SCUOLA SCIENZA E
TECNICA
Anno 2011/2012
LABORATORIO
ERBORISTICO
NATURALISTICO
Fisiologia Umana
Scuola d’Arte e dei Mestieri
Corso Base
ENERGIA E METABOLISMO
ENERGIA
ENERGIA
Capacità di compiere un lavoro
• Diverse forme di energia
ENERGIA
• Due stati
I. Energia cinetica (di movimento): utilizzata attivamente per
svolgere un lavoro (spingere un mattone)
II. Energia potenziale (immagazzinata): non compie un lavoro
attivo ma ha la possibilità di farlo (masso immobile su una
collina ha la possibilità di rotolare sino a valle)
ENERGIA
Poiché l’energia può esistere in molte forme vi
sono molti modi per misurarla.
Il modo più comune: calore, tutte le altre forme
di energia possono essere convertite in calore
ENERGIA
L’unità della misurazione del calore è la
chilocaloria (Kcal). Una caloria è il calore
richiesto per aumentare la temperatura
dell’acqua di 1°C
ENERGIA
• Termodinamica: studio dell’energia
• Due leggi che governano tutti i cambiamenti
dell’energia che hanno luogo nell’universo
ENERGIA
Termodinamica
• Prima legge della termodinamica: l’energia
non può essere creata o distrutta, può solo
andare incontro a conversioni da una forma ad
un’altra
 Riguarda la quantità di energia
 L’energia può essere trasformata da potenziale a cinetica
 Poiché non può essere distrutta, la quantità totale dell’energia
nell’universo rimane costante
ENERGIA
Termodinamica
• Seconda legge della termodinamica: il
disordine nell’universo è costantemente in
aumento. L’energia viene convertita in forme
meno organizzate
 Disordine è molto più probabile dell’ordine
 Entropia è la misura del disordine di un sistema
 La vita trasforma l’energia solare in altre forme di energia che
fanno andare avanti i processi vitali; l’energia non è mai
perduta ma, man mano che è usata,
ENERGIA
Termodinamica
viene convertita ad “energia di calore”, una forma di energia
che non è utile per produrre lavoro
ENERGIA
In una cellula la produzione di lavoro è affidata
alla Energia Libera.
L’energia libera è quell’energia, in un sistema,
disponibile per fare lavoro
Nella molecola di una cellula (dove di solito
pressione e volume sono costanti) l’energia
libera è uguale all’energia contenuta nei suoi
legami chimici (entalpia – H) meno
ENERGIA
l’energia termica non disponibile a causa del
disordine (entropia – S)
G = H – TS
Le reazioni chimiche possono produrre variazioni
dell’energia libera in due modi
1. Cambiamento nell’energia di legame (H – rottura di legami chimici)
2. Promuovendo il movimento termico tra le molecole (aumentando
S)
ENERGIA
Un atomo è costituito dal suo nucleo e da uno o
più elettroni “orbitanti” che possiedono
differente quantità di energia a seconda della
loro distanza dal nucleo
ENERGIA
• Quando gli elettroni si spostano da un livello
ad un altro (sotto la spinta della luce o altre
forme di energia) c’è modificazione
dell’energia contenuta nell’elettrone.
 Accumulo di energia (energia chimica potenziale) con il
passaggio ad un livello più alto
 Cessione di energia al ritorno allo stato originario
ENERGIA
• Quando gli elettroni passano da un atomo (o
da una molecola) ad un altro c’è lo stesso
trasferimento di energia: reazione di ossidoriduzione
• Ossidazione: perdita di un elettrone
• Riduzione: acquisto di un elettrone
• Avvengono sempre insieme: ogni elettrone
perduto da un atomo è acquistato da un altro
ENERGIA
• Importanti per capire il flusso di energia tra i
sistemi biologici (respirazione cellulare)
ENERGIA
• Le reazioni chimiche per poter iniziare hanno
bisogno di energia libera (spezzare legami
chimici e crearne di nuovi): energia di
attivazione
• Le reazioni che necessitano di una quantità
maggiore di energia di attivazione procedono
più lentamente per cui:
ENERGIA
• Accelerare la reazione: catalizzatori
• Catalisi: capacità di influenzare i legami chimici
(disporli in maniera che si rompano più
facilmente – in modo da abbassare l’en. di
attivazione)
ENERGIA
• La velocità di una reazione dipende
dall’energia di attivazione necessaria ad
iniziarla. I catalizzatori riducono la quantità di
energia di attivazione richiesta accelerando la
velocità di reazione.
ENERGIA
Enzimi
• Enzimi
 Proteine che abbassano l’energia di attivazione richiesta per
formare nuovi legami
 Fanno procedere le reazioni più velocemente
 CO2 + H20 = H2CO3
ENERGIA
Enzimi
• Funzione




Depressioni sulla superficie (siti attivi)
Substrato (molecola sulla quale l’enzima agisce)
Incastro perfetto
I gruppi laterali degli aminoacidi di un enzima interagiscono
con il substrato distorcendo particolari legami abbassando
così l’energia di attivazione (sarà più facile e veloce romperli)
ENERGIA
Enzimi
ENERGIA
Enzimi
• Fattori che influenzano l’attività enzimatica
 Temperatura: funzione ottimale tra 35°-40°. Al di fuori di
questo range si hanno alterazioni della struttura
tridimensionale dell’enzima che non riesce a legare il
substrato
 pH: tra 6 e 8 (anche enzimi che funzionano a pH inferiori –
pepsina)
ENERGIA
Enzimi
 Modificazione allosteriche: modificazioni di forma indotte
da prodotti chimici della cellula che legandosi all’enzima
(su siti specifici diversi da quelli per il substrato) ne
possono bloccare l’attività (inibitori) o favorirla (attivatori)
 Coenzimi: ioni metallici o molecole organiche non
proteiche che aiutano gli enzimi facilitando la loro attività
(trasporto di elettroni e protoni). Il NAD+ (nicotinamide
adenina dinucleotide) è il principale coenzima coinvolto nei
processi chimici di produzione di energia. Sotto forma di
NADH, dopo aver acquisito un elettrone ed un atomo di
idrogeno (riduzione), diviene “portatore di energia”
ENERGIA
• La molecola più importante per gli scambi
energetici è l’ATP
• L’energia immagazzinata nei grassi, nell’amido,
negli zuccheri circolanti nel sangue è
convertita in ATP
• Le cellule usano questa molecola per il
trasporto di membrana, per potersi muovere,
come energia di attivazione per reazioni
chimiche, per crescere
ENERGIA
• Costituita da 3 subunità:
I. Una molecola di zucchero a 5 atomi di C (ribosio)
II. Adenina (N, C)
III. Gruppo trifosfato (sequenza di tre gruppi fosfato uniti
insieme)
ENERGIA
ATP
• Rompendo i legami fosfato si ottiene
un’energia molto elevata e hanno una bassa
energia di attivazione (sono rotti facilmente)
ENERGIA
ATP
• Una volta rotto il legame con un gruppo
fosfato, l’ATP si trasforma in ADP con rilascio di
elevata energia
ENERGIA
ATP
• Usando il fosforo e l’energia dei grassi e degli
amidi immagazzinati, ADP e fosfati sono riuniti
a ricreare ATP
METABOLISMO
• Il metabolismo è l’insieme delle reazioni
chimiche e fisiche che avvengono in un
organismo
 Piante verdi: fotosintesi – converte atomi di C presi
dall’atmosfera (CO2) e l’energia luminosa del sole in composti
organici con rilascio di O2
METABOLISMO
 Respirazione: i composto organici di C e O2 vengono
trasformati in CO2 ed energia chimica (ATP)
IL VOCABOLARIO DEL METABOLISMO
Caloria: quantità di calore necessaria per aumentare di 1°C 1 grammo di
acqua
Catalisi: accelera la velocità di una reazione abbassando l’energia di
attivazione necessaria.
Coenzima: donatore o accettore di elettroni, molecola non proteica
Energia di attivazione: energia necessaria per iniziare una reazione – modifica
legami
Entropia: una misura di quanta energia è andata dispersa (calore) e che non è
più disponibile per lavoro
Enzima: proteina in grado di abbassare l’energia di attivazione di una reazione
Energia libera: energia disponibile per compiere un lavoro
Kilocalorie: 1000 calorie
Metabolismo: insieme di processi che si svolgono all’interno di una cellula o
di un organismo
IL VOCABOLARIO DEL
METABOLISMO
Ossidazione: perdita di un elettrone da parte di un atomo o di una molecola.
Avviene simultaneamente alla riduzione
Riduzione: acquisto di un elettrone da parte di un atomo o di una molecola
Respirazione cellulare: ossidazione di una molecola di cibo per ottenere
energia
Substrato: molecola sulla quale agisce un enzima
RESPIRAZIONE CELLULARE
• La vita è resa possibile dall’energia
• Tutte le attività svolte da un organismo
comportano uso di energia
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Piante, alghe, alcuni batteri prendono
l’energia solare e la trasformano in energia
chimica (fotosintesi)
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Mentre il 95% degli organismi (animali, funghi,
altri batteri…) prendono energia dalle
molecole organiche
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Energia necessaria per molte funzioni
metaboliche è fornita dall’ATP (dalla rottura
dei suoi legami)
RESPIRAZIONE CELLULARE
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Cioccolato




Zuccheri
Lipidi
Proteine
Altre molecole
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Queste molecole complesse saranno
degradate a molecole più semplici:
 Disaccaridi tagliati in glucosio
 Proteine in aminoacidi
 Lipidi in parti più piccole
• Produzione di energia incanalata in molecole
diverse (glucosio) con poca produzione di
energia utilizzabile (accumulo energetico)
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Es. Cioccolato costituito solo da glucosio
• Necessario estrarre energia dal glucosio
stesso.
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Due tappe:
1. Glicolisi: reazione base che genera piccola quantità di energia
tramite la modificazione dei legami del glucosio
2. Ciclo dell’Acido Citrico (ciclo di Krebs): genera molta più ATP
(36 molecole)
RESPIRAZIONE CELLULARE
Glicolisi
• Glicolisi: 10 reazioni in 4 tappe - Glucosio a 6
atomi di Carbonio convertito in 2 molecole di
Piruvato a 3 atomi di Carbonio ciascuno con
produzione di 2 molecole di ATP
RESPIRAZIONE CELLULARE
Glicolisi
I. Tappa: Mobilizzazione del Glucosio

Trasformato in un complesso che può facilmente essere
tagliato in 2 molecole a 3 atomi di Carbonio ciascuna
RESPIRAZIONE CELLULARE
Glicolisi
II. Tappa: Rottura

Taglio della molecola di Glucosio (6 atomi di Carbonio) in 2
molecole di Gliceraldeide Trifosfato (3P)
RESPIRAZIONE CELLULARE
Glicolisi
III Tappa: Ossidazione (sottrazione di elettroni – di solito
ad un elettrone si associa un protone per cui si sottrae un
atomo di H – protone+elettrone=1 molecola di H)
 Dalle 2 molecole di G3P vengono rimossi 2 elettroni (1 per
ogni G3P)
 2 elettroni rimossi sono donati ad un coenzima (NAD+
trasformato in NADH)
RESPIRAZIONE CELLULARE
Glicolisi
IV Tappa: Generazione di ATP
 Trasformazione della G3P in un’altra molecola sempre a 3
atomi di C: Piruvato
 Questa trasformazione genera 2 molecole grazie alla rottura di
legami chimici con conseguente trasferimento di fosforo a due
molecole di ADP
RESPIRAZIONE CELLULARE
Problema:
Le riserve di NAD+ (che accetta gli atomi di H del G3P) non
sono molte. La glicolisi per poter continuare
deve poter riciclare il NADH (da ritrasformare
in NAD+)
• Trovare delle vie alternative per poter
utilizzare gli atomi di H
RESPIRAZIONE CELLULARE
Glicolisi
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Respirazione Ossidativa:
 Ossigeno gassoso può prendere H del G3P con produzione di
Acqua – Metabolismo Aerobico
• Fermentazione:
 Quando l’Ossigeno non è disponibile: utilizza un’altra
molecola per accettare H – Metabolismo Anaerobico
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Respirazione Ossidativa: mitocondri in 2 tappe
 Ossidazione del Piruvato per produrre una nuova molecola:
Acetil Coenzima A (acetil-CoA)
 Ossidazione acetil-CoA per produrre ATP
RESPIRAZIONE CELLULARE
Ossidazione del Piruvato
• Ossidazione del Piruvato:




Piruvato è una molecola a 3 atomi di C
1 atomo di C è staccato dal Piruvato con formazione di CO2
Rimane un frammento con 2 atomi di C (Gruppo acetilico)
Ai 2 atomi di C rimanenti (gruppo acetilico) viene legata una
molecola trasportatrice: Coenzima A con la formazione di:
 Acetil-Coenzima A (Acetil-CoA): 2 destini
I. Utilizzato per immagazzinare energia (es. sintesi di lipidi)
II. Ossidato per produrre ATP
RESPIRAZIONE CELLULARE
Ossidazione Acetil-CoA
• Ossidazione Acetil-CoA (Ciclo dell’Acido
Citrico): 9 reazioni in 2 tappe
I.



Tappa:
Acetil-CoA a 2 atomi C è unito ad 1 molecola a 4 atomi di C
Forma una molecola a 6 atomi di C: Acido Citrico
Acido citrico subisce un rimodellamento: viene spostata una
molecola di acqua da un C ad un altro
 Formazione di Acido Isocitrico
RESPIRAZIONE CELLULARE
II. Tappa:
 Acido Isocitrico cede elettroni (ossidazione con NAD+ a
NADH) e vengono tolti due atomi di C (eliminati sotto
forma di due molecole di CO2)
 Quel che rimane dopo questi processi è unito ad una
molecola di CoA per formare un nuovo composto:
 Succinil-CoA
 Il legame viene tagliato, si libera un gruppo fosfato che
viene legato ad una molecola di GDP (GDP + gruppo
fosfato: GTP che viene convertito in ATP)
RESPIRAZIONE CELLULARE
 Dal taglio del succinil-CoA rimane un frammento: Acido
Succinico che viene ossidato (gli elettroni passano non al
NAD+ ma ad una altro composto – FAD+)
 Dopo l’ossidazione, il composto rimanente viene legato
ad una molecola d’acqua, riossidato fino a formare Acido
Ossalacetico e 2 elettroni che vanno al NAD+
 Acido ossalacetico lega il CoA e ri-inizia il ciclo
RESPIRAZIONE CELLULARE
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Ossidazione cellulare delle Proteine
RESPIRAZIONE CELLULARE
 Rottura delle proteina in aminoacidi (forma più semplice)
 Aminoacidi sono costituiti da: uno o più gruppi amminici NH2 e uno o più gruppi carbossilici -COOH
 Il gruppo aminico è rimosso
 La catena carboniosa che rimane è trasformata in una
sostanza che entra nel ciclo acido citrico (alanina in
piruvato, aspartato in ossalacetato)
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Ossidazione cellulare dei Lipidi
RESPIRAZIONE CELLULARE
 Scissione dei Lipidi in Acidi grassi e Glicerolo
 Nei mitocondri gli Acidi Grassi vengono ossidati e vengono
staccati due atomi di C : si ottengono dei gruppi acetilici
 Gruppi Acetilici vengono legati al CoA formando Acetil-CoA
 Passaggio nel ciclo dell’acido citrico
 Energia prodotta in elevata quantità dalle reazioni che
trasformano gli Ac. Grassi in in gruppi acetilici e dal ciclo di
Krebs
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