Energia e vita

L'energia è la capacità di compiere lavoro. la maggior parte delle attività cellulari richiede energie; le cellule cos umano energia per il mantenimento delle proprie strutture e per il mantenimento dell'equilibrio interno. Qualsiasi reazione chimica implica una trasformazione di energia. Il ramo della scienza che studia le trasformazioni energetiche prende il nome di termodinamica.

In base al 1° principio l'energia non può essere creata ne distrutta ma solo convertita da una forma all'altra. Per il 2° principio nelle trasformazioni energetiche una parte dell'energia viene sempre dissipata sotto forma di calore.

Negli organismi viventi hanno continuamente luogo delle trasformazioni di energia, ad es. le piante convertono l'energia luminosa proveniente dal sole in energia potenziale chimica, immagazzinata nei legami chimici tra le molecole degli zuccheri prodotti tramite la fotosintesi.

L'energia nelle reazioni chimiche

L'energia chimica utilizzata dalle cellule per compiere lavoro è una forma di energia potenziale immagazzinata nei legami chimici che uniscono gli atomi nelle molecole. I legami ad alta energia potenziale sono legami deboli, cioè instabili che si rompono facilmente, i legami a bassa energia potenziale invece sono forti e stabili. Le reazioni in cui i prodotti hanno un'energia potenziale minore di quella dei reagenti sono reazioni che avvengono spontaneamente e liberano energia. Queste sono dette esoergoniche.

Al contrario, le reazioni i cui prodotti hanno un'energia potenziale maggiore di quella dei reagenti non avvengono spontaneamente a meno che non ricevono energia dall'esterno. Esse sono dette endoergoniche.

Durante le reazioni chimiche si verificano trasformazioni di energia anche quando gli elettroni vengono trasferiti da un atomo all'altro. Questi trasferimenti sono noti come reazioni di ossidoriduzione. La perdita di elettroni prende il nome di ossidazione mentre l'acquisto è detto riduzione; perciò si dice che un atomo che cede uno o+elettroni si ossida, mentre un atomo che acquista uno o+atomi si riduce. L'atomo che si ossida, così come la sostanza in cui è contenuto, è detto riducente perché cede elettroni all'atomo che si riduce, provocandone la riduzione; l'atomo che si riduce, insieme alla sostanza che lomcontiene, è detto invece ossidante perché acquista elettroni dalla specie chimica che si ossida provocandone l'ossidazione.

L'ossidazione e la riduzione, dunque, avvengono sempre contemporaneamente perché un elettrone non può lasciare una tomo senza essere acquistato da un altro atomo. Le molecole organiche che costituiscono le sostanze nutritive sono buoni riducenti e contengono atomi che cepodno facilmente elettroni, ossidandosi. L'ossidaizone dlle sostanze organiche nelle cellule può avvenire sotto forma di deidrogenazione, cioè perdita di atomi di idrogenio. In questo caso la sostanza che si ossida perde 1 o 2 atomi di H.

Anabolismo e catabolismo

L'insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule si chiama metabolismo. Esso è costituito da reazioni di sintesi, coinvolte nella costruzione di strutture , sostanze di riserva  emoleocle complesse, e da reazioni di demolizione che rendono disponibile l'energia contenuta nelle sostanze nutritive per lo svolgimento delle attività cellulari. Le reazioni di sintesi, in cui a partire da reagenti costituiti da molecole piccole e semplici si ottengono prodotti formati da molecole piccole e semplici si ottengono prodotti formati da molecole+grandi, sono dette reazioni anaboliche. Tali reazioni sono endoergoniche, richiedono, quindi, un apporto energetico e posso avvenire solo se accoppiate a reazioni esoergoniche che liberano una quantità sufficiente di energia. L'insieme delle reazioni anaboliche costituisce l'anabolismo:

molecole piccole+energiaàmolecole+grandi

Le reazioni di demolizione, in cui molecole grandi e complesse si scindono in molecole+piccole e semplici sono dette reazioni cataboliche. Poiché liberano energia, queste trasformazioni sono reazioni esoergoniche e il loro insieme costituisce il catabolismo:

molecole grandiàmolecole più piccole+energia

Negli organismi viventi, le reaioni anaboliche, in sui si ha consumo di energia,e e quelle cataboliche, in sui si ha liebrazione di energia, sono solitamente accoppiate, in modo che l'energia possa essere efficacemente trasferita e immagazzinata.

L'ATP

Nelle cellule l'energia liberata dalle reazioni cataboliche non viene utilizzata da quelle anaboliche in modo diretto, ma è trasferita dalle une alle altre da un tipo di molecola intermedia che funge da trasportatore di energia, l'adenosintrifosfato (ATP). Questa sostanza, presente in tutti gli esseri viventi, è un particolare nucleolo costituito da adenina, ribosio e 3 gruppi fosfato.

L'energia chimica viene trasferita tramite questa molecola perché in questo modo può essere suddivisa in piccole quantità aumentando l'efficienza del processo. Nella respirazione cellulare l'energia chimica contenuta quando demoliamo una molecola di glucosio, l'energia che si libera viene trasmessa ad altre 38 molecole, così può essere distribuita+efficacemente.

L'energia ricavata dal glucosio e dalle altre sostanze nutritive viene utilizzata dalla cellula per produrre ATP a partire da adenosindifosfato (ADP) e un gruppo fospato. La reazione di sintesi dell'ATP è, infatti, una reazione di condensazione, che richiede energia:

ADP+Pi+energiaàATP+H O.

In generale, la reazione di aggiunta di gruppo fosfato a una molecola è detta fosforilazione. Il legame che si è formato tra il gruppo fosfato+esterno e quello intermedio è un legame ad alta energia potenziale, di conseguenza quando l'ADP viene scisso per idrolisi formando ADP e un gruppo fosfato, l'energia che era immagazzinata nel legame tra questi 2 gruppi viene liberata e può essere utilizzata per compiere lavoro biologico, cioè per far avvenire reazioni anaboliche:

ATP+H OàADP+Pi+ENERGIA

Le catene di trasporto degli animali

Come fanno le cellule ad avere sempre ATP disponibile? La produzione dell'ATP avviene sia durante la fotosintesi che durante la respirazione cellulare grazie alle catene di trasporto degli elettroni, costituite da un insieme di componenti che partecipano a una serie di reazioni di ossidoriduzione.

Queste catene sono formate da molecole disposte in sequenza, ognuna in grado di accettare elettroni dalla sostanza che la precede, riducendosi, e di cederli a quella che la segue , ossidandosi.

Ogni trasportatore trasferisce lgi elettroni a un livello di energia differente da quello degli altri e via via che gli elettroni passano da uno all'altro si ha liberazione di energia impiegata dalla cellula per produrre ATP.

I trasportatori di elettroni sono per lo+proteine che si trovano nelle membrane interne dei mitocondri e dei cloroplasti.

GLI ENZIMI

Il ramo della biologia che studia le reazioni chimiche che hanno luogo negli organismi viventi prende il nome di biochimica. All'interno delle cellule le reazioni avvengono in tempi rapidi e a temperature relativamente basse grazie all'intervento degli enzimi, proteine che hanno la proprietà di far aumentare le reazioni.

La velocità delle reazioni chimiche.

Perché avvenga una reazione chimica le molecole dei reagenti devono urtarsi con energia sufficiente a permettere la rottura dei legami  presenti tra di esse e la formazione di nuovi legami nei prodotti. Perché un urto sia efficace le particelle dei reagenti devono essere orientate correttamente e devono scontarsi con sufficiente energia. L'energia minima che i reagenti devono possedere è l'energia di attivazione e può essere considerata una sorta di barriera da oltrepassare per trasformarsi nei prodotti. La velocità di una reazione chimica dipende strettamente dal valore della sua energia di attivazione: maggiore è questo valore minore è la sua velocità.

Un altro sistema per accelerare una reazione chimica consiste nel raggiungere un catalizzatore alla miscela dei reagenti. Un catalizzatore è una sostanza che fa aumentare la velocità di una reazione aumentando l'efficacia degli urti tra le molecole e abbassando l'energia di attivazione.

Gli enzimi catalizzatori.

Per far avvenire le reazioni a velocità adeguata, le cellule non possono aumentare troppo la temperatura perché il calore denaturerebbe le proteine. Per risolvere questo problema le cellule fanno ricorso agli enzimi, molecole organiche che fungono da catalizzatori biologici abbassando l'energia di attivazione delle reazioni biologiche. Gli enzimi sono proteine e hanno la caratteristica di essere altamente specifici: ogni enzima catalizza solo una o poche reazioni.

I reagenti di una reazione catalizzata si dicono substrati. Il nome di un enzima si ottiene aggiungendo il suffisso -asi al nome del substrato su cui agisce.

Struttura e funzioni degli enzimi.

Il substrato di una reazione si lega in un punto specifico dell'enzima detto sito attivo, una specie di tasca nella quale il substrato si incastrata un po' come una chiave nella sua serratura. Il legame tra enzima e substrato da origine al complesso enzima-substrato nel quale i substrati sono posizionati in modo tale da favorire la reazione.

La presenza dei substrati nel sito attivo sembra indurre una variazione di forma dell'enzima, determinando un adattamento del sito attivo al substrato che favorirebbe ulteriormente la formazione del prodotto (modello dell'adattamento indotto).

I fattori che regolano l'attività enzimatica.

Per poter esercitare la loro attività gli enzimi richiedono un cofattore che può essere uno ione o una molecole organica non proteica chiamata coenzima (vitamine e derivati). L'attività enzimatica è influenzata anche da temperatura e ph; infatti ogni enzima funziona al meglio entro un determinato intervallo di temperatura; ogni enzima presenta un ph ottimale che nella maggior parte dei casi è vicino alla neutralità.

LE VIE METABOLICHE

Una via metabolica è una serie di reazioni chimiche collegate, ognuna catalizzata da un enzima specifico. Tutte le reazioni biochimiche sono organizzate in una complessa rete di vie metaboliche in ciascuna delle quali il prodotto di una reazione enzimatica diventa substrato in quella successiva.

Il controllo delle vie metaboliche.

È essenziale per la sopravvivenza se non vi fosse alcun controllo le reazioni avverrebbero nel caos.

La regolazione della sintesi enzimatica.

Quando uno dei prodotti finali è richiesto in grande quantità la cellula può rispondere alla necessità aumentando la velocità con la quale vengono  sintetizzati gli enzimi che catalizzano le reazioni di quella via metabolica. Al contrario se il prodotto non serve più la produzione degli enzimi può diminuire.

La regolazione dell'attività enzimatica.

Avviene attraverso un meccanismo a retroazione o feedback. Ciò indica una sequenza ciclica di azioni e reazioni in grado di opporsi a variazioni dell'ambiente interno. Quando la regolazione avviene tramite un meccanismo che ha un'azione opposta a quella del processo i n atto, si parla di retroazione negativa. Un esempio di ciò si ha quando alte concentrazioni di un prodotto finale di una via metabolica causano l'inattivazione del primo enzima del sistema (inibizione del prodotto finale). Il prodotto finale inattiva l'enzima legandosi ad esso e modificandone la forma in modo che non possa più adattarsi al substrato.