6-caporossi 14-15 metabolismo energetico ed organelli cellulari

7/23/2019 6-Caporossi 14-15 Metabolismo Energetico Ed Organelli Cellulari

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METABOLISMOENERGETICO NEI SISTEMIBIOLOGICI

- ORGANELLI ENERGETICI

MATERIA = forma di Energia (e = mc 2 )

Energia capacità di compiere lavoro.

Si presenta in forme diverse,trasformabili le une nelle altre:

meccanica (cinetica, potenziale)

termica

luminosa

chimica

L’energia

Leggi della Termodinamica

1°: Conservazione All’interno di un sistema chiusol’energia/materia complessiva è costante(l’energia/materia non si crea e non sidistrugge, ma si trasforma)

2°: Entropia In assenza di apporto energetico dall’esterno,qualsiasi sistema decade verso il massimodisordine (disordine = Entropia). In ognitrasformazione, parte dell’energia si disperdesotto forma di calore (moto molecolare) e non èpiù utilizzabile, traducendosi in un aumento dientropia. L’entropia è nulla a 0ºK = - 2 7 3ºC(assenza di moto molecolare)



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I sistemi tendono verso la massima Entropia(minore energia del sistema)

O2 H2 O2 + H2

O2 + H2 H2O

I sistemi tendono verso la massima Entropia(minore energia del sistema)

I sistemi biologici contrastano la tendenza a decadere(CO2 + H2O) mediante una continua assunzione di

energia e una max economia d’impiego

I sistemi biologici e l’energia

“Ciò che sospinge la vita… è una piccola correnteelettrica mantenuta dalla luce solare”

(Albert Szent Gyorgyi)

Energia luminosa Energia elettrica Energia chimica

Fotosintesi

Respirazione

6CO2 + 6H2O + energia C6 H12O6 + 6O2

(Passaggio di elettroni)



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Energia totale di un sistema = Entalpia (H)

Energia libera (G) = energia disponibile

per compiere un lavoro

Entropia (S) = energia non disponibile,

disordine

Entalpia (H)

Energia libera (G) = Entalpia (H) - Entropia (S) x temp.ass. (T)

G = H - TS

∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H - T∆∆∆∆ SQuesta equazione definisce la variazione tra l’energia

libera dei prodotti e quella dei reagenti

Le reazioni chimiche comportano cambiamenti di Energialibera G

Reagenti Prodotti

Ciò significa che l’energia libera delle molecole di reagentiprima della reazione è diversa dalla energia libera dellemolecole di prodotti.

Chiameremo questa differenza di energia libera: ∆∆∆∆G

∆∆∆∆G = G Prodotti– G Reagenti

L’energia libera nelle reazioni chimiche

∆∆∆∆G = G Prodotti– G Reagenti

La variazione di energia libera ∆∆∆∆G di una reazione può essere:

Negativa: se la G dei prodotti è minore di quella dei reagenti.La reazione sarà spontanea e libererà energia = reazione esoergonica

Esoergoniche sono tutte le reazioni di demolizione di molecolecomplesse

Positiva: se la G dei prodotti è maggiore di quella dei reagenti.La reazione non sarà spontanea e richiederà energia = reazioneendoergonica.

Endoergoniche sono tutte le reazioni di sintesi di molecole complesse

Reazioni esoergoniche ed endoergoniche

6CO2 + 6H2O + energiaC6 H12O6 + 6O2

6CO2 + 6H2O + energia C6 H12O6 + 6O2



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Reazioni accoppiate

Per far avvenire le reazioni endoergoniche la cellula sfruttal’energia liberata dalle reazioni esoergoniche

A B = ∆∆∆∆G + 5 kcal/mole (endoergonica)

C D = ∆∆∆∆G - 8 kcal/mole (esoergonica)

Totale = ∆∆∆∆G - 3 kcal/mole

Quindi nel complesso la variazione di energia è esoergonica ele due reazioni possono avvenire in quanto le 5 kcal

necessarie per la prima (endoergonica) sono fornite dalla

seconda (esoergonica).

Il tramite energetico tra reazioni esoergoniche edendoergoniche è l’ATP (Adenosina Trifosfato)

1. Sequenze di reazioni (tappe)

2. Ogni tappa è catalizzata da un enzima specifico

3. ATP come trasportatore di energia4. NAD, NADP e FAD, come trasportatori di energia ed elettroni

METABOLISMO

CATABOLISMO

Degradazione

R. EsoergonicheSi libera energia che vieneimmagazzinata sottoforma di

ADP ATP

ANABOLISMOSintesi

R. EndoergonicheL’energia necessaria viene fornita

dalla reazione

ATP ADP

L’ATP, moneta

energetica dei sistemiviventi, è composto

da adenina, ribosio e3 gruppi fosfato. I

legami che legano idue gruppi fosfatoterminali dell’ATP,

detti legami fosfato,sono facilmente

idrolizzabili, ed hannoalta potenzialità ditrasferire il gruppofosfato insieme a

parte dell’energia dellegame



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L’ATP trasferisce energia trasferendo ungruppo fosfato ad un reagente. La

sequenza di reazione è catalizzata dauno o più enzimi specifici.

Reagente

Prodotto

LE CELLULE HANNO A DISPOSIZIONE DIFFERENTIMOLECOLE “ENERGETICHE”

Trasferimento di Energia tramite

Trasferimento di Elettroni

XH2 + A+→ X + AH +H+

Ossidato Ridotto

Trasportatori di elettroni ( e protoni ):

NAD

NADP

FAD



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NADnicotinammide-adenin-dinucleotide

Coenzima, trasportatoredi elettroni ed energiache interviene nelle

reazioni diossidoriduzione

nicotinamide-adenin-dinucleotide, prelevaatomi H ed energia libera dai composti chevengono ossidati e li cede ai composti che

vengono ridotti, riducendosi e ossidandosi diconseguenza:

NAD+ + 2H NADH + H+

(NAD oss.) (NAD rid.)

oss.

rid.

NAD

∆∆∆∆G = - 52,4 kcal

Catena

respiratoria

3 ATP = 24,3 kcal

(resa = 47%)

Altro coenzimatrasportatore dielettroni ad alta

energia

FAD + 2H = FADH2

FAD

flavin-adenin-dinucleotide



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Le cellule regolano le reazioni chimicheper mezzo di enzimi, catalizzatori proteici

in grado di influenzare la velocità di unareazione chimica senza entrare a far partedella reazione chimica stessa

Gli enzimi hanno la funzione diabbassare l’energia di attivazionenecessaria per avviare una reazionechimica

Efficienza operativa - Enzimi

GLI ENZIMI

Stato

intermedioEnergia

di attivazione

della reazione

non catalizzata

Energia

di attivazione

della reazione

catalizzata

Stato iniziale Variazione

di energia

totale della

reazione

Stato finale

E n e r g i

a p o t e n z i a l e

Andamento della reazione

ORGANELLI ENERGETICI



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La membrana interna rappresenta labarriera primaria interposta tra glienzimi mitocondriali e il citosol

Le creste contengono le molecolechiave per la generazione di ATP inpresenza di O2

La matrice corrisponde allo spazio racchiuso dallamembrana interna; esso contiene molti degli enzimicoinvolti nel Ciclo di Krebs, trasportatori di elettroni,oltre a ribosomi e a DNA

I mitocondriconvertono

l’energiaricavata dal

catabolismodelle molecolein ATP.

MatriceCreste

Membranainterna

Membranaesterna

M I T O C O N D

R I O



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Il pigmento verde, la clorofilla,capta l’energia luminosa

I tilacoidi sono i siti a livellodei quali l’energia luminosaviene captata e convertita inATP

Alivello dello stromal’ATP converte il biossidodi carbonio in glucosio

Stroma

Tilacoide

Granum(pila ditilacoidi)

Membrana doppia

Membranainterna

Membranaesterna

IL CLOROPLASTO

RESPIRAZIONE CELLULARE

Mitocondri

(in tutte le cellule eucariote)

FOTOSINTESI

Cloroplasti

(in alcune piante e alghe)

Respirazione cellulare & Fotosintesi

Fotosintesi & Respirazione Coesistono

negli Organismi Autotrofi



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C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 686 kcal

1. Glicolisi = Fermentazione nel citoplasma, in assenza di O2

ciclo di Krebs2. Respirazione

trasporto elettroni

nei mitocondri con consumo di O2

METABOLISMO ENERGETICO:PRODUZIONE DI ATP PER SOSTENERE TUTTE LE

ATTIVITA’ CELLULARI

GLICOLISI - RESPIRAZIONE

GLICOLISI

C on s um o d i 2 A T P

P r o d uz i on e d i 4 A T P



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CH3

C = OO

CO- H+

Acetil CoA

C H3

C=O

CoA

NAD+ H →→→→ NADH

GLICOLISI

Formazione dell’Acetil Coenzima A

Acido piruvico

CO2

Acetil coA

Ossalacetato

Malato

Fumarato

Succinato

Succinil-coA

Alfa Chetoglutarato

Isocitrato

Cis

Aconitato

Citrato

Il ciclo

dell’acido

citrico



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Il trasporto degli elettroni

Ciclo

di Krebs

Energia

FMN

CoQ

Cit.

bCit.

c

Cit.

a

Cit.

aH2

O1/2 O2

Alla fine gli elettroni sono

accettati dall’ossigeno, che

si combina coi protoni (ioni

idrogeno) in soluzione per

formare acqua.

1 molecola di NADH (rid) cede

elettroni che liberano energia

sufficiente a produrre 3 ATP

1 molecola di FADH2 (rid) cedeelettroni che liberano energia

sufficiente a produrre 2 ATP

La catena di trasporto degli elettroni

La produzionedi ATP si basasulla creazionedi un gradiente

di protoni(Chemiosmosi)



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GlicolisiFormazione

dell’Acetil co A

Ciclo

dell’acido

citrico

Trasporto degli

elettroni

e la chemiosmosiGlucosio

Acido piruvicoAcetil

co A

Ciclo

dell’acido

CitricoTrasporto

degli elettroni

Fasi della respirazione cellularee produzione di ATP

Confronto condizioni

anaerobiche - aerobiche

Glicolisi anaerobica Glic.+ Respiraz.

Energia libera di reazione 47,3 kcal 686 kcal

ATP Sintetizzato 2 38-36

Energia libera immagazzinata 16,2 kcal 308 kcal

Resa 34% 45%

PROTEINE CARBOIDRATI GRASSI

Aminoacidi Glicerolo Acidi

grassi

Acido ossalacetico

Acido chetoglutarico

Acido citrico

NH3

Urea

Escrezione con

le urine

DeaminazioneNon avviene

per gli

aminoacidi

essenziali

Chetoacidi

B-ossidazione



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I mitocondri sono organelli semi-autonomi originati daancestrali procarioti aerobi

•Reazioni alla luce

•Reazioni al buio (Ciclo di Calvin)

6CO2 + 6H2O 18 ATP + 12NADPH + 6O2C6H12O6

Energialuminosa

METABOLISMO ENERGETICO:PRODUZIONE DI ATP PER GARANTIRE LA SINTESI DI

SUBSTRATI ENERGETICI→ GLUCOSIO

FOTOSINTESI

6CO2 + 6H2O + 686 kcal + 6O2C6H12O6

Cloroplasti e pigmenti

I pigmenti sono sostanze che assorbono la luce alunghezza d’onda varie); tra questi vi è la clorofilla che

assorbe rosso -violetto - blu e riflette il verde

• Assorbimento luce

• Eccitamento degli elettroni conconseguente salto di livello



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Reazioni alla luce

Gli elettroni della clorofilla sono spinti alivelli energetici superiori e catturati in un

sistema di trasporto nel quale cedonoenergia, determinano la formazione diun gradiente di H+, sintesi di ATP e

formazione di NADPH.

Reazioni alla luce

LA FOTOSINTESI



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Reazioni al buio (Ciclo di Calvin)

L’energia incorporata in ATP e NADPrid.viene usata per incorporare C (da CO2 )

in glucosio

Fotosintesi-4

6CO2 + 6H2O + 18 ATP + 12NADPH + 6O2C6H12O6

Reazioni al buio (Ciclo di Calvin)

LA FOTOSINTESI

I cloroplasti sono organelli semi-autonomi

originati da ancestrali procarioti autotrofi



Teoria Simbiontica per l’origine di Mitocondri e

Cloroplasti

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