l'energia - MedWiki

Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia
Corso di BIOCHIMICA-II
(Anno accademico 2011-2012)
Docenti:
Prof. Guido Camici (coordinatore)
Prof. Paola Chiarugi
Prof. Giovanni Raugei
Dott. Maria Letizia Taddei
Dipartimento di Scienze Biochimiche
Viale Morgagni 50 –Tel. 055-4598302

TESTI PRINCIPALI DI RIFERIMENTO
• NELSON E COX
• I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI
LEHNINGER
• ZANICHELLI EDITORE
• SILIPRANDI & TETTAMANTI
• BIOCHIMICA MEDICA
• PICCIN EDITORE

Autotrofi
fotosintetici
O 2
& COMPOSTI
ORGANICI
CO 2
Eterotrofi

Il fenomeno della VITA:
• consiste nella capacità di certi sistemi (autotrofi
fotosintetici) di convertire energia radiante in forme
appropriate di energia chimica
• e di altri sistemi (eterotrofi) di convertire sostanze in forme
appropriate di energia chimica. (ATP ATP, NADPH, NADPH ……), che
sono successivamente utilizzate per la crescita , la
riproduzione e ……….
• L’uomo è un sistema eterotrofo !

Organismi Organismi differenti utilizzano differenti
modalità modalit per ottenere carbonio ed energia: energia
– carbonio: carbonio
• Gli Autotrofi usano CO 2
• Gli Eterotrofi usano carbonio organico
– energia: energia
• I Fototrofi usano la luce
• I Chemotrofi usano carboidrati,
carboidrati,
grassi e proteine
Chemoeterotrofi
– Tutti gli animali sono organismi Chemoeterotrofi
– Le piante sono organismi Fotoautotrofi

CARBURANTE CARBURANTE CARBURANTE CARBURANTE + + + + O O
O
O2
CO CO CO
CO
CO2
+ + + + + H H
H
H2O
L’energia energia chimica contenuta nelle molecole di carburante viene
convertita in energia meccanica dal motore dell’auto dell auto e quindi
utilizzata per far muovere la vettura (cioè (cio per compiere un lavoro)

ALIMENTI ALIMENTI ALIMENTI ALIMENTI + + + + O O
O
O2
CO CO
CO
CO2
+ + + + H H
H
H2O
L’energia energia chimica contenuta nelle molecole degli alimenti
viene convertita in un’altra un altra forma di energia chimica e
quindi utilizzata per effettuare i vari tipi di lavoro
necessario per sostenere i processi vitali degli organismi

Antoine Lavoisier (1743-1794)
(1743 1794)
“La La respirazione non è altro che una lenta
combustione di carbonio e idrogeno, del
tutto simile a quella che avviene in una
lampada o in una candela e quindi, da
questo punto di vista, gli animali che
respirano sono veri corpi combustibili che
bruciano e consumano se stessi” stessi

L’ENERGIA:
Il tuffatore sul trampolino ha
più energia potenziale
Una forma di
energia può
essere convertita
in un’altra
Se risale i gradini converte
l’energia cinetica fornita dai
muscoli in energia potenziale
Tuffandosi converte l’energia
potenziale in energia cinetica
Quando si troverà
nell’acqua la sua energia
potenziale è diminuita

ATP
ATP ATP
Organismo

C6H12 12 O6 + 6O 2
ATP
ATP
6CO 2 + 6H 2O O + 640 kcal/mole
ATP
ATP
Se Se si brucia glucosio in presenza di aria si
produce solo calore (+ H 2O O e CO 2 )
Se Se il glucosio viene metabolizzato da un
organismo aerobio, si formano ugualmente
H2O O e CO 2, , ma una parte dell’energia dell energia in
esso contenuta viene conservata
sottoforma di ATP che, a sua volta, è usato
dall’organismo dall organismo per produrre lavoro utile !

Il METABOLISMO:
• è la capacità capacit di acquisire energia e di usarla per i fini
propri della vita
• è l’insieme insieme di tutte le reazioni chimiche che
avvengono nella cellula
• implica interazioni tra biomolecole
Due tipologie di metabolismo:
1. CATABOLISMO
2. ANABOLISMO

Catabolic vs anabolic metabolic pathways
• Catabolic pathways
produce energy by
breaking down
ingested or stored
fuel molecules
• Anabolic pathways
consume energy to
build the components
of the cell

Energy Coupling in Metabolism
Catabolic Reactions provide the energy that
drives Anabolic Reactions forward
Catabolic reaction
Anabolic reaction

IL METABOLISMO

ATP
amino acidi proteine
nucleotidi acidi nucleici (DNA/RNA)
glicerolo + acidi grassi
glucosio
acetil-Coa
ADP + Pi
BIOSINTESI
trigliceridi
glicogeno
colesterolo
L’ATP è necessario per tutte le biosintesi, cioè per costruire molecole più grandi
o più complesse a partire da molecole più piccole. Alcune biosintesi sono
schematizzate sopra, ma nella cellula ne avvengono molte altre.
Nelle biosintesi (Anabolismo) l’ATP viene trasformato in ADP e fosfato
inorganico (Pi). In alcuni processi biosintetici viene trasformato in AMP e
pirofosfato inorganico (PPi).

ATP
muscoli lavoro meccanico
pompa sodio/potassio lavoro di trasporto ionico
diversi carriers
ADP + Pi
LAVORO
trasporto attivo
di metaboliti
calore
L’ATP viene utilizzato per compiere ogni tipo di lavoro delle cellule
o dell’organismo. Alcuni tipi di lavoro sono indicati sopra, insieme
alla generazione di calore.
Durante Durante il il lavoro lavoro ll’ATP
l ATP si trasforma trasforma in ADP ADP e fosfato inorganico (Pi)

Le principali vie di utilizzazione dell’ATP dell ATP
Attivazione Attivazione dei substrati (accopiamento dell’idrolisi dell’ATP
con reazioni endoergoniche)
Strutturazione Strutturazione nativa (Folding) delle proteine
Gradienti Gradienti di concentrazione ai due lati di una membrana
(pompe iniche di membrana, as es. pompa sodio-potassio)
Contrazione Contrazione muscolare
Ogni Ogni altro tipo di lavoro cellulare

CATABOLISMO E ANABOLISMO
I processi catabolici convertono gli alimenti
combustibili in energia cellulare: cellulare
Combustibili Combustibili (carboidrati, grassi, ..) CO
CO
CO 2
+ H
+ H2 O O + + energia
I processi anabolici generano molecole complesse da
molecole semplici, semplici,
usando l’energia energia:
Energia Energia + piccole piccole Molecole Molecole complesse

Il CATABOLISMO:
provvede alla degradazione delle sostanze energetiche
(carboidrati, grassi, proteine)
Nell’uomo è sostenuto da vie metaboliche in genere
ossidative che demoliscono, tappa dopo tappa, le
differenti sostanze energetiche trasformanondole in
anidride carbonica ed acqua.
Tuttavia dette trasformazioni non generano solo calore.
Una parte considevole dell’energia
dell energia (40 - 50 %)
contenuta in queste sostanze (1 g di carboidrati contiene
circa 4 Kcal mentre 1 g di grassi ne contiene circa 9)
viene utilizzata per costruire ATP.
ATP

L’ANABOLISMO
ANABOLISMO:
è quella parte del metabolismo che determina la
costruzione di molecole più complesse a partire da
molecole più semplici (Biosintesi). Ad esempio, le
proteine, gli acidi nucleici, i trigliceridi, i fosfolipidi di
membrana, i carboidrati complessi come il glicogeno e
molte altre biomolecole vengono costruite nella cellula
mediante l’anabolismo.
Esso è costituito da vie metaboliche che utilizzano
l’energia dell’ATP ATP cellulare e, frequentemente, il potere
riducente del NADPH.
NADPH

VIE METABOLICHE
Il Il metabolismo consiste in parecchie
reazioni accoppiate, accoppiate,
connesse l’una una
all’altra all altra da un metabolita comune

Vie metaboliche

Nella cellula le vie metaboliche sono regolate
(regolazione a feed-back feed back (negativa)
(regolazione forward (positiva)

Via metabolica
Glicolisi Glicolisi
β-ossidazione ossidazione
Glicogenolisi
Glicogenolisi
Ciclo Ciclo di Krebs
Esempi di vie cataboliche:
carboidrati (glucosio, fruttosio, galattosio etc.)
acidi grassi (ac. palmitico, ac. stearico etc.)
glicogeno
Composti degradati nella via
acetile (CH3CO; entra nel ciclo come acetil-CoA)

Esempi di vie anaboliche:
Via metabolica
Gluconeogenesi
Gluconeogenesi
Biosintesi Biosintesi degli acidi grassi
Biosintesi Biosintesi del colesterolo
Biosintesi Biosintesi proteica
Biosintesi Biosintesi dei polinucleotidi
carboidrati (glucosio)
acidi grassi (ac. palmitico.)
steroidi
Composti sintetizzati
proteine
DNA & RNA

Mappa del metabolismo
(da: Kyoto Encyclopedia of
Genes and Genomes
www.genome.ad.jp/kegg)
In questa mappa, ogni punto
rappresenta un intermedio;
ogni linea rappresenta un
enzima che agisce su un
intermedio, trasformandolo in
un altro metabolita

Le vie metaboliche sono localizzate in
specifici compartimenti cellulari .

Bioenergetica

UNIVERSO TERMODINAMICO
Sistema isolato
Ambiente
Sistema chiuso
Ambiente
Sistema aperto
Un sistema isolato non
scambia né energia né
materia con l’ambiente
Un sistema chiuso
scambia energia, ma non
materia con l’ambiente
Un sistema aperto
scambia sia energia che
materia con l’ambiente
Tutti gli organismi
sono sistemi aperti
materia
energia

LA PRIMA LEGGE DELLA
TERMODINAMICA
La quantità di energia dell’universo è costante
Una forma di energia può essere convertita in
un’altra, ma non può essere creata né distrutta
Forme: chimica, elettrica, calore, etc...
L’energia può essere conservata per un uso futuro

La seconda legge della
termodinamica
L’universo universo tende ad essere sempre più pi disordinato: disordinato:
In n tutti i processi naturali l’entropia entropia tende ad aumentare.
aumentare

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2
glucosio
6 CO 2 + 6 H 2 O
Minore entropia Maggiore entropia

What is ∆S?
Entropy is a measure of
randomness or disorder
High order,
Low entropy
Low order,
High entropy

Organisms are Energy Transducers
First Law of Thermodynamics:
Energy can be neither created nor destroyed
Therefore, energy “generated” in any system is energy
that has been transformed from one state to another
(e.g., chemically stored energy transformed to heat)
Second Law of Thermodynamics:
Efficiencies of energy transformation never equal 100%
Therefore, all processes lose energy, typically as heat,
and are not reversible unless the system is open & the
lost energy is resupplied from the environment
Conversion to heat is the ultimate fate of chemical energy

Organisms are Energy Transducers
Organisms take in energy & transduce it to new forms (1 st law)
As energy transducers organisms are

ENERGIA LIBERA DI GIBBS
(G)
∆G G = ∆H H –T∆S
“In In un sistema biologico ( a temperatura e pressione
costanti) le variazioni di energia libera (∆G), ( G), di entalpia
(∆H) H) e di entropia (∆S) ( S) sono tra loro correlate”
correlate

Le cellule hanno bisogno di energia libera
Nelle reazioni chimiche, la variazione di energia
libera standard è direttamente correlata alla costante
di equilibrio
∆G’ 0 = -RTl n K’ eq

Il simbolo [ ’ ] indica che i parametri G e K sono
riferiti ai sistemi biologici (pH = 7)
∆G’ 0 = -RTl n K’ eq

La variazione di energia libera (∆G) dipende dalle
concentrazioni reali dei reagenti e dei prodotti
contenuti nella cellula

In condizioni standard, le concentrazioni dei regenti
e dei prodotti sono 1 M
e quindi:
∆G’ 0 rappresenta la variazione di energia libera
standard di una reazione chimica in sistemi biologici !

All’equilibrio ∆G = 0 e le concentrazioni dei reagenti
e dei prodotti sono quelle caratteristiche dell’equilibrio
quindi:
∆G ’0 = -RTl n K’ eq

Free Energy
Free energy is a measure of how far a
reaction is from equilibrium
.
∆G rxn = G products - G substrates
A + B
P
∆G rxn
A + B
∆G rxn
P
∆G > 0 ∆G < 0
A + B P
∆G = 0

kcal = kJ / 4,184
kJ = kcal × 4,184

Se due reazioni hanno un composto in comune, le
variazione di energia libera si possono sommare
1) A B ∆G 1 ’0
2) B C ∆G 2 ’0
somma A C ∆G 1 ’0 + ∆G2 ’0

Le reazioni chimiche coinvolte nel metabolismo
possono essere distinte in endoergoniche (∆G G positivo) positivo)
ed esoergoniche (∆G G negativo) negativo
Nella cellula, le le
reazioni chimiche endorgoniche per
avvenire richiedono la presenza di composti energetici
Il composto energetico più pi importante per le cellule è
l' ATP formato da una base purinica, purinica,
l'adenina l'adenina,
, da un
pentoso, pentoso,
il D-ribosio ribosio e da tre gruppi fosfato.
A T P
Adenosine denosine Tri ri Phosphate hosphate

Le reazioni chimiche coinvolte nel metabolismo
possono essere distinte in endoergoniche ed
esoergoniche
Le reazioni chimiche endorgoniche per avvenire
richiedono la presenza di composti energetici
Il composto energetico più pi importante è l' ATP
formato da una base purinica, purinica,
l'adenina l'adenina,
, e da un
pentoso, pentoso,
il D-ribosio ribosio.
Al ribosio sono legate 3 molecole di acido fosforico: la
prima con un legame di estere, estere,
e le altre 2 con
legami anidridici ad alto contenuto energetico.
energetico

A T P

Hydrolysis of ATP

La reazione di idrolisi dell’ATP si accompagna al rilascio
di una quantità di energia maggiore rispetto a quella di
molte altre reazioni di idrolisi! Perché?
Perch

Energy Coupling via ATP (2/2)

L’energia libera reale dell’ATP negli eritrociti:
ADP = 0,25 mM
Pi = 1,65 mM
ATP = 2,25 mM

Perché il della reazione di idrolisi dell’ATP ha un elevato valore
di energia libera e segno negativo ? (∆G’ 0 = -30,5 30,5 kJ/mole) kJ/mole)

Nella cellula l’ATP, l ATP, l’ADP l ADP e altri nucleotidi analoghi
sono complessati con lo ione Mg 2+ .
(anche se nelle reazioni spesso non è indicato !)

Nella cellula vi sono altri composti con una assai
elevato valore dell’energia dell energia libera di idrolisi !

Anche i tioesteri hanno
un assai elevato valore
dell’energia dell energia libera di
idrolisi !

L’ATP ATP fornisce energia mediante trasferimento di
gruppi, non per semplice idrolisi

L’ATP fornisce energia mediante trasferimento
di gruppi, non per semplice idrolisi

Nella cellula composti fosforilati con una energia libera di idrolisi più pi alta di quella
dell’ATP dell ATP tendono a trasferire gruppi fosfato all’ADP all ADP generando ATP!
L’ATP ATP tende a trasferire gruppi fosfato ad altri composti i cui esteri esteri
fosforici
hanno una energia libera di idrolisi minore di quella dell’ATP dell ATP
Composti con ∆G’ 0
di idrolisi compresi
tra -25 25 e -70 70
kJ/mole kJ/mole
sono detti
“composti composti ricchi
di energia”
energia

I sistemi nucleosidici fosforilati

Interconversione dei nucleosidi fosforilati
Base-Ribosio-P
Base-Ribosio-P-P Adenina-Ribosio-P-P-P
Base-Ribosio-P-P
Base-Ribosio-P-P-P
Necleoside
monofosfato
cinasi
Necleoside
difosfato
cinasi
Adenina-Ribosio-P-P
Adenina-Ribosio-P-P (ADP)
Adenina-Ribosio-P-P-P
(ADP)
(ATP)
(ATP)