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)
DG’= DG°’+ RTln [prodotti]/[reagenti]
Tendenza a spostarsi verso l’equilibrio forza
trainante la reazione
In tutti gli organismi viventi le sostanze vengono prodotte in una serie
di reazioni biochimiche rigorosamente coordinate.
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
Gli organismi viventi richiedono un continuo apporto di
energia per favorire tre processi biologici:
1) produzione di lavoro meccanico durante la
contrazione muscolare e i movimenti cellulari
• 2) il trasporto attivo di molecole e ioni
• 3) la sintesi di macromolecole e di altre biomolecole a
partire da precursori più semplici
• L’energia libera utilizzata in questi processi viene
ricavata dall’ambiente circostante
• Gli organismi fotosintetici o fototrofi
ottengono l’energia sfruttando
l’intrappolamento della luce solare
• I chemiotrofi, che comprendono gli
animali, ottengono l’energia attraverso
l’ossidazione di combustibili carboniosi
Principi generali alla base del flusso di energia
negli organismi viventi
• Le sostanze nutrienti vengono degradate e le grandi
macromolecole vengono costruite passo passo in una
serie di reazioni dette vie metaboliche
• Una molecola comune a tutte le forme di vita, l’ATP,
mette in collegamento la via di rilascio di energia con la
via di richiesta di energia
• L’ossidazione dei combustibili carboniosi fornisce
l’energia necessaria alla formazione dell’ATP
• Le vie metaboliche sono numerose ma molte hanno in
comune un limitato numero di tipi di reazioni e intermedi
• Le vie metaboliche sono finemente regolate
A pH 7 l’unità trifosforica contiene 4 cariche
negative che si respingono. La repulsione
diminuisce quando la molecola si idrolizza
L’ADP e il Pi
vanno incontro a
stabilizzazione
per risonanza
D G°’ = -30.5 kJ/mole
L’ADP e il Pi
legano più
molecole di
acqua e vengono
stabilizzati per
idratazione
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
chinasi.
Il 90% di ATP, ADP e Pi forma complessi con lo ione Mg2+
Ciclo dell’ATP
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 PO43indicato 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.
Altre molecole ad alto contenuto energetico
Molecole con potenziale di trasferimento di Pi maggiore di
ATP trasferiscono Pi ad ADP, quelle con potenziale di
trasferimento minore ricevono Pi da ATP.
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).
Potenziali standard di ossido-riduzioni di interesse biologico
Il nicotinnamide adenina dinucleotide è il principale trasportatore
di elettroni nell’ossidazione di molecole organiche combustibili
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
L’altro importante trasportatore di elettroni nel processo di
ossidazione di molecole organiche è il FAD
Nucleotidi flavinici sono spesso saldamente legati
agli enzimi (flavoproteine)
Acquista due protoni
Chinoni solubili nei lipidi
trasportano e- nelle
membrane
I trasportatori di elettroni sono disposti in ordine di potenziale
dei riduzione crescente, poiché gli e- tendono a fluire da
trasportatori con E°’< a E°’>