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BIOENERGETICA
Energia libera Energia =
capacità di
un corpo o di
un sistema
di compiere
un lavoro.
Termodinamica chimica
Si occupa delle energie in gioco nelle trasformazioni chimiche e del bilancio energetico di
una reazione sulla base del calore emesso/assorbito da tale reazione:
- reazione esotermica
- reazione endotermica
- reazione atermica
Funzioni di stato
Sono parametri per definire un sistema termodinamico. Il loro valore dipende solo dallo stato
iniziale e finale. - entalpia (H) →
misura del calore scambiato
in un processo che avviene
a P costante
- entropia (S) →
misura del disordine di un
sistema
- energia libera di
Gibbs (G) → H + S, la
spontaneità dei processi
Di ogni parametro è
importante conoscere la
variazione dallo stato finale
a quello iniziale.
Entalpia (calore di reazione)
=> ∆H: variazione di Entalpia: calore scambiato nelle trasformazioni a pressione costante.
2° principio della termodinamica: in un sistema isolato (Es. l’universo) avvengono
spontaneamente solo le trasformazioni con un aumento di entropia → misura del grado di
disordine del sistema.
La spontaneità di una trasformazione chimica è controllata da due fattori:
- entalpico → diminuzione del contenuto di energia ΔH
- entropico → aumento del grado di disordine ΔS
=> si compendiano nell’equazione dell’energia libera di Gibbs che prevede la spontaneità di
una reazione Energia libera di Gibbs e
spontaneità delle reazioni:
ΔG = ΔH – TΔS
- ΔG < 0 → il prodotto ha un
livello energetico inferiore a quello
del reagente => reazione
esoergonica e spontanea
- ΔG > 0 → il prodotto ha un
livello energetico superiore a
quello del substrato => necessita
energia ed endoergonica.
- ΔG = 0 → reazione
all’equilibrio
=> le reazioni enzimatiche
possono avvenire solo se il livello energetico del prodotto è inferiore (ΔG < 0). Nella cellula
numerose reazioni possono avvenire anche se ΔG > 0 => se due reazioni, una
termodinamicamente sfavorevole e una favorevole, sono accoppiate, quella sfavorevole può
utilizzare l’energia liberata da quella favorevole.
Reazioni accoppiate Principio dell’additività
dell'energia libera: se due
reazioni una
termodinamicamente
sfavorevole ed una
favorevole sono
accoppiate, quella
sfavorevole può utilizzare
l’energia liberata da quella
favorevole.
Il principale scambiatore di energia nelle cellule: l’ATP Come può l’energia biologica
liberata nella reazione
esoergonica C → D essere
trasferita alla reazione A → B?
C’è bisogno della disponibilità di
una forma di energia a rapido
scambio → composti ad alta
energia che possano essere
formati nelle reazioni
esoergoniche ed essere utilizzati
in quelle endoergoniche.
Lo scambiatore di energia è l’ATP, che funge da deposito e trasportatore di energia.
- ADP + Pi + energia
ATP +H2O (energia usata
7,3 kcal/mol)
- ATP + H2O ADP + Pi
+ energia (energia liberata
7,3 kcal/mol)
=> fosforilazioni a livello di
substrato avvengono nel
citoplasma; liberano energia
sufficiente per sintetizzare
direttamente una molecola di
ATP da ADP e Pi.
Sintesi ATP
- fosforilazione ossidativa (mitocondri) → riossidazione dei composti che sono
ridotti durante l’ossidazione delle molecole biologiche; se l’ossidazione dei substrati
non può generare direttamente ATP, genera una molecola ridotta (Es. NADH), la cui
ossidazione a sua volta genera ATP
- fosforilazioni a livello del substrato (citoplasma) →
a) Fosfoenol piruvato → Piruvato (∆G = -14,8 Kcal/mole)
b) 1,3 difosfoglicerato → 3 fosfoglicerato (∆G= -12,3 kcal/mole)
c) fosfocreatina → creatina (∆G= -10,3 kcal/mole)
Metabolismo
Gli alimenti sono costituiti da molecole ridotte → possono fornire energia biologica; sono
complesse e grandi.
La digestione ha il compito di scindere le molecole complesse in molecole semplici. Negli
organismi viventi avvengono molte trasformazioni (reazioni). Il metabolismo → insieme di
tutte le reazioni enzimatiche:
- catabolismo → reazioni ossidative di degradazione; porta alla formazione di ATP
indirettamente mediante la produzione dei composti ridotti NADH e FADH , ossidati
2
nei mitocondri con produzione di una quantità rilevante di ATP:
1) stadio: macromolecole → monomeri; reazioni spontanee, variano a seconda
delle diverse macromolecole; si libera poca energia
2) stadio: monomeri → prodotti più semplici; reazioni in gran parte spontane,
variano a seconda dei diversi tipi di monomero; si libera poca energia con
formazione di ATP
3) stadio: demolizione finale a composti molto semplici: CO2, H2O, NH3 con
reazioni redox (ossidazione degli atomi di C a CO2) con liberazione di molta
energia, immagazzinata sotto forma di ATP (stadio comune cui convergono le
vie cataboliche di tutte le macromolecole)
- anabolismo → insieme di reazioni riduttive di sintesi; producono molecole
complesse utilizzando i composti ridotti e l’energia metabolica prodotti nel
catabolismo; tutti gli stadi richiedono energia (fornita da ATP)
Acetil-CoA → nodo su cui convergono
tutti i metabolismi ossidativi e da cui si
dipartono quelli riduttivi.
Può subire 2 strade diverse:
- servire come composto
ossidabile per la produzione di energia
alimentando il ciclo di Krebs
- servire come elemento di base
per la costruzione di nuovi amminoacidi,
monosaccaridi, acidi grassi e glicerolo =>
utilizzati per la creazione di nuove
proteine, carboidrati e lipidi.
Carica energetica e potenziale di trasferimento di gruppi fosfato
Molte vie metaboliche sono controllate dallo stato energetico della cellula. L’indice è la carica
energetica (dell’adenilato) calcolata secondo la seguente formula:
Il valore può variare da 0 a 1, ma
un’elevata carica energetica inibisce le
vie cataboliche e stimola le vie
anaboliche. Su queste basi, le cellule
mantengono la carica energetica entro
stretti limiti, tra 0,8 e 0,95, proprio nella
zona dove piccole variazioni della carica
energetica causano grandi variazioni di
velocità sia del catabolismo che
dell’anabolismo.
Carboidrati
I carboidrati sono molecole costituite da carbonio, idrogeno e ossigeno con formula empirica
C H O . I carboidrati o zuccheri sono elementi fondamentali nella dieta. L’ossidazione dei
n 2n n
carboidrati è la via principale di produzione di energia nelle cellule.
Aldeidi e chetoni
Il gruppo aldeidico è sempre all’inizio di una catena carboniosa, mentre il gruppo chetonico è
sempre all’interno della catena carboniosa.
Monosaccaridi
I monosaccaridi sono solidi cristallini, incolori, inodori e facilmente solubili in acqua. I
monosaccaridi sono le unità singole dei carboidrati e sono composti da una catena di
carboni non ramificata. Contengono un gruppo carbonilico (gruppo aldeidico o chetonico) e
svariati gruppi ossidrilici. Tutti i monosaccaridi (eccetto il diidrossiacetone) contengono uno o
più C asimmetrici (chirale) e perciò esistono diversi stereoisomeri. Tutti i carboidrati
dell’organismo appartengono alla serie D.
Formazione del semiacetale
Il gruppo carbonilico (aldeide o chetone) può reagire con un alcool portando alla formazione
di un semiacetale. Questo composto può reagire ulteriormente con un’altra molecola di
alcool e formare l’acetale. La reazione che trasforma un aldeide o un chetone in semiacetale
è sfavorita tranne nel caso in cui porti alla formazione di un composto ciclico a 5 o 6 atomi.
Forma ciclica dei monosaccaridi
In soluzione acquosa i monosaccaridi assumono una struttura ciclica
mediantelareazionedelgruppocarbonilicoconungruppoossidrilico. Il carbonio del semiacetale
è detto carbonio anomerico. Gli anomeri sono le due forme isomeriche del monosaccaride
che si differenzianosoltantoperladisposizionespazialedell’OH semiacetalico.
Legame glicosidico
Il legame glicosidico si forma dalla reazione di condensazione tra un gruppo ossidrilico di un
monosaccaride e l’OH glicosidico di un altro monosaccaride. Il legame glicosidico è un
legame covalente forte e può essere scisso solo da specifici enzimi.
Disaccaridi
I disaccaridi sono composti da due unità monosaccaridiche legate da un legame glicosidico.
Polisaccaridi
I polisaccaridi derivano dalla condensazione di numerose unità monosaccaridiche e
presentano elevato peso molecolare. Gli omopolisaccaridi sono composti dal ripetersi della
stessa unità monosaccaridiche. Gli eteropolisaccaridi monosaccaridiche. sono composti da
diversi tipi di unità I polisaccaridi possono avere due principali funzioni: • funzione di riserva
energetica amido glicogeno • funzione strutturale cellulosa chitina glicosamminoglicani
Digestione
Digestione e assorbimento dei carboidrati Il saccarosio, il
lattosio, l’amido e la
cellulosa si
digeriscono in più
stadi, richiedendo
l’intervento di vari
enzimi idrolitici.
L’80% è il glucosio,
il 10% il galattosio e
il 10% il fruttosio.
La cellulosa non
può essere
assorbita nell’uomo
per mancanza
dell’enzima
cellulasi.
Assorbimento e metabolizzazione dei carboidrati Dopo il pasto c’è un picco con un
innalzamento di concentrazione
ematica di glucosio, la quale
aumenta velocemente come
conseguenza dell’elevata velocità
di assorbimento intestinale.
Quando la glicemia si alza, viene
secreta l’insulina, che favorisce
l’ingresso del glucosio nelle
cellule. Nell’individuo sano, la
glicemia è normalizzata 2-4 ore
dopo i pasti diabete: patologia
⇔
in cui la capacità di metabolizzare
il glucosio risulta ridotta => curva
di smaltimento del glucosio è più lenta.
Come entra il glucosio nel sangue? Il glucosio entra nella cellula solo attraverso canali
specifici e passivi, i quali permettono il passaggio del glucosio secondo il gradiente di
concentrazione attraverso la membrana => trasportatore → proteina di membrana, GLUT
passivi => trasportano il glucosio secondo il gradiente di concentrazione senza consumare
ATP, dall’esterno (più elevata) all’interno (meno elevata) della cellula. La densità di GLUT è
sotto il controllo dell’insulina → maggiore è la concentrazi