Appunti per l'esame di Biologia e genetica

LE REAZIONI CHIMICHE

Le reazioni chimiche si verificano quando atomi si scontrano con energia sufficiente a formare o modificare legami chimici. (trasformazioni irreversibili nelle quali si ha la formazione di nuove sostanze)

In tutte le reazioni chimiche la materia e l'energia non sono né create né distrutte.

Le sostanze di partenza sono dette reagenti mentre quelle che si formano sono i prodotti.

Energia: capacità di svolgere lavoro o capacità di cambiare forma (nelle reazioni chimiche l'energia di solito cambia forma)

Reazioni chimiche che rilasciano energia ESOERGONICHE ∆G<0 ⟹ Reazioni chimiche che richiedono energia ENDOERGONICHE ∆G >0

Le reazioni chimiche obbediscono a leggi ben precise note come leggi ponderali, ciò relative al peso delle sostanze che sono considerate i pilastri fondamentali della chimica.

Queste sono:

• La legge di Lavoisier
• La legge di Proust
• Legge di Dalton

Condizioni necessarie affinché avvenga una...

reazione chimica:

1. Che le molecole dei reagenti urtino tra loro
2. Che le particelle durante l'urto abbiano una orientazione corretta.
3. Che l'urto sia sufficientemente energetico

Se solo una di queste condizioni non si verifica, la reazione non avviene.

L'ENERGIA LIBERA (G)

L'energia libera rappresenta l'energia utilizzabile per compiere un lavoro.

Δ G variazione dell'energia libera in una reazione, ossia la differenza tra la G dei prodotti e dei reagenti

L'ENERGIA DI ATTIVAZIONE

È la quantità di energia minima richiesta per iniziare una reazione.

Quando l'energia di attivazione è molto alta, la reazione avviene molto lentamente e questo dipende dal tipo di reagente.

Porta i reagenti in uno stato reattivo chiamato stato di transizione.

GLI ENZIMI

Sono proteine globulari con funzione di catalizzatori biologici che abbassando l'energia di attivazione, ne accelerano le reazioni, e rimangono inalterati dopo la

reazione.Suffisso: -ASI

gli enzimi sono catalizzatori⟹Abbassando la barriera dell’energia di attivazione avvicinando i reagenti.

L’alta specificità di un enzima dipende dalla sua forma tridimensionale

Il substrato si lega nel sito attivo, ed il complesso enzima substrato è tenuto insieme da legamiidrogeno, attrazioni elettrostatiche o legami covalenti. L’enzima può cambiare mentre è legato alsubstrato ma poi ritorna alla sua forma originale (adattamento indotto).

Azioni degli enzimi:

• Orientano i substrati
• Creano tensioni nei legami rendendoli instabili
• Aggiungono temporaneamente gruppi chimici ai substrati

VELOCITÀ DI UNA REAZIONE

La velocità di una reazione enzimatica dipende da:

1. Concentrazione del substrato
2. pH
3. temperatura

Regolazione enzimatica:

• inibitori enzimatici (rallentano la reazione enzimatica)⟹ regolazione allosterica⟹ inibizione da feedback⟹ fosforilazione

INIBIZIONE ENZIMATICA

Molti enzimi si legano

reversibilmente o irreversibilmente a molecole, inibitori, che riducono o bloccano l'attività enzimatica. Ci sono diversi meccanismi di inibizione:

1. Inibizione competitiva: una molecola simile al substrato (un inibitore competitivo) si inserisce nel sito attivo impedendo l'accesso di quest'ultimo, perciò, non si verifica alcuna reazione.
2. Inibizione non competitiva: una molecola di inibitore si inserisce nel sito allosterico, diverso dal sito attivo, modificando temporaneamente la forma del sito attivo, che non è più in grado di legare efficacemente il substrato e di far avvenire la reazione.
3. Inibizione retroattiva (feedback negativo): quando il prodotto finale di una reazione in una via metabolica supera una certa concentrazione, le sue molecole cominciano a inibire in modo non competitivo l'attività del primo enzima, riducendo o bloccando la via metabolica.

REGOLAZIONE ALLOSTERICA

Forma inattiva

Quando l'enzima si trova nella forma

inattiva non può accettare il substrato.

Il legame di un inibitore rende meno probabile reperire la forma attiva dell'enzima. (nessuna formazione di prodotto)

Forma attiva quando l'enzima si trova nella forma attiva è in grado di accettare il substrato. Il legame di un attivatore fa aumentare la probabilità che sia presente la forma attiva. (formazione del prodotto)

FOSFORILAZIONE REVERSIBILE

La fosforilazione è una reazione chimica che consiste nell'addizione di un gruppo fosfato ad una proteina o ad un'altra molecola. Gli enzimi che solitamente catalizzano le fosforilazioni sono le chinasi.

IL METABOLISMO

Esso rappresenta la somma totale di tutte le reazioni chimiche che avvengono in un sistema biologico in un dato momento.

Le reazioni metaboliche comportano variazioni di energia associate a cambiamenti nella composizione e nelle proprietà delle molecole. L'energia che varia nelle reazioni metaboliche è l'energia

libera(G) per cui la variazione di energia libera in una reazione è indicata come ∆G.

Esistono due tipi di reazioni metaboliche spesso collegate tra loro:

• anabolismo/ reazioni anaboliche ∆ G>0 ⟹ da molecole semplici a molecole complesse (genera ordine) ⟹ reazioni endoergoniche
• catabolismo/reazioni cataboliche ∆ G<0 ⟹ da molecole complesse a molecole più semplici (genera disordine) ⟹ reazioni esoergoniche

NB. L'energia rilasciata nelle reazioni cataboliche è usata per le reazioni anaboliche.

L'ATP (adenosina trifosfato) è la molecola che consente l'accoppiamento tra le reazioni eso ed endoergoniche. È formata da una molecola di ribosio, una base azotata (adenina) e 3 gruppi fosfato.

Il distacco di un gruppo fosfato (idrolisi dell'ATP) fornisce energia libera di reazione pari a circa -7,3 kcal/mole ed è una reazione di idrolisi che richiede la presenza di un enzima chiamato ATPasi.

∆ G= -7,3 to -14

L'interno per formare creste, creando una grande superficie dove sono localizzate le proteine coinvolte nella respirazione cellulare (processo grazie al quale l'energia delle molecole si trasforma in legami di ATP ricchi di energia).

La matrice mitocondriale contiene enzimi, DNA e ribosomi.

Il catabolismo dei carboidrati in particolare avviene attraverso 3 stadi:

1. glicolisi,
2. ciclo di Krebs,
3. fosforilazione ossidativa

La glicolisi avviene nel citoplasma e ha la funzione di convertire il glucosio in piruvato. Comprende in totale 10 reazioni, ognuna catalizzata da un enzima specifico, che possono essere divise in due stadi.

La resa totale della glicolisi è quindi di: 2 molecole di piruvato, 2 ATP e 2 NADH.

La glicolisi è una via metabolica comune a tutti i tessuti e a tutte le cellule, che demoliscono quindi il glucosio a piruvato. Il piruvato può invece avere destini diversi a seconda che le cellule siano aerobiche o anaerobiche:

• in condizioni anaerobiche:

Le cellule non possono utilizzare l'ossigeno come accettore finale di elettroni; questi vengono invece trasferiti ad altre molecole organiche in un processo chiamato fermentazione. La fermentazione può essere di due diversi tipi.

Nella fermentazione alcolica, tipica ad esempio dei lieviti, il piruvato viene convertito in acetaldeide e successivamente in etanolo.

La fermentazione lattica avviene tipicamente nelle cellule muscolari quando un'attività muscolare prolungata e intensa richiede più ossigeno di quanto la respirazione possa fornire. Converte invece il piruvato in acido lattico. In entrambi i casi il processo rigenera NAD+, in modo tale che la respirazione possa procedere.

In condizioni aerobiche:

La respirazione cellulare procede con il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa. Prima di entrare nel ciclo di Krebs il piruvato viene ossidato. Uno dei 3 atomi di carbonio si stacca e si libera sotto forma di CO2. Il composto restante a 2 atomi di C, detto

CICLO DI KREBS

Il ciclo di Krebs avviene nella matrice mitocondriale ed è la via metabolica nella quale convergono il metabolismo dei carboidrati, degli amminoacidi e degli acidi grassi. Tutte queste macromolecole vengono infatti scisse nelle loro unità costitutive e degradate ad acetil-CoA, che può essere considerato il metabolita intermedio comune. Consiste in una serie di nove reazioni che avvengono ciclicamente.

Inizia nel momento in cui il gruppo acetilico a 2 atomi di C dell'acetil-CoA si combina con una molecola a 4 atomi di carbonio chiamata ossa acetato. La molecola risultante a 6 atomi di C, il citrato, subisce una serie di ossidazioni fin quando non viene rigenerato ossa acetato. Questa molecola potrà quindi legare un ulteriore gruppo acetilico ed iniziare un nuovo ciclo.

Per ogni...

giro del ciclo: vengono perse due molecole di CO2, un FAD è ridotto a FADH2, si producono 1 ATP e 3 NADH

FOSFORILLAZIONE OSSIDATIVA è un processo che permette la traduzione dell'energia e costituisce la via di sintesi dell'ATP attraverso il trasferimento di elettroni all'ossigeno. Essa rappresenta la tappa finale di tutte le reazioni enzimatiche che prevedono la degradazione ossidativa dei carboidrati, degli acidi grassi e degli aminoacidi nelle cellule aerobiche. Tale processo avviene nei mitocondri e consente di ossidare l'ossigeno ad acqua. Il trasferimento degli elettroni all'ossigeno è graduale, attraverso tappe.

VIE METABOLICHE: Le migliaia di reazioni chimiche che avvengono nelle cellule sono