La cellula interagisce con l'ambiente: metabolismo energetico cellulare

Flussi di energia: il metabolismo energetico

Introduzione

• Le fonti di materia
• Le fonti di energia

Energia e legami chimici

• Energia e reazioni di ossidoriduzione
• Gli autotrofi (foto-autotrofi)
• Gli eterotrofi
• I chemio-autotrofi

Un modello di fabbrica

• ATP: informazioni e funzionamento
• NAD e FAD: struttura e funzione dei coenzimi ossidoriduttivi
• Il metabolismo energetico: anabolismo, catabolismo
• I diagrammi di reazione e l'energia di attivazione

Le vie metaboliche

Gli enzimi:

• caratteristiche,
• meccanismo di funzionamento,.

La respirazione cellulare:

• caratteristiche generali
• la glicolisi
• il ciclo di Krebs
• la catena di trasporto degli elettroni
• bilancio finale

Le fermentazioni: premessa

• Fermentazione alcolica
• Fermentazione lattica

Energia e vita: le fonti di energia

Abbiamo già detto che tutti gli organismi per vivere devono mantenere l'ordine interno, effettuare movimento e, nel caso degli omeotermi, mantenere la temperatura stabile. Per fare questo devono compiere un lavoro ed hanno bisogno di energia.

L'energia in natura è presente in molte forme (potenziale, cinetica, nucleare, termica ecc.) ma gli organismi possono prenderla solamente da due di queste:

• energia luminosa: è la frazione di tutta l'energia elettromagnetica inviataci dal Sole, chiamata «visibile», con lunghezze d'onda comprese tra 390 e 700 nm.

energia chimica: è quella contenuta nei legami chimici che tengono uniti gli atomi all'interno delle molecole (sia organiche che inorganiche). L'energia chimica si libera sia rompendo i legami sia ossidando gli atomi delle molecole (vedi dopo)

Frequenza (Hz) 1024 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 Raggi gamma Raggi X UV Infrarossi Microonde Onde radio 10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 Lunghezza d'onda (m) Visibile A =390 450 500 550 600 650 700 760 nm

Energia e legami chimici

Seppur non sia del tutto corretto possiamo affermare per semplificazione che la rottura di un legame chimico comporta la liberazione dell' energia in esso contenuta.

Gli eterotrofi demolendo quindi le molecole organiche di cui si cibano (glucosio e altre) ne liberano l'energia chimica contenuta e la sfruttano per il loro fabbisogno.

Il processo metabolico con cui ciò avviene è la respirazione cellulare ed avviene nei mitocondri.

Viceversa la formazione di un legame chimico è un processo che richiede energia.

Gli autotrofi infatti, partendo da molecole molto piccole, ne creano di più grandi e quindi devono formare nuovi legami.

L'energia necessaria per formare questi legami viene presa da quella luminosa attraverso il processo detto fotosintesi.

Energia e reazioni di ossidoriduzione

Per essere più precisi dobbiamo dire che le molecole del cibo non vengono solo scomposte in molecole più piccole ma vengono anche ossidate.

In genere l'ossidazione è un processo chimico che quasi sempre consiste nella combinazione di una sostanza o di un atomo con l'ossigeno.

E una delle reazioni più comuni ed in molti casi libera una grande quantità di energia. Poiché l'energia viene liberata le ossidazioni sono processi spontanei.

• La reazione inversa all'ossidazione è detta riduzione la quale invece richiede energia

Si possono ossidare moltissimi elementi come ad esempio i metalli (ferro, rame ecc.), lo zolfo , l'azoto ecc.

• Parlando di organismi viventi abbiamo però a che fare con molecole organiche che sono fatte in gran parte di carbonio. Anche il carbonio può essere ossidato e ridotto
• Il carbonio è presente in natura in forme molto ossidate, molto ridotte o intermedie

Tutto il flusso di energia che utilizzano gli esseri viventi (nelle catene alimentari) scambiandosi le molecole organiche non è altro che la continua riduzione del C operata dagli autotrofi sfruttando l'energia luminosa e la sua liberazione operata dagli eterotrofi con l'ossidazione

Livello di ossidazione dell'azoto

H OH O 0 1 -N -N -N -N H H o A 1º amine An hydroxylamine A nitroso compound A nitro compound H OH 0 -N N -N A 2° amine An hydroxylamine A nitroxyl radical more oxidized

Livelli di ossidazione del carbonio #1

H H H OH 1 H-C-H H-C-OH H-C=0 H-C=0 0=C=0 H H Methane Methanol Formaldehyde Formic acid Carbon dioxide Number of heteroatoms attached to C 0 1 2 3 4 More oxidized More reduced

Livelli di ossidazione del carbonio #2

CO2 0 Increasing oxidation HO state CH3 REDUCTION (a) Oxygen-containing organic compounds OXIDATION Functional group: R3C- NH2 Amine R2C=NH Imine RC =N Nitrile Oxidation state of carbon: -2 0 +2 REDUCTION (b) Nitrogen-containing organic compounds OXIDATION Functional group: R3C-H Alkane -4 R3C-OH Alcohol -2 R2C=0 Carbonyl 0 RCO2H 0=c=0 Carboxylic acid Carbon dioxide +2 +4 +2 0 H3C CH3 0 H3C-OH -2 CH4 -4 +4 Oxidation state of carbon:

Le tre categorie di organismi

Incrociando le due fonti di energia sfruttabili (luminosa e chimica) con le due tipologie di materia disponibili (organica ed inorganica) dividiamo gli organismi viventi in 3 grandi categorie metaboliche:

Fotoautotrofi: e. luminosa + m. inorganica Eterotrofi: e. chimica + m. organica Chemioautotrofi: e. chimica + m. inorganica

Energia e vita: gli autotrofi

Gli organismi che riescono a costruire molecole organiche utilizzando una fonte di carbonio inorganico (soprattutto la CO2 atmosferica) e come fonte di energia l'energia luminosa sono detti autotrofi (per la precisione fotoautotrofi o autotrofi fotosintetici)

• Gli organismi fotoautotrofi esistenti in natura sono la piante, le alghe e i batteri fotosintetici (cianobatteri).
• Il processo biochimico utilizzato da tutti questi organismi è la fotosintesi clorofilliana.
• Questo processo permette la cattura dell'energia luminosa che viene poi utilizzata per creare dei legami chimici con formazione di molecole organiche (glucosio in prima battuta e poi successivamente le altre come proteine e lipidi).
• All'interno degli ecosistemi svolgono il ruolo di produttori e si trovano sempre alla base delle piramidi ecologiche (in particolare di quella dell'energia).
• La loro incessante opera mette continuamente a disposizione di tutti gli altri organismi non autotrofi sia l'energia chimica che la sostanza organica (il cibo)

Energia e vita: gli eterotrofi

Gli altri organismi invece ricavano energia dalla distruzione (catabolismo) di molecole organiche sono detti eterotrofi. Le stesse molecole che forniscono energia, forniscono contemporaneamente anche la materia. Quindi per loro il cibo (sostanza organica) è sia fonte di energia che di materia.

• Questi non fanno altro che rompere i legami chimici che tengono uniti gli atomi all'interno delle molecole organiche liberandone l'energia contenuta
• Fanno parte di questo gruppo gli animali (sia pluricellulari che unicellulari come i protozoi), i funghi (sia pluricellulari che unicellulari come i lieviti) ed i batteri non fotosintetici
• In particolare gli animali si cibano di organismi viventi mentre i funghi di materia organica in decomposizione.
• La quantità di energia effettivamente fruttabile dagli eterotrofi è sempre inferiore al totale di quella contenuta nel cibo perché molta vi dispersa come calore (una forma di energia non recuperabile)
• Nota: Il fatto che siano molecole organiche vuol dire che sono state prodotte da altri organismi viventi (gli autotrofi). In natura non esisterebbero molecole organiche (zuccheri, proteine, lipidi ecc.) se non ci fosse vita.

Ricapitolando

Fonte di materia Categoria Organismi tipici Fonte di energia C N P Fotoautotrofo piante, alghe e cianobatteri Luminosa CO2 Nitrati, ammonia ca, urea fosfati Eterotrofo (chemioetrotrofo) animali, funghi, protozoi, lieviti, batteri Energia chimica dall'ossidazione di molecole organiche Molecole organiche Chemioautotrofo batteri Energia chimica dall'ossidazione di molecole inorganiche CO2

Ecosistema

0 Sole Atmosfera Apporto di energia luminosa O. CO Dispersione di energia sotto forma di calore CO Energia chimica Riciclaggio degli elementi chimici nutritivi Consumatori Decompositori HO Suolo

In un ecosistema generalmente abbiamo 3 o 4 livelli di organismi che vengono attraversati da questo flusso:

A. i primari (o produttori) autotrofi che sono le piante;

B. i secondari (consumatori) eterotrofi che sono erbivori e si cibano dei primari;

C. i terziari (consumatori) eterotrofi che sono carnivori e si cibano dei secondari;

D. I detritivori o decompositori che si cibano dei resti degli altro organismi morti e sono dunque eterotrofi

In definitiva l'energia entra come luminosa, viene trasformata in chimica e rilasciata infine come calore (sia durante la vita che alla morte e decomposizione degli organismi)

Primo livello trofico Secondo livello trófico Terzo livello trófico Quarto livello trofico Produttori (piante) Consumatori primari (erbivori) Consumatori secondari (carnivori) Consumatori terziari (carnivori al vertice della catena alimentare) Calore Calore Calore Calore Enegia solare Calore Calore Calore Calore Calore Detrivori (decompositori e organismi che si alimentano di detrito) Produttori

Energia e vita: un modello di fabbrica

Le cellule di entrambe le categorie (autotrofi ed eterotrofi) possono essere quindi paragonate a fabbriche all'interno delle quali entrano in continuazione i reagenti delle varie reazioni chimiche (in questo caso biochimiche) ed escono i prodotti.

Questi prodotti possono poi essere i reagenti di reazioni successive dando origine alle vie metaboliche (vedi dopo).

• Nei procarioti, che non hanno organelli, tutte le reazioni avvengono in un unico ambiente (il citoplasma) dove quindi reagenti e prodotti si mischiano e si distribuiscono uniformemente spinti dai movimenti secondo gradiente.

Negli eucarioti invece è possibile suddividere le diverse reazioni in diversi ambienti confinati da membrane (gli organelli). In questa maniera si possono tenere separate le varie reazioni, i diversi reagenti ed i diversi prodotti. Posso quindi avere una zona con una alta concentrazione di una molecola ed una zona con una concentrazione bassa e mantenerle tali perché i movimenti secondo gradiente sono impediti dalle membrane interne.