Biologia animale

△G △H

permette di vedere se una reazione è energeticamente favorita: infatti, tutte le reazioni chimiche procedono

→​ △G

spontaneamente se la loro energia libera è minore di 0 (△G<0)

= H - H se la reazione è endotermica, se la reazione è esotermica

→

△H △H>0 △H<0

prodotti reagenti

= S - S se aumenta il disordine, se diminuisce il disordine

→

△S △S>0 △H<0

prodotti reagenti

quando e

→ △G<0 △H<0 △S>0

Nelle reazioni chimiche di importanza biologica, l’energia dei reagenti è maggiore dell’energia dei prodotti.

Molte reazioni spontanee vanno verso una diminuzione di energia (ad esempio, possono liberare calore

dall’ambiente),

Per prevedere l’andamento di una reazione, ovvero in che direzione procederà e a che punto si fermerà, bisogna

° °

misurare la sua variazione di energia libera standard (△G ) rappresenta il guadagno o la perdita di energia

→ △G

libera per ogni mole di reagente che si trasforma in una mole di prodotto in “condizioni standard”, ovvero quando

abbiamo una concentrazione 1M, un pH uguale a 7, una temperatura di 25° e una pressione di 1 atmosfera.

È possibile prevedere la spontaneità di una reazione chimica utilizzando il parametro ΔG°, ovvero l'energia libera di

Gibbs:

-​ se ΔG° è negativo (ΔG° < 0), la reazione è esoergonica, il che significa che rilascia energia ed è spontanea, cioè

può avvenire senza bisogno di un apporto energetico esterno; questo tipo di reazione libera grandi quantità di

energia e tende a procedere naturalmente poiché i prodotti finali hanno un'energia libera inferiore rispetto ai

reagenti un esempio è la conversione di glucosio-1-fosfato in glucosio-6-fosfato l'idrolisi dell'ATP in ADP e

→

fosfato, che libera energia con un ΔG° negativo

-​ se ΔG° è positivo (ΔG° > 0), la reazione è endoergonica, cioè richiede energia per avvenire; in queste reazioni, i

prodotti hanno un'energia libera maggiore dei reagenti, quindi il processo non è spontaneo e deve essere "spinto"

dall'esterno un esempio di reazione endoergonica è la sintesi del saccarosio a partire da glucosio e fruttosio

→

Quando le reazioni sono energeticamente sfavorite devono essere accoppiate a

reazioni energeticamente favorite, quindi che avvengono spontaneamente, e il

principale agente accoppiante in tutti gli organismi, dai batteri agli uomini, è l’ATP

(adenosintrifosfato). A reazioni endoergoniche, che richiedono energia, si

accoppiano reazioni esoergoniche, che rilasciano energia.

Il passaggio da ATP (adenosina trifosfato) a ADP (adenosina difosfato) avviene tramite un processo chiamato idrolisi.

Durante questo processo, una molecola di acqua rompe uno dei legami fosfato ad alta energia dell'ATP, rilasciando

un gruppo fosfato inorganico (Pi) e trasformando l'ATP in ADP. Questa reazione libera energia, che può essere

utilizzata dalla cellula per svolgere diverse funzioni vitali, come il movimento, la sintesi di macromolecole e il

trasporto attivo attraverso le membrane. L'ATP, quindi, agisce come una sorta di "batteria energetica" della cellula,

liberando energia quando serve.

Esempio di reazione accoppiata: la reazione tra acido glutammico e ammoniaca (NH ) porta alla formazione di

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glutammina e H O; il cambiamento di energia libera standard (ΔG°) per questa reazione è positivo, il che significa

2

che non è spontanea (ΔG > 0 indica una reazione sfavorita). L'idrolisi dell'ATP in ADP e fosfato inorganico (Pi) ha un

ΔG° molto negativo (-7.000 cal/mole), dunque combinando la reazione non spontanea di sintesi della glutammina

con l'idrolisi dell'ATP si ottiene un ΔG complessivo di -3.600 cal/mole poiché ΔG è negativo, la reazione è favorita

→

(spontanea).

Nelle cellule, se una reazione ha ΔG<0, non necessariamente procederà realmente esempio: l’ossidazione del

→

glucosio a CO è una reazione con un ΔG molto negativo, dunque è molto spontanea e favorita; tuttavia, nelle cellule

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questa reazione non avviene immediatamente.

Anche le reazioni esoergoniche (come l'ossidazione del glucosio) richiedono una quantità iniziale di energia per

iniziare, chiamata energia di attivazione: questa energia serve a rompere i legami nelle molecole dei reagenti, e

finché questa barriera non viene superata, la reazione non procederà, anche se ΔG è negativo. Per far avvenire la

reazione è necessario che i reagenti raggiungano uno stadio chimico intermedio detto stato di transizione, con E

libera maggiore di quella iniziale. Per la maggior parte delle reazioni biologiche, l’energia di attivazione dei reagenti è

sufficientemente alta da impedire che una reazione avvenga spontaneamente, serve dunque un catalizzatore che

abbassi questa energia.

Gli enzimi

Gli enzimi sono dei catalizzatori biologici che aumentano la velocità di reazione di tutte le reazioni chimiche

all’interno della cellula; riescono a velocizzare reazioni molto lente perché riducono l’energia di attivazione della

reazione stessa. Essi si associano a 1 o più ligandi (substrati) e li convertono in prodotti chimicamente modificati. Gli

enzimi non si modificano permanentemente, non alterano l’equilibrio della reazione e non hanno effetto sulla

termodinamica della reazione, cambiano solo la velocità di reazione. La maggior parte degli enzimi sono proteine.

Un

enzima è caratterizzato da:

-​ un sito attivo = è la cavità dell’enzima che accoglie il substrato isolandolo dall’ambiente ed è determinato dalla

struttura terziaria della proteina enzimatica; ha un’alta affinità per il substrato e i prodotti intermedi ma una bassa

affinità per i prodotti finali, che vengono rilasciati dopo la reazione. Il ligando entra nel sito attivo formando

legami non covalenti deboli, stabilizzando il complesso enzima-substrato;

-​ una specificità di substrato = ogni enzima è specifico per il suo substrato e distingue gli stereoisomeri (esempio:

il fumarato e il maleato hanno stessa formula molecolare e stessa sequenza di atomi legati ma differiscono per

l’orientamento tridimensionale di H e O);

-​ una diversità dagli altri enzimi = esistono diverse classi di enzimi, ciascuno dei quali catalizza reazioni diverse

(esempio: la trasferasi si occupa del trasferimento di gruppi funzionali da una molecola all’altra e catalizza la

fosforilazione del glucosio a glucosio-6-fosfato usando il gruppo fosfato terminale dell’ATP);

-​ una sensibilità alla temperatura = la velocità di reazione varia con la temperatura, è infatti massima alla

temperatura ottimale del corpo (37°C) ma, al di sopra di questa temperatura, l’enzima è rapidamente inattivato

per denaturazione;

-​ una sensibilità al pH = ogni enzima ha un pH ottimale a cui la sua attività è massima (ad esempio, la pepsina, un

enzima dello stomaco, ha un pH ottimale intorno a 2).

Gli enzimi riescono a ridurre l’energia di attivazione in quanto collocano le molecole di substrato in stretta vicinanza,

le espongono ad ambienti che possano promuovere la loro interazione e le orientano nel sito attivo.

Negli anni '80, è stata scoperta la capacità catalitica di alcune molecole di RNA, note come ribozimi. Tra gli esempi

più noti ci sono l'RNA di Tetrahymena, che mostra capacità di autocatalisi, la ribonucleasi P, che funziona come un

complesso di proteina e RNA con attività catalitica, e l'RNA ribosomiale, che svolge la funzione di peptidil-transferasi

durante la sintesi proteica.

Cinetica enzimatica di Michaelis-Menten = la velocità di una reazione enzimatica dipende dalla concentrazione del

substrato e può essere descritta tramite i seguenti parametri:

-​ Vmax: la massima velocità di reazione che si ottiene quando l'enzima è saturato dal substrato; a questo punto,

ulteriori aumenti nella concentrazione di substrato non incrementano la velocità della reazione.

-​ Km (costante di Michaelis): rappresenta la concentrazione di substrato alla quale la reazione procede a metà

della sua velocità massima (Vmax).

Durante l'interazione tra enzima e substrato, l'enzima deve ritornare alla sua struttura nativa dopo aver svolto la sua

funzione catalitica. Questo processo è mediato da legami ionici, legami a idrogeno, e interazioni idrofobiche e di van

der Waals. I legami covalenti tra enzima e substrato non avvengono, a meno che non siano temporanei e reversibili.

Funzionamento di un enzima: la saccarasi durante la catalisi del saccarosio in glucosio e fruttosio :

1.​ Formazione del complesso enzima-substrato: il saccarosio (substrato) si avvicina all'enzima saccarasi e si lega al

sito attivo dell'enzima; quando il substrato si lega, l’enzima cambia la sua struttura per adattarsi meglio al

substrato, questo fenomeno è chiamato "adattamento indotto" e permette all'enzima di legare il substrato più

strettamente.

2.​ Conversione del substrato: una volta legato, il substrato viene convertito nei suoi prodotti; nel caso del

saccarosio, viene scisso in due monosaccaridi (glucosio e fruttosio) per idrolisi.

3.​ Rilascio dei prodotti: dopo la conversione del saccarosio, i prodotti della reazione (glucosio e fruttosio) vengono

rilasciati dall'enzima; a questo punto, il sito attivo dell'enzima si libera.

4.​ Ricomincio del ciclo: una volta che i prodotti sono rilasciati, il sito attivo dell'enzima è nuovamente disponibile per

legare un'altra molecola di substrato, e il processo può ripetersi.

Gli inibitori enzimatici sono molecole che si legano all'enzima e ne riducono l'attività; gli inibitori possono essere:

irreversibili, come la penicillina, che si legano permanentemente all'enzima;

●​ reversibili, i quali si distinguono in competitivi e non competitivi:

●​ inibizione competitiva: l'inibitore compete con il substrato per il legame al sito attivo dell'enzima; quando

○​ l'inibitore si lega al sito attivo e impedisce al substrato di legarsi, bloccando l'attività enzimatica

inibizione non competitiva: l'inibitore si lega a un sito diverso dal sito attivo. questo legame altera la

○​ conformazione dell'enzima, riducendo la sua attività catalitica o impedendo al substrato di legarsi correttamente

Un altro importante meccanismo di regolazione è quello allosterico:

regolazione allosterica: un enzima può avere subunità catalitiche (C) e subunità rego