LE LEGGI FONDAMENTALI DEL METABOLISMO

ENERGIA E VITA

L'impiego di energia da parte delle cellule ubbidisce ai due principi della termodinamica.

Energia è la capacità di far avvenire certi fenomeni, cioè la capacità di compiere lavoro. La quantità totale di energia presente nell'universo è costante: nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma (1° principio della termodinamica)

L'energia è presente sotto varie forme e una forma si può trasformare in un'altra. Esistono però forme di energia nobili (energia meccanica) e meno nobili (energia termica). Il verso spontaneo del flusso di energia va dalle forme ad alta qualità a quelle a bassa qualità.

In ogni trasformazione di energia, una parte di energia va dispersa in modo casuale in una forma che non è utilizzabile per compiere lavoro: il calore. (2° principio della termodinamica)

La prima fonte di energia è il sole, che sta costantemente perdendo energia.

Durante le reazione metaboliche, le cellule perdono dell'energia, che in generale rimpiazzano con energia proveniente dalla luce solare

Nel mondo delle cellule le sostanze presenti alla fine di una reazione (prodotti di reazione) possono contenere più o meno energia di quella che era contenuta nelle sostanze di partenza (reagenti)

Le cellule mantengono costante un gran numero di vie metaboliche

ordinata serie di reazioni, il cui svolgimento è reso più rapido dall'azione di specifici enzimi

possono essere lineari o cicliche

le principali sono quelle di:

demolizione = carboidrati, lipidi e proteine vengono demoliti a poco a poco attraverso una sequenza di reazioni chimiche. L'energia che si libera viene:

utilizzata per lo svolgimento delle attività cellulari

immagazzinata ATP

persa sotto forma di calore

biosintesi = piccole molecole organiche sono unite assieme a formare lipidi, proteine ed altre macromolecole biologiche

Sono proteine

Sono costituiti da minoacidi

Sono prodotti da informazioni genetiche

Sono capaci di incrementare notevolmente la velocità con cui determinate reazioni procedono.

Le molecole degli enzimi non sono permanentemente alterate o consumate dalle reazioni, per cui possono essere utilizzate ripetutamente

I substrati sono i reagenti su cui un enzima esplica la propria azione

Hanno una combinazione specifica. Basta cambiare qualche elemento chimico (per esempio il pH) o la temperatura che non può più avvenire la reazione chimica

La maggior parte degli enzimi funziona in modo ottimale in condizione di neutralità (pH 7)

Le cellule riescono a regolare in modo ottimale il flusso dei nutrienti, dei prodotti di rifiuto e delle alte sostanze. Spesso la regolazione avviene variando il numero di molecole di enzima disponibili; ciò può essere fatto:

accelerando o rallentando la produzione dell'enzima

stimolando o inibendo l'attività delle molecole di enzima già presenti

Determinati inibitori possono legarsi agli enzimi e interferire con il loro funzionamento

Sono componenti non proteici

Aiutano gli enzimi a catalizzare la reazione

Fungono da agenti intermedi del trasferimento delle particelle

Tra i cofattori vi sono anche alcune molecole organiche, che si comportano da coenzimi. Due esempi sono il NAD⁺ e il NADP⁺. Essi trasportano protoni (H⁺) ed elettroni da un substrato all'altro

I trasportatori di energia sono composti che cedono facilmente energia ad altre molecole. Il principale trasportatore di energia è l'ATP.

Qualsiasi forma di energia che viene fornita alla cellula deve essere prima trasformata in ATP. Per esempio, l'energia solare non può essere utilizzata direttamente dalla cellula: deve essere trasformata in ATP. Lo stesso vale per l'energia chimica fornita dagli alimenti.

L'ATP trasferisce energia a tutte e da tutte le vie metaboliche

Una molecola di ATP è formata da una molecola di ADP + un gruppo fosfato.

Nel ciclo ATP/ADP, un apporto di energia permette a una molecola di ADP di legarsi a un gruppo fosfato per formare una molecola di ATP; a sua volta poi la molecola di ATP cede un gruppo fosfato e si trasforma di nuovo in una molecola di ADP.

La produzione dell'ATP è resa possibile da particolari catene di trasporto degli elettroni.

costituite da enzimi e cofattori, inseriti in determinate membrane cellulari.

una molecola dona elettroni e quella che segue li accetta.

ossidazione riduzione

A ogni passaggio lungo la catena si hanno contemporaneamente una ossidazione e una riduzione: reazione di ossido-riduzione

Si può avere anche un altro tipo di trasferimento di elettroni:

Un atomo assorbe abbastanza energia da far sì che uno o più dei suoi elettroni schizzino ad uno strato elettronico a maggior distanza dal nucleo.

Un elettrone così eccitato tende a tornare nello strato originario e nel far questo libera l'energia che aveva assorbito.

Certe catene di trasporto degli elettroni intercettando gli elettroni eccitati e sfruttano l'energia da essi liberata

In tutti gli esseri viventi, la cellula:

ha alla sua base composti organici, cioè composti che hanno un'ossatura di atomi di carbonio

le sue attività sono alimentate dall'energia chimica immagazzinata in molti di questi composti

Gli organismi autotrofi:

sono organismi autonutrienti

ricavano gli atomi di carbonio e l'energia dall'ambiente fisico

La loro fonte di atomi di carbonio è l'anidride carbonica (CO₂₎). Soltanto gli autotrofi fotosintetici possono ricavare energia dalla luce solare

Gli  organismi eterotrofi:

non sono capaci di produrre i propri alimenti; si nutrono di autotrofi, di altri eterotrofi o di prodotti di rifiuto organici

devono ricavare gli atomi di carbonio e l'energia da composti organici presintetizzati da organismi autotrofi.

1. gli atomi di carbonio e l'energia entrano nel mondo vivente fondamentalmente attraverso la fotosintesi.

formo zuccheri, cioè glucosio

2. Successivamente l'energia immagazzinata può essere resa disponibile attraverso alcune vie metaboliche che iniziano tutte con la glicolisi

sequenza di reazione di demolizione (smonto il glucosio)

3. La più importante reazione di demolizione che segue la glicolisi è la respirazione cellulare.

La fotosintesi consiste di due insiemi di reazioni:

1. reazioni della fase luminosa = viene assorbita energia della luce solare e convertita in energia chimica che viene trasferita all'ATP e al NADPH

2. reazioni della fase oscura = con l'aiuto dell'ATP e del NADPH vengono costruite le molecole di zucchero

Tra i prodotti finali c'è il glucosio

Nelle piante, la fotosintesi si svolge nei cloroplasti.

Ogni cloroplasto contiene un sistema di membrane (membrane tilacoidali)

ripiegate in modo da formare un complesso di canali appiattiti che collegano pile di sacchetti discoidali (grani)

il lume interno dei sacchetti discoidali (tilacoidi) e dei canali funge da scomparto in cui vengono accumulati gli ioni idrogeno

tutt'intorno vi è una regione del cloroplasto in cui si formano i prodotti della fotosintesi (stroma)

Si verificano fondamentalmente 3 eventi:

assorbimento di energia luminosa

trasferimento di elettroni e di atomi di idrogeno con formazione di ATP e di NADPH

reintegrazione degli elettroni nelle molecole che, all'inizio della sequenza di reazioni, li hanno ceduti

I pigmenti che catturano la luce

La membrana tilacoidale contiene dei pigmenti

molecole capaci di assorbire fotoni delle reazioni luminose

pacchetto di energia radiante

ciascun pigmento assorbe determinate lunghezze d'onda e riflette tutte le altre.

le foglie appaiono verdi perché contengono clorofilla

pigmento che assorbe lunghezze d'onda corrispondenti al blu e al rosso e riflettono quelle corrispondenti al verde.

I fotosistemi

I pigmenti dei cloroplasti sono organizzati in fotosistemi

ammassi di 200-300 molecole

hanno il compito di captare le luce solare.

Quando una di esse viene colpita da un fotone e ne assorbe l'energia, uno dei suoi elettroni viene eccitato e salta su un livello elettronico a energia maggiore

L'elettrone poi torna al livello di energia originario e, durante questo processo, l'energia in più che aveva acquisito viene liberata

Questa energia passa da una molecola di pigmento all'altra, finché arriva a una coppia di particolari molecole di clorofilla che funzionano da trappola di energia

L'energia così intrappolata provoca il trasferimento di un elettrone da una di queste molecola a una molecola accettrice

Gli elettroni espulsi da una molecola di clorofilla passano, a seconda dei casi, attraverso una o due catene di trasporto degli elettroni.

costituita da una serie di molecole, inserite nella membrana tilacoidale

L'energia che si libera, vicino alle catene di trasporto degli elettroni, viene utilizzata per attaccare un gruppo fosfato all'ADP per formare ATP.

fotofosforilazione

Il flusso ciclico di elettroni

Nel processo più semplice che porta alla formazione di ATP, gli elettroni percorrono un anello. Partono da una coppia speciale di molecole di clorofilla (P700) e ritornano al punto iniziale.

Il flusso non ciclico di elettroni

Per produrre ATP, le piante sfruttano però un processo non ciclico.

Gli elettroni non tornano al fotosistema che li ha ceduti, ma passano attraverso due catene di trasporto e confluiscono nelle molecole di NADPH.

Il flusso non ciclico di elettroni comincia dal fotosistema II, contenente particolari molecole di clorofilla (P680)

Quando il P680 assorbe energia luminosa, uno dei suoi elettroni viene eccitato e ceduto a una molecola accettrice.

da questa l'elettrone passa ad una catena di trasporto di elettroni e giunge alla coppia speciale di molecole di clorofilla del fotosistema I (P700)

Quando arriva al P700, l'elettrone si trova ad un livello di energia superiore rispetto a quello originario, perché non ha perso tutta l'energia

Quando il P700 assorbe energia luminosa, l'elettrone raggiunge un livello di energia ancora superiore.

L'elettrone è ora catturato da una molecola accettrice e passato a una seconda catena di trasporto.

Il secondo impulso di energia fa finire l'elettrone ancora più in alto. Qui rimane ancora energia sufficiente per permettere l'aggancio di due di questi elettroni e di uno ione di idrogeno a una molecola di NADP⁺, con la formazione di una molecola di NADPH

Nel frattempo, il P680, che cede gli elettroni all'inizio di tutto il percorso, li rimpiazza con elettroni strappati all'acqua.

L'ATP fornisce l'energia

Il NADPH fornisce gli atomi di idrogeno e gli elettroni necessari

L'aria fornisce gli atomi di carbonio e quelli di ossigeno

Le reazioni della fase oscura:

si svolgono nello stroma dei cloroplasti

si chiamano così perché il loro svolgimento non dipende direttamente dalla luce solare

L'ATP può essere prodotto anche grazie alla respirazione cellulare o alla fermentazione vie metaboliche mediante le quali viene liberata energia chimica dal glucosio.

Processo aerobico suddiviso in 3 stadi

Demolizione parziale del glucosio

Si svolge nel citoplasma

Richiede un apporto iniziale di energia (ATP)

Produce

2 molecole di ATP

2 molecole di NADH

2 molecole di piruvato

Il piruvato è trasformato in acetil-CoA

Il glucosio diventa anidride carbonica + acqua

Si produce

8 NADH

2FADH

2ATP

I coenzimi NADH e FADH cedono elettroni a una catena di trasporto (catena respiratoria) inserita nella membrana del mitocondrio.

Si ha la fosforilazione dell'ADP

Creato un gradiente di concentrazione H e un gradiente elettrico.

L'afflusso di H permette all'ADP di unirsi con un fosfato ATP

L'ossigeno funge da accettore degli elettroni

Si combina con ioni H acqua.

fermentazione lattica

fermentazione alcolica

hanno una resa di 2 ATP (glicolisi). Durante il processo viene rigenerato NAD+