Metabolismo chemiotrofo

Metabolismo chemiotrofo

Biologia animale

LE VIE METABOLICHE

la cellula eucariotica, a livello del, mitocondrio può sfruttare substrati organici che, se ossidati, possono fornire alla cellula l’energia

necessaria per vivere?

A partire dall’energia luminosa, le piante possono produrre substrati organici, dai quali poi i chemiotrofi riescono a ricavare l’energia

necessaria, sotto forma di molecole di riserva energetica, (ATP e coenzimi ridotti) per la vita della cellula. Altro elemento fondamentale

‘respirazione

per la produzione di ATP a livello dei mitocondri è l’ (il termine cellulare’ sta proprio ad intendere l’utilizzo di

ossigeno

ossigeno) che ossida i composti organici e fornisce l’energia sufficiente per la biosintesi di ATP. Conseguenza dell’intero processo

che porta alla sintesi di ATP è la produzione di e O, prodotti di scarto che la cellula animale rilascia nell’ambiente e che possono

CO H

2 2

essere utilizzati dai fototrofi per la fotosintesi clorofilliana. Parte dell’energia di questo flusso viene dissipata energia sotto forma

di calore.

Nella cellula avvengono numerose trasformazioni biochimiche, che sono catalizzate da enzimi, all’interno di metaboliche. Esse si

vie

dividono in:

• anaboliche: sintesi di componenti cellulari, reazioni endoergoniche, richiesta di energia e lavoro (diminuzione dell’entropia

vie

e aumento dell’ordine molecolare). ;

• cataboliche: demolizione di componenti cellulari, reazioni esoergoniche, produzione di energia (aumento dell’entropia e

vie

diminuzione dell’ordine molecolare).

Le vie cataboliche liberano energia ossidando i combustibili organici, che contengono energia potenziale depositata nei legami tra i

loro atomi. Con la rottura di questi legami si può liberare l’energia immagazzinata in essi, che può in parte essere sfruttata per

compiere qualsiasi tipo di lavoro. Tuttavia, una via catabolica non è semplicemente il contrario della corrispondente via anabolica.

Per esempio, la via catabolica della degradazione del glucosio e la via anabolica della sua sintesi utilizzano enzimi e prodotti intermedi

che sono in parte diversi tra loro.

L’estrazione di energia nei processi catabolici può essere compiuta con modalità diverse che hanno rese energetiche diverse:

• (in assenza di ossigeno): demolizione parziale dei composti organici iniziali, quindi si ha una

FERMENTAZIONE bassa resa

energetica;

• (in presenza di ossigeno): demolizione totale dei composti organici iniziali, che, in accoppiamento

RESPIRAZIONE AEROBIA

con la glicolisi, ha un’ energetica. Viene operata dagli eucarioti;

alta resa

• (in assenza di ossigeno: demolizione totale dei composti organici iniziali, operata da alcuni

RESPIRAZIONE ANAEROBIA

procarioti. Si ha un’ energetica.

alta resa

L’ATP: LA PRINCIPALE MOLECOLA ENERGETICA

Le reazioni anaboliche delle cellule sono responsabili della biosintesi durante i processi di crescita e riparazione e richiedono apposto

di energia, mentre le reazioni cataboliche che degradano le molecole alimentari liberano l’energia necessaria per rendere possibili le

reazioni anaboliche. La molecola più utilizzata come fonte di energia è l’ATP e critica per la produzione di energia è l’ ATP,

idrolisi di

con conseguente separazione tra ADP e fosfato, che avviene per rottura dell’ultimo legame fosfoanidridico. L’idrolisi dell’ATP è

reversibile, quindi si può anche sintetizzare ATP, con consumo di energia. Dunque la sintesi di ATP è endoergonica, mentre l’idrolisi

di ATP è endoergonica.

Ma non solo l’ATP è in grado di liberare energia per i processi endoergonici, infatti anche alcuni (come NADH), che

coenzimi ridotti

partecipano alle reazioni enzimatiche come cosubstrato, si comportano da trasportatori che possono portare a produzione di energia

per mezzo della loro riduzione.

Perché l’idrolisi di ATP è così altamente esoergonica? ( kcal/mol). Il valore di G così favorevole nella reazione di idrolisi di

G = -7,3

Δ Δ

ATP è legato a:

• tra i gruppi fosfato nella molecola di ATP che rende alto il valore di energia libera. Cariche di stesso

REPULSIONE DI CARICA

segno, infatti, si respingono;

• RISONANZA: stabilizza molto ADP e gruppo fosfato a livello termodinamico, quindi ADP e P hanno un

CONCETTO DI energia

i

bassa. Questo è dovuto alla stabilità del gruppo carbossilico, esso infatti viene formalmente rappresentato

libera molto

da un atomo di carbonio legato con un doppio legame a un ossigeno e da un singolo legame è un altro ossigeno. In realtà

il gruppo carbossilico possiede un doppietto di elettroni che è delocalizzato (distribuito equamente) su tutti i legami del

carbonio con l’ossigeno. La vera struttura dei gruppi carbossilici è in realtà la media delle due strutture contribuenti ed è

detta risonanza.

ibrido di

Ogni legame tra carbonio e ossigeno è equivalente a un legame e mezzo e ogni atomo di ossigeno possiede solo una carica

negativa parziale. Quando gli elettroni sono de localizzati in questo modo, una molecola si trova nel suo stato più stabile e

si dice che è risonanza. Allo stesso modo lo ione fosfato è stabilizzato per risonanza perché il doppietto

stabilizzata per

elettronico in eccesso, mostrato formalmente come parte del doppio legame tra fosforo e ossigeno, e dei localizzato tra

tutti e quattro gli atomi di ossigeno adiacenti al fosfato centrale. Al contrario, l’ATP è una molecola fortemente instabile,

quindi con un libera. Andando a calcolare il G, quindi si otterrà un valore positivo. Questa

elevato valore di energia Δ

caratteristica non è esclusiva solo per l’ATP ma anche di altre molecole, nelle quali il fosfato inorganico si lega con un

legame o anidridico, perché questi tipi di legami portano a delocalizzare gli elettroni in eccesso solamente su tre

esterico

atomi di ossigeno.

Nella tabella, infatti, sono mostrate altre molecole con caratteristiche analoghe all’ATP, ovvero un legame anidridico/esterico e un

G favorevole a livello termodinamico. I legami esterico o anidridico, infatti, immagazzinano una certa quantità di energia che può

Δ

essere rilasciata conseguentemente ad idrolisi. Il valore di energia che viene rilasciata è variabile, dipende da come è costituita la

molecola. Tutti i G delle molecole presenti nella tabella, però, sono negativi, quindi le idrolisi di questi composti sono tutte

Δ

esoergoniche. È interessante sottolineare che l’ATP si trova a metà dell’elenco. Questo significa che quando avviene la reazione di

idrolisi dell’ATP possono avvantaggiarsi dell’energia liberata tutte le reazioni che hanno un kcal/mol. Ad esempio, all’idrolisi

G > -7,3

Δ

di ATP di può accoppiare la fosforilazione del glucosio a glucosio 1-fosfato. Viceversa, per sintetizzare ATP si può sfruttare l’energia

liberata dalle reazioni che hanno un kcal/mol. Ad esempio all’idrolisi del fosfoenolpiruvato può essere accoppiata la sintesi

G < -7,3

Δ

di ATP. In altre parole l’ATP può servire da donatore di fosfato nelle reazioni cerchiate in giallo, che hanno un G maggiore; mentre

Δ

l’ADP può servire da accettore di fosfato nelle reazioni cerchiate in verde, con un G minore.

Δ

Quindi all’idrolisi di fosfoenolpiruvato, di e di fosfocreatina, può essere accoppiata la sintesi di ATP; viceversa,

1,3-bifosfoglicerato

alla sintesi di 1-fosfato, di e di glicerofosfato, può essere accoppiata l’idrolisi di ATP.

glucosio glucosio 6-fosfato

ESEMPIO: nella figura è riportato un esempio di trasferimento esoergonico di gruppi fosfato. A partire dal fosfoenolpiruvato,

infatti, con un kcal/mol, il gruppo fosfato che si stacca dal piruvato, si lega all’ADP per formare ATP, con un

G = -14,8 G = -7,3

Δ Δ

kcal/mol. (-14,8 kcal/mol + 7,3 kcal/mol = -7,5 kcal/mol). Questa sintesi, che normalmente sarebbe endoergonica, può dunque avvenire

in modo esoergonico. A sua volta, l’ATP appena sintetizzato, se idrolizzato, può donare uno dei suoi gruppi fosfato per sintetizzare

il glucosio 6-fosfato, con un kcal/mol. (-7,3 kcal/mol + 3,3 kcal/mol = kcal/mol). In sintesi, molecole con energia libera

G = -3,3 -4

Δ

altra possono donatori di energia per la biosintesi di molecole con energia libera bassa.

L’ATP viene dunque sintetizzato a partire da ADP e P , grazie a vie cataboliche di composti organici ossidabili, che contengono

i

energia nei loro legami, temperatura.

senza significativa variazione di

Metabolismo energetico chemiotrofo

La maggior parte delle reazioni metaboliche negli organismi chemiotrofi implica reazioni di ossido-riduzione, infatti l’equazione

®

complessiva della respirazione cellulare è ed è un’ossidoriduzione. Le ossidoriduzioni prevedono due

C H O + 60 6CO + 6H O

6 12 6 2 2 2

semi-coppie: una formata da un agente riducente (che si ossida cedendo elettroni) e il relativo composto ridotto, l’altra formata

da un agente ossidante (che si riduce acquistando elettroni) e il relativo composto ossidato. Relativamente alla reazione complessiva

della respirazione cellulare, l’ossigeno molecolare si riduce, mentre il carbonio del glucosio si ossida.

Nella chimica biologica, però, all’interno delle reazioni redox, non vengono ce