Bioenergetica, enzimi

Come avviene il flusso di energia all'interno del Pianeta?

La fonte primaria di energia è il sole, che permette agli organismi (che usano la luce per produrre nutrimento) di produrre fototrofi organici, fonte di energia per i fototrofi stessi ma anche per altri organismi viventi, detti chemiotrofi, che sfruttano l'energia contenuta nei legami chimici dei composti organici prodotti dalle piante.

Gli organismi chemiotrofi, però, necessitano anche di ossigeno per estrarre l'energia immagazzinata nei legami chimici e, di conseguenza, potersi nutrire. Questo ossigeno viene prodotto direttamente dai fototrofi attraverso la fotosintesi clorofilliana.

Il prodotto di scarto dei chemiotrofi, invece, nella demolizione dei composti organici durante la respirazione cellulare, è l'anidride carbonica, nutrimento dei fototrofi, che danno così inizio a un nuovo ciclo. Dal metabolismo dei chemiotrofi si producono anche altri composti inorganici come...

acqua e nitrato. All'interno di questo sistema (aumento del disordine) diminuisce nel momento in cui vengono sintetizzati i composti organici. Per diminuire l'entropia è necessaria energia, che viene presa direttamente dal sole. Dunque, nella fase crescente del ciclo si costruisce, si diminuisce l'entropia delle sostanze inorganiche per sintetizzare molecole organiche. Al contrario, quando i composti organici vengono demoliti dai chemiotrofi, si ha un aumento dell'entropia.

Un altro concetto termodinamico correlato alla bioenergetica è l'energia libera. I composti organici, infatti, sono composti che, potenzialmente, possono mettere a disposizione energia per i chemiotrofi, quindi l'energia libera aumenta durante la sintesi di questi composti organici e diminuisce nella demolizione di essi. Entropia ed energia libera sono due concetti che procedono in senso opposto.

N.B.: L'universo, nello sfruttamento

'dell’energia disponibile, procede spontaneamente e inesorabilmente verso l aumento del disordine’(entropia). Così facendo, l’energia disponibile diventa inutilizzabile, infatti la fonte di energia solare, se paragonata ai tempi di vita umana, è inesauribile, ma, se paragonata a tempi cosmici, è destinata ad estinguersi. Nella trasformazione di energia in lavoro, parte dell’energia stessa viene dissipata sia a livello dei fototrofi che a livello dei chemiotrofi e non può più essere utilizzata per produrre lavoro.

TERMODINAMICA: studio della trasformazione dell’energia. Attenzione alle seguenti definizioni:

• SISTEMA: parte ristretta di universo che si vuole studiare in un momento, tutto il resto dell’universo è determinato l’AMBIENTE CIRCOSTANTE.
• Sistema aperto (organismi): scambio di (energia solare e calore) e (H2O, CO2, O2). Assorbe energia luminosa energia materia 2 2 2(dal sole) e chimica (dai

composti organici) e, successivamente libera nell'ambiente calore e prodotti metabolici di rifiuto;

• Sistema chiuso: non c'è né scambio di energia, né di materia. Esso è incompatibile con la vita, gli organismi viventi, infatti, sono sistemi aperti.
• Stato: condizione il sistema si trova. Esso comprende alcune variabili, come temperatura, volume e pressione, proprietà che, per definire un certo stato, devono essere mantenute costanti.
• CALORE: forma di energia che viene trasferita tra due corpi che hanno temperatura diversa. In un processo spontaneo, il corpo più caldo riscalda quello più freddo finché non si raggiunge l'equilibrio termico. I sistemi cellulari sono isotermici, devono dunque mantenere sempre la stessa temperatura, quindi fornire energia sotto forma di calore non è utile per permettere loro di compiere lavoro. Si misura in (1cal = quantità di energia necessaria per innalzare

di 1°C la temperatura di 1g di acqua alla pressione di 1atm).

LAVORO: è l'uso di energia per permettere a qualsiasi processo diverso dal flusso di calore di avvenire. Un lavoro può dunque fornire energia perché un altro tipo di lavoro si compia all'interno della cellula. Il flusso di energia dall'ambiente alla cellula o all'interno della cellula stessa può avvenire per mezzo di diversi tipi di lavoro. Si misura in (1J = lavoro compiuto dalla forza di 1N per spostare un corpo di 1m lungo la sua linea di azione).

ENERGIA: capacità di compiere lavoro, di causare specifici cambiamenti fisici o chimici. Non il calore, ma il lavoro può portare trasformazioni all'interno della cellula, sia chimici che fisici.

EQUILIBRIO E LAVORO: In un sistema chiuso, l'acqua, sottoposta alla forza peso, fluisce dalla cisterna più in alto (dove è maggiore l'energia potenziale) verso la

cisterna più in alto (dove è maggiore l’energia cinetica). Nel farlo, l’acqua aziona una turbina che permette l’accensione della lampadina. Quando il livello di acqua nelle due cisterne è uguale, si raggiunge l’equilibrio. Insieme all’acqua, anche libera ad un certo punto equilibrio, da quel momento in poi non si può più compiere raggiunge l’energia ’lavoro;

In un aperto, invece, vi è una continua alimentazione a monte e un depauperamento a valle, quindi l’acqua non si sistema raggiunge mai lo stesso livello, di conseguenza anche l’energia libera costante. Il processo procederimane sempre spontaneamente e in modo indefinito.

In una qualsiasi trasformazione, sia chimica che fisica, la varia ( G = energia libera dei prodotti – energia variazione di energia libera Δlibera dei reagenti), essa ci permette di analizzare se un processo avviene spontaneamente o meno, se libera energia o se

• Reazione esoergonica: liberazione di energia; reazione spontanea. L'energia libera dei reagenti è maggiore dell'energia Δlibera dei prodotti. Esempio: demolizione del glucosio a CO2 e H2O in presenza di O2. Questa, che non è una singola reazione, ma una catena di reazioni, produce energia.
• Reazione endoergonica: assorbimento di energia; reazione spontanea. L'energia libera dei reagenti è minore dell'energia Δlibera dei prodotti. Esempio: sintesi del glucosio a partire da CO2 e H2O.

N.B. una reazione esoergonica ed una endoergonica, possono anche essere chiamate, rispettivamente, esotermica ed endotermica, relativamente allo scambio di calore.

Il sistema è quindi NON si può compiere lavoro. Nel momento in cui la cellula raggiunge l'equilibrio è morta. È il metabolismo a tenere la cellula in vita.

Lontana dall'equilibrio. G è dunque misura della spontaneità termodinamica della reazione nella direzione in cui è scritta alle concentrazioni specifiche di Δreagenti e prodotti. Per mantenere attiva una trasformazione chimica in provetta si devono aggiungere continuamente dei reagenti, mentre, nella cellula, è necessario che i reagenti e i prodotti rimangano a concentrazioni stazionarie, lontane dall'equilibrio. Questo permette di tendere esoergonicamente verso l'equilibrio senza mai raggiungerlo. Questo stato in cui le reazioni devono essere mantenute per poter procedere spontaneamente è detto stazionario. Questo stato, a sua volta, è possibile solo perché è una statocellula è un sistema aperto e riceve grandi quantità di energia dall'ambiente. Se la cellula fosse un sistema chiuso tutte le sue reazioni gradualmente andrebbero all'equilibrio e la cellula raggiungerebbe inevitabilmente.

Uno stato di energia libera minima, il quale non si potrebbe compiere lavoro e la vita cesserebbe.

L'accoppiamento energetico è la chiave per cui all'interno della cellula possono avvenire sia processi esoergonici che endoergonici.

La fonte principale di energia per la cellula è l'adenosintrifosfato (l'ATP è in pratica un monomero di RNA). L'ATP contiene all'interno dell'ultimo legame fosfoanidridico un'energia molto elevata che, nel momento in cui questo gruppo fosfato viene idrolizzato, la reazione di idrolisi è accompagnata da uno sviluppo di energia. Dunque la reazione di produzione di ADP e fosfato inorganico (che deriva dall'idrolisi di ATP con allontanamento del gruppo fosfato) produce energia. L'accoppiamento energetico è il processo che permette di combinare una reazione esoergonica ad una endoergonica, infatti all'idrolisi dell'ATP, che è

Una reazione esoergonica, si associa sempre un'altra reazione, che necessita di energia (per esempio la conversione dell'acido glutammico in glutammina). Dalla somma algebrica dei ΔG delle due reazioni, dunque, si otterrà un risultato favorevole, dunque minore di 0.

L'ATP dunque serve per ottenere alcuni intermedi di reazione altamente reattivi (che possono essere sia dei metaboliti chimici che delle strutture dedite al lavoro di trasporto o meccanico), che permettono alla reazione di procedere in modo spontaneo, infatti il gruppo fosfato che si stacca dall'ADP si lega poi alla struttura che necessita di agire. L'aggiunta di un gruppo fosfato crea una situazione di instabilità che fa innescare tutto il processo in modo spontaneo.

L'ATP, però, permette anche la reazione inversa alla sua idrolisi, quindi a partire da ADP si può nuovamente ottenere ATP aggiungendo un gruppo fosfato. Quindi l'ATP non è solo in grado di

Raggiungono questo livello sono in grado di reagire in un determinato istante.