trasmissione impulsi nervosi, etc) ottengono l'energia necessaria attraverso l'unione, o accoppiamento, con reazioni di ossidazione
Accoppiamento
Accoppiamento
Meccanismi di accoppiamento
.Meccanismi di accoppiamento : :
A) INTERMEDIO COMUNE
B) Sintesi di un composto ad alto POTENZIALE ENERGETICO
A) INTERMEDIO COMUNE A+C I B +D
consente controllo della velocità dei processi ossidativi
A. A. Intermedio Intermedio comune: un esempio comune: un esempio
A + ATP
↔B + AMP + PP
i∆ G
o' = + 15 kJ/mol PP
i+ H
2O
↔2 P
i∆ G
o' = – 33 kJ/mol
A + ATP + H
2O
↔B + AMP + 2 P
i∆ G
o' = – 18 kJ/mol Pirofosfato (PP
i) il prodotto di una reazione che
necessita di una “spinta” esterna
La sua idolisi, catalizzata dall’enzima Pirofosfatasi,
spinge la reazione da cui deriva PP
istesso.
Meccanismi di accoppiamento:
Meccanismi di accoppiamento:
B) Sintesi di un composto ad alto POTENZIALE ENERGETICO
ATP = ADENOSINA TRIFOSFATO
E’ il principale intermedio ad alto contenuto energetico nelle cellule viventi
ribosio ribosio adenina
adenina
P P P
gruppo fosfato gruppo fosfato
1. 1. adenina: adenina: base azotata base azotata 2. 2. ribosio: ribosio: pentoso pentoso
3. 3. gruppo fosfato : catena di tre gruppo fosfato : catena di tre Componenti:
Componenti:
Composto ad Composto ad
ALTO POTENZIALE ENERGETICO
ALTO POTENZIALE ENERGETICO
Il valore intermedio di energia libera dell'idrolisi
dell'ATP, rispetto a quello di altri fosfati organici, ha un significato importante.
Composti ad Composti ad
ALTO POTENZIALE ENERGETICO
ALTO POTENZIALE ENERGETICO
L’ATP permette
l'accoppiamento di reazioni
termodinamicamente
sfavorevoli con altre
termodinamicamente
possibili.
L’ATP è un
L’ATP è un DONATORE IMMEDIATO DONATORE IMMEDIATO DI DI ENERGIA LIBERA
ENERGIA LIBERA
MOVIMENTO
TRASPORTO ATTIVO BIOSINTESI
ATP ADP
FOTOSINTESI o
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
ESEMPIO ESEMPIO
P
i+ glucosio ↔ glucosio-6-P + H
2O
∆ G
o' = +14 kJ/mol ATP + H
2O ↔ ADP + P
i∆ G
o' = − 31 kJ/mol Reazione accoppiata:
ATP + glucosio ↔ ADP + glucosio-6-P
∆ G
o' = -17 kJ/mol !!
L’ATP è un
L’ATP è un DONATORE IMMEDIATO DONATORE IMMEDIATO DI DI ENERGIA LIBERA
ENERGIA LIBERA
In condizioni normali, una molecola di ATP è consumata circa 1 minuto dopo la sua sintesi Æ TURNOVER dell’ATP è molto rapido
A riposo, consumati 40 Kg in 24 ore Sotto sforzo, anche 0,5 kg/minuto
Produzione di ATP
Produzione di ATP
Produzione di ATP Produzione di ATP
• Fase I : scissione macromolecole in piccole unità
• Fase II: ulterire trasformazione in poche unità semplici (acetil CoA)
• Fase IIIa Ciclo dell’acido citrico
• Fase IIIb Fosforilazione ossidativa
• Fase I-II-IIIa: OSSIDAZIONE progressiva di macromolecole e contemporanea riduzione di molecole che fungono da
“trasportatori” di elettroni (e idrogeno).
Fosforilazione di substrato.
NAD e FAD
• Fase IIIb: trasferimento degli elettroni (riduzione) sull’ossigeno e produzione di ATP. (Fosforilazione ossidativa)
Regolazione della produzione di Regolazione della produzione di
ATP: la CARICA
ATP: la CARICA ENERGETICA ENERGETICA
[ATP] + ½ [ADP]
0 < < 1
[ATP] + [ADP] + [AMP]
Velocità
Produzione Di ATP
Consumo di ATP
Carica energetica
0 0.25 0.5 0.75 1
