Metabolismo e scienze

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Testo

SCHEMA DI STUDIO
Fotosintesi
- ATP accumula energia sottoforma di legami covalenti fra gruppi di fosfato.
- NADP = Nicotinammide adenin dinucleotide fosfato.
- NAD = Nicotinammide adenin dinucleotide.
- NADP + 2e + H = NADPH.
- NAD + 2e + H = NADH.
- Cloroplasti e mitocondri = organuli che ricaricano i trasportatori di energia.
- La fotosintesi:
1. Energia solare (energia di legame).
2. Sintetizzazione di molecole complesse.
3. Avviene nei cloroplasti (vedi figura).
4. Le membrane e lo spazio tilacoidale ospitano enzimi e molecole per trasformare l’energia luminosa in energia dei trasportatori ATP e NADPH.
5. Nello stroma si trovano enzimi adibiti alla produzione di zuccheri.
6. FASE LUMINOSA: richiede la presenza di luce, che viene catturata tramite fotosistemi (es. clorofille e carotenoidi), che sono formati da antenna e centro di reazione. Questa fase inizia dal Fotosistema II (grazie ad esso i protoni sono più abbondanti nello spazio tilacoidale che nello stroma): quando questo è esposto alla luce, gli elettroni di una molecola di clorofilla acquistano energia e la molecola è in grado di donare elettroni alle proteine accettrici della catena di trasporto; il fotosistema II ripristina gli elettroni persi ossidando una molecola d’acqua: 2H2O -> 4H + 4e + O2. Poi il fotosistema I riceve gli elettroni generati dal fotosistema II che sono giunti lì tramite la catena di trasporto.
7. FASE AL BUIO: fase indipendente dalla luce. Qui ATP e NADPH sono utilizzati per sintetizzare zuccheri. Ciò avviene nel ciclo di Calvin in assenza di luce. 3 giri del ciclo di Calvin formano una molecola di gliceraldeide 3-fosfato. Questo è l’unità chimica base per produrre zuccheri: una parte di gliceraldeide 3-fosfato rimane nei cloroplasti per essere trasformata in amido, l’altra viene trasferita nel citoplasma per produrre saccarosio.
- Il catabolismo:
1. Glicolisi -> reazioni chimiche che avvengono nel citosol e forniscono ai mitocondri substrati per sintetizzare ATP. Lo zucchero viene trasportato nei mitocondri. Il guadagno di questa reazione è di 2ATP + 2NADH. Il piruvato viene trasferito nei mitocondri. La glicolisi avviene in assenza di ossigeno, quindi le sue reazioni sono dette anaerobiche. Alcuni organismi utilizzano la glicolisi per la produzione di ATP con un processo chiamato fermentazione, dove il piruvato viene trasformato in alcol etilico e CO2. Nei muscoli invece il piruvato diventa acido lattico. Però, nella maggior parte degli organismi la produzione di ATP dipende dai mitocondri, con un processo chiamato respirazione aerobica e permette di ottenere molte più molecole di ATP.
2. Ciclo di Krebs -> Negli organismi aerobi tutte le reazioni successive alla produzione del piruvato avvengono nei mitocondri. Al loro interno, il piruvato è trasformato in CO2 e AcetilCoA, che costituisce il substrato per una sequenza di otto reazioni di ossidazione, il ciclo di Krebs, che avviene nella matrice mitocondriale.
3. Fosforilazione -> Le molecole di NADH prodotte dal ciclo di Krebs donano i loro elettroni ad alta energia alle catene di trasporto comprese nella membrana mitocondriale interna. Attraverso una serie di ossidazioni intermedie, gli elettroni arrivano all’accettore finale di elettroni, che è l’ossigeno molecolare. Il flusso di elettroni lungo la catena è accoppiato alla fosforilazione di ADP in ATP da parte dell’enzima ATP sintetasi. L’intero processo è definito fosforilazione ossidativa.
4. La respirazione aerobica produce più di 30 ATP per ogni molecola di glucosio.

Movimento nella Cellula
- La maggior parte delle reazioni chimiche degli organismi viventi non può avvenire al di fuori delle cellule che li costituiscono.
- La membrana plasmatica separa la cellula dall’ambiente extracellulare.
- Nonostante alcune molecole importanti dal punto di vista biologico possano attraversare liberamente il doppio strato di fosfolipidi, la maggior parte di esse non è in grado di farlo. Molte delle proteine immerse nel doppio strato sono disposte lungo l’intero spessore della membrana plasmatica e costituiscono dei canali attraverso i quali le sostanze possono entrare e uscire dalla cellula. La membrana agisce così come un filtro altamente selettivo, che controlla tutto ciò che entra ed esce dalla cellula stessa.
- Trasporto passivo = zona dove le molecole sono più concentrate -> zona dove sono meno concentrate. (diffusione -> le molecole + piccole oltrepassano la membrana plasmatica con facilità). Seguono il loro gradiente di concentrazione.
- Trasporto attivo = zona dove sono meno concentrate -> zona dove sono più concentrate. Non seguono il loro gradiente di concentrazione.
- In una soluzione, le molecole si spostano spontaneamente da una zona dove sono più concentrate ad una zona dove lo sono di meno grazie ad un processo chiamato diffusione.
- Le molecole che attraversano liberamente il doppio strato di fosfolipidi della membrana plasmatica lo fanno esclusivamente per diffusione, seguendo il proprio gradiente di concentrazione. Sostanze essenziali come l’acqua, l’ossigeno e l’anidride carbonica entrano ed escono dall’organismo in questo modo, essendo molecole di piccole dimensioni, formate da pochi atomi.
- Allo stesso tempo, il doppio strato fosfolipidico è impermeabile a molte sostanze di grande importanza per la cellula, come gli zuccheri e gli amminoacidi, che sono molecole troppo grandi e idrofiliche per diffondere spontaneamente attraverso l’interno idrofobico del doppio strato fosfolipidico.
- Le molecole più voluminose o idrofiliche possono entrare passivamente nella cellula con l’aiuto di proteine inserite nella membrana: questo processo è chiamato diffusione facilitata.
- Le molecole possono attraversare la membrana contro il proprio gradiente di concentrazione solo per il trasporto attivo; questo processo avviene per mezzo di particolari proteine di trasporto, che sono in grado di trasferire sostanze dal lato a minore concentrazione a quello avente concentrazione maggiore usando l’energia dell’ATP.
- Il trasporto attivo spesso agisce in cooperazione con il trasporto passivo per spostare molecole contro gradiente. Si tratta di un trasporto attivo “indiretto” che permette di trasferire molecole diverse contro il loro gradiente di concentrazione, sfruttando come fonte di energia il gradiente di concentrazione di uno ione.
- Per accumulare le risorse necessarie a mantenersi in vita e riprodursi, gli organismi devono trasferire al loro interno i nutrienti ed eliminare i rifiuti. Anche la capacità degli esseri viventi di mantenere costanti le proprie condizioni interne dipende dal flusso continuo di molecole fra le cellule e l’ambiente. Gli individui che accumulano sufficienti risorse nutritive possono riprodursi e quindi tramandare i propri geni. La capacità riproduttiva di un organismo è una misura della sua efficienza nell’accumulare risorse: gli individui più efficienti lasciano un numero maggiore di discendenti e forniscono un contributo maggiore al patrimonio genetico della generazione successiva. Gli organismi pluricellulari affrontano, però, problemi che gli unicellulari non sono chiamati a risolvere. Dopo la riproduzione, per esempio, gli organismi pluricellulari devono svilupparsi: ciò significa che una singola cellula deve trasformarsi in un individuo adulto. Inoltre molti pluricellulari sono dotati di un sistema di distribuzione delle sostanze dal luogo in cui esse vengono introdotte alle cellule che le utilizzano. I pluricellulari devono anche coordinare le funzioni delle loro cellule; ciò richiede sistemi di comunicazione interna che permettano scambi tra tutte le parti del corpo.
- Gli organismi pluricellulari hanno modi diversi per procurarsi energia e mantenere la forma del corpo.
- La vita pluricellulare richiede un alto livello di organizzazione.
- Esistono vari tipi di cellule:
1. Epiteliali -> Si trova all’esterno e nelle cavità interne.
2. Connettivali -> Produce una matrice che sostiene le altre cellule.
3. Muscolari -> Funzione della contrazione per permettere il movimento.
4. Nervose -> Per trasmettere segnali nervosi da una parte all’altra del corpo.
- Nelle piante:
1. Epidermide -> Rivestimento
2. Sistema del tessuto vascolare -> Trasporto acqua e zuccheri.
3. Sistema del tessuto fondamentale -> Sostegno della pianta.

Il Metabolismo
- Primo principio termodinamica = l’energia di un sistema rimane sempre costante. L’energia nè si crea nè si distrugge.
- Secondo principio termodinamica = tutti i sistemi tendono al disordine.
- Gli organismi fotosintetici ricavano energia dalla luce solare e la convertono nell’energia dei legami chimici che si formano tra gli atomi delle molecole degli zuccheri.
- Ciclo del carbonio = Dall’anidride carbonica atmosferica agli zuccheri prodotti dalle piante e poi ancora all’anidride carbonica emessa dagli organismi con la respirazione.
- La perdita di elettroni da parte di un atomo o di una molecola si dice ossidazione, mentre la riduzione consiste nell’acquisto di elettroni.
- Le reazioni metaboliche che sintetizzano molecole complesse a partire dai composti semplici sono dette anaboliche; quelle che degradano molecole complesse per ricavare energia sono chiamate cataboliche.
- Tutte le reazioni chimiche tendono a procedere spontaneamente nella direzione che porta a una maggiore stabilità e a una condizione di minore energia.
- Per rendere più veloci le trasformazioni chimiche, le cellule ricorrono a una classe di proteine specializzate dette enzimi.
- Enzima (proteina) + Substrato (reagente) = Accelerazione reazione chimica.
- Ogni enzima accetta solo un unico substrato.
- Come una serratura accoglie una sola chiave, così ogni enzima presenta un sito attivo dotato della configurazione spaziale corretta.
- Gli enzimi agiscono in gruppo, catalizzando ciascuno una singola tappa di una sequenza di reazioni, definita via metabolica.
- Un modo per aumentare l’efficienza di una via metabolica consiste nell’incrementare la frequenza delle collisioni fra gli enzimi e i loro substrati; ciò si realizza grazie alla vicinanza fisica degli enzimi coinvolti nella medesima catena di reazione.

Esempio



  



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