3.01 – Bioenergetica – introduzione

3.01 – Bioenergetica – introduzione

Ultimo aggiornamento: 30/07/2023

La bioenergetica è una delle branche fondamentali della biologia che si focalizza sull’analisi delle reazioni chimiche che avvengono all’interno delle cellule degli organismi viventi, nonché sullo studio dell’energia coinvolta in tali processi. Questo campo di ricerca è cruciale poiché l’energia è essenziale per sostenere tutte le attività vitali delle cellule, tra cui la sintesi di molecole, il movimento, la divisione cellulare e la trasmissione degli impulsi nervosi.

Gli esseri viventi sono dotati di meccanismi diversi per ottenere l’energia necessaria alla loro sopravvivenza. Due delle principali strategie utilizzate dagli organismi sono l’utilizzo dell’energia luminosa o chimica:

1. Fototrofi: Questa categoria comprende organismi capaci di sfruttare l’energia luminosa, come quella solare, per convertire molecole inorganiche, come acqua e anidride carbonica, in composti organici attraverso il processo di fotosintesi. La fotosintesi è una delle reazioni più cruciali sulla Terra, poiché le piante e alcuni organismi fotosintetici producono ossigeno e glucosio, che costituiscono la base della catena alimentare e forniscono energia a gran parte degli ecosistemi.
2. Chemiotrofi: Gli organismi chemiotrofi ottengono energia attraverso reazioni chimiche che avvengono all’interno delle loro cellule. Questi organismi metabolizzano composti organici o inorganici per produrre energia. Gli animali, ad esempio, sono chemiotrofi perché ottengono energia attraverso la digestione di cibi contenenti molecole nutritive.

Gli organismi, sia fototrofi che chemiotrofi, possono essere ulteriormente classificati in base alla loro capacità di sintetizzare le molecole organiche:

1. Autotrofi: Gli organismi autotrofi sono in grado di sintetizzare nuove molecole organiche partendo da sostanze inorganiche. La fotosintesi è un esempio classico di processo autotrofo, poiché le piante verdi sono in grado di produrre glucosio e altre molecole organiche utilizzando energia luminosa per convertire anidride carbonica e acqua.
2. Eterotrofi: Gli organismi eterotrofi, al contrario, non sono in grado di sintetizzare le loro molecole organiche da sostanze inorganiche. Dipendono invece da altre fonti, come organismi autotrofi o composti organici prodotti da altri, per ottenere le molecole necessarie alla loro crescita e al loro metabolismo. Gli esseri umani sono esempi di organismi eterotrofi poiché ottengono il loro cibo mangiando piante o animali.

Per quanto riguarda la valuta energetica delle cellule, l’ATP (Adenosintrifosfato) è la molecola chiave coinvolta nel trasferimento di energia all’interno delle cellule. Essa è costituita da una molecola di adenina legata tramite un legame covalente a una molecola di ribosio, formando l’adenosina. Il ribosio, a sua volta, è legato a tre gruppi di fosfato, di cui il primo si lega sotto forma di estere, mentre gli altri due sono legati fra di loro sotto forma di anidridi fosforiche. Quando l’ATP viene utilizzato per fornire energia alle reazioni cellulari, avviene un processo di idrolisi, in cui uno dei legami anidridici viene scisso e rilascia una quantità di energia utilizzabile dalla cellula per svolgere varie attività vitali.

In sintesi, la bioenergetica è una disciplina cruciale per comprendere come gli organismi viventi ottengono e utilizzano l’energia necessaria per sostenere la vita. Le diverse categorie di esseri viventi, i fototrofi e i chemiotrofi, vengono ulteriormente classificate in base alla loro capacità di sintetizzare molecole organiche (autotrofi ed eterotrofi). L’ATP svolge un ruolo centrale come valuta energetica all’interno delle cellule, trasferendo energia ai processi vitali e consentendo il funzionamento ottimale dell’organismo.

Quando l’ATP viene idrolizzato, per fornire energia, si ha la formazione dell’ADP, adenosindifosfato, e la liberazione di una quantità di energia pari a: 7,5cal (30kj). In seguito ad un ulteriore rottura di un altro gruppo fosfato, l’ATP, diventa: AMP, adenosinmonofosfato e pirofosfato. 

I processi che liberano energia vengono definiti: Processi Esoergonici

I processi che per avvenire richiedono energia: Processi Endoergonici

Le reazioni che permettono di trasformare l’energia sono le reazioni di ossidoriduzione: 

-1 riducente: chi cede. Che aumenta la quantità di protoni (H+)

-1 ossidante: chi acquista. Diminuisce la quantità di protoni (H+)

Gli enzimi che catalizzano queste reazioni sono le deidrogenasi (generalmente sii chiamano ossido-riduttasi). 

Le sole deidrogenasi non sono in grado di far avvenire la reazione redox.  Per cui tendono a combinarsi con particolari composti, i coenzimi:

• NAD: acronimo di nicotinammide-adenin-dinucleotide
• FAD acronimo di flavin-adenin-dinucleotide 

Differenza tra NAD e FAD: 

• NAD = NAD+H2 -> NADH + H+. Accompagnano le reazioni di ossido-riduzione nel legame C-O
• FAD = FAD + H2 -> FADH2. Accompagna le reazioni nel legame C-C

NAD e FAD sono nucleotidi in cui l’AMP è legato tramite il fosfato ad un secondo nucleotide la cui base azotata:

• nel caso del NAD: la nicotinammide, derivata della vitamina PP o B3 nel caso del FAD: la Flavina, derivata dalla vitamina B2 o riboflavina

Le reazioni che avvengono nella cellula sono di sintesi (dette anaboliche, il NAD viene sostituito dal NADP) e di degradazione (dette cataboliche, si utilizzano NAD e FAD)

Per ogni molecola di FADH2 vengono prodotti 2 ATP, per ogni NADH invece 3.

Gli enzimi che idrolizzano l’ATP, prendono il nome di ATPasi.