Bioenergetica - Schemi riassuntivi di Biochimica

3. ENERGIA LIBERA DI GIBBS (G)

L’energia libera è una funzione di stato che indica la quantità di lavoro utile

ottenibile da una reazione chimica che avviene a temperatura e pressione

costante.

La composizione di un sistema che sta reagendo tende a cambiare

continuamente finché non viene raggiunto un equilibrio. La concentrazione

dei reagenti e dei prodotti all’equilibrio definiscono la costante di equilibrio

:

K

eq

Quando un sistema non è all’equilibrio, la tendenza a spostarsi verso

l’equilibrio diventa la forza trainante, la cui intensità è espressa dalla

variazione di energia libera ΔG della reazione. La forza che spinge un sistema

verso l’equilibrio viene definita come variazione di energia libera standard

ΔG°. è una costante fisica caratteristica di ogni reazione, anche ΔG’° è

Come K’

eq e ΔG’°:

una costante. Esiste una semplice relazione tra K’ eq

Bisogna tuttavia distinguere tra due entità diverse:



‐ La variazione di energia libera ΔG è una funzione delle concentrazioni reali

dei componenti e della temperatura che si ha durante la reazione, condizioni

che possono essere ovviamente diverse da quelle standard.



‐ La variazione di energia libera standard ΔG’° dice in quale direzione

avviene una data reazione per raggiungere l’equilibrio, quando la

concentrazione iniziale di ogni componente è 1,0 M, il pH è 7,0, la

temperatura è 25° e la pressione è 1 atm. È una costante, ha un valore

caratteristico per ogni reazione.

I valori di ΔG e ΔG’° di una reazione del tipo aA + bB ↔ cC + dD, sono tra loro

correlati dalla seguente equazione:

I termini di questa equazione rappresentano l’effetto comunemente noto con

c d a b

[D] / [A] [B] viene

il nome di azione di massa, il termine rapporto [C]

chiamato rapporto di azione di massa, Q.

In tutti gli organismi viventi le sostanze vengono prodotte in una serie di reazioni

biochimiche rigorosamente coordinate:

Le energie libere di reazioni in successione sono additive. L’E prodotta da processi

esoergonici fornisce la forza termodinamica per alimentare quelli endoergonici. Le

reazioni biochimiche accoppiate sono catalizzate da enzimi.

Questo principio della bioenergetica spiega come una reazione

termodinamicamente sfavorita (endoergonica) possa essere guidata in avanti

mediante il suo accoppiamento con una reazione altamente esoergonica, se è

presente un intermedio comune. Per esempio la sintesi del glucosio 6‐fosfato.

I COMPOSTI AD ALTA ENERGIA: CONCETTI CHIAVE

‐ Gli organismi catturano l’energia rilasciata dalla degradazione delle sostanze

nutrienti sotto forma di “composti ad alta energia” quali l’ATP, la cui

successiva idrolisi è utilizzata per alimentare le reazioni endoergoniche.

‐ L’”alta energia” dell’ATP è correlata all’ampia variazione negativa in energia

libera dovuta all’idrolisi dei suoi legami fosfoanidridici.

‐ L’idrolisi dell’ATP può essere accoppiata a una reazione endoergonica in modo

che la reazione complessiva sia favorita.

‐ I gruppi fosforici (Pi) sono trasferiti dai composti a elevato potenziale di

trasferimento del gruppo fosforico a quelli con basso potenziale.

CICLO DELL’ATP

Nel ciclo ATP/ADP, un apporto di energia permette ad una molecole di ADP di legarsi

ad un gruppo fosfato, formando una molecola di ATP. A sua volta, poi, la molecola di

ATP cede un gruppo fosfato e si trasforma nuovamente in una molecola di ADP. Il

processo per cui un gruppo fosfato viene aggiunto ad una molecola è chiamato

fosforilazione. Quando una molecola viene fosforilata dall’ATP generalmente il suo

contenuto di energia aumenta, sicché la molecola viene attivata e messa in grado di

partecipare a una determinata reazione.

Molecole con potenziale di trasferimento di gruppi fosforici (Pi) maggiori di ATP

trasferiscono Pi ad ADP, quelle con potenziale di trasferimento minori di ATP,

ricevono Pi da ATP. 2+ :

Il 90% dei complessi di ATP, ADP e Pi, forma complessi con lo ione Mg

2‐ , la cui ΔG’° varia da ‐50 a ‐65 kJ/mole ed è indicata da

Il vero substrato è MgATP

ΔGp, ossia il potenziale di fosforilazione.

REAZIONI DI OSSIDORIDUZIONE

Il trasferimento di un gruppo fosforico è una delle caratteristiche fondamentali del

metabolismo. Di cruciale importanza sono anche le razioni metaboliche di

trasferimento degli elettroni. Queste reazioni di ossidoriduzione implicano la perdita

di elettroni da una specie chimica, che diventa quindi ossidata, e l’acquisizione di

elettroni da parte di un’altra specie chimica, che si riduce. Il flusso di elettroni nelle

reazioni di ossidoriduzione è responsabile di tutto il lavoro prodotto dagli organismi

viventi.

Nelle reazioni catalizzate da enzimi, gli elettroni passano da diversi intermedi

metabolici a trasportatori di elettroni specializzati. Questi trasportatori donano a

loro volta gli elettroni ad accettori con un’alta affinità per gli elettroni, con il

contemporaneo rilascio di energia. Le cellule contengono una grande varietà di

molecole che si comportano da trasduttori energetici e che possono convertire

l’energia generata dal flusso degli elettroni in lavoro utile.

Il potenziale di riduzione di una reazione descrive la tendenza di un composto

ossidato di accettare elettroni (di ridursi).

L’energia libera e il potenziale di riduzione sono negativamente correlati: più è