Il flusso di energia

IL FLUSSO DI ENERGIA

La vita sulla Terra dipende dal regolare flusso di energia proveniente dal Sole: questo flusso di energia è l'essenza della vita. Infatti, la cellula si mantiene in vita perché consuma energia, che garantisce il metabolismo, l'anabolismo e il catabolismo.

LE LEGGI DELLA TERMODINAMICA

L'energia è la capacità di provocare un cambiamento o di compiere un lavoro. Questa conoscenza porta allo studio della termodinamica, la scienza che studia le trasformazioni dell'energia.

o      La prima legge

La prima legge della termodinamica afferma che l'energia può essere trasformata da una forma all'altra, ma non può essere né creata né distrutta.

L'energia può essere accumulata in diverse forme e poi trasformata in altre forme. In tutte le trasformazioni energetiche una parte dell'energia utilizzabile viene convertita in calore e dissipata come tale.

In tutti gli scambi e le trasformazioni energetiche, l'energia complessiva del sistema e del suo ambiente circostante, dopo trasformazione, è uguale all'energia complessiva presente prima che la trasformazione avvenga. Le entrate e le uscite energetiche di qualunque processo fisico o reazione chimica devono sempre bilanciarsi.

o      La seconda legge

L'energia dissipata come calore in una trasformazione energetica non è andata distrutta, ma è stata perduta per ogni scopo pratico e non è più disponibile per compiere un lavoro utile.

La seconda legge della termodinamica afferma che in tutte le trasformazioni e scambi energetici, se il sistema in questione non cede o acquista energia, l'energia potenziale presente alla fine sarà minore dell'energia potenziale presente all'inizio.

Un processo che presenta un'energia potenziale minore di quella iniziale, è un processo che libera energia e viene detto esoergonico. Un processo in cui l'energia potenziale è maggiore di quella presente all'inizio è un processo che richiede energia e viene detto endoergonico, che deve ricevere un apporto energetico.

Le molecole contengono energia potenziale immagazzinata nei legami chimici che tengono uniti gli atomi. Quando questi legami si spezzano, l'energia in essi contenuta può essere utilizzata per formare nuovi legami chimici o essere liberata sotto forma di calore.

Un fattore che determina la differenza di energia potenziale tra reagenti e prodotti è il loro contenuto termico: minore è il contenuto termico, minore è l'energia potenziale. Un altro fattore è il grado di disordine dei reagenti e dei prodotti: maggiore è il disordine, minore è l'energia potenziale.

Tutti i processi naturali tendono sempre a far aumentare il disordine dell'Universo: questo disordine è detto entropia.

o      I sistemi viventi e la seconda legge

Le cellule possono trasformare l'energia che accumulano in movimento, elettricità, luce e in forme più utili di energia chimica. Ad ogni trasformazione parte dell'energia è perduta nell'ambiente sotto forma di calore.

REAZIONI DI OSSIDO - RIDUZIONE

Gli elettroni possiedono differenti quantità di energia potenziale, a seconda della loro distanza dal nucleo e a seconda dell'attrazione che il nucleo ha per essi.

Le reazioni chimiche sono trasformazioni di energia, in cui l'energia accumulata nei legami chimici di una sostanza è trasferita ai nuovi legami chimici di una sostanza diversa e gli elettroni passano da un livello di energia a un altro. Queste reazioni sono dette reazioni di ossido - riduzione.

La perdita di un elettrone è chiamata ossidazione, perché l'atomo che perde l'elettrone si ossida; la riduzione è l'acquisto di un elettrone. Ossidazione e riduzione perché un elettrone perduto dall'atomo ossidato viene accettato da un altro atomo che, a sua volta, si riduce.

Spesso, l'elettrone viaggia con un protone, cioè come un atomo di idrogeno: l'ossidazione consiste, quindi, nella rimozione di atomi di H, e la riduzione nell'accettazione di essi.

Nei sistemi viventi, le reazioni che catturano energia e quelle che liberano energia sono reazioni di ossido - riduzione. Queste reazioni chimiche sono regolate in modo che l'energia sia accumulata in legami chimici particolari e liberata in piccole quantità secondo le esigenze della cellula. Questi meccanismi consentono di utilizzare l'energia in modo efficiente.

ENZIMI

La maggior parte delle reazioni chimiche richiede un apporto iniziale di energia per prendere l'avvio. L'energia somministrata aumenta l'energia cinetica delle molecole, facendo sì che si urtino con forza sufficiente per vincere la forza di repulsione e spezzare i legami chimici presenti all'interno delle molecole, consentendo la formazione di nuovi legami. L'energia che le molecole devono possedere per reagire è detta energia di attivazione.

Le cellule utilizzano gli enzimi, molecole specializzate funzionanti come catalizzatori, per ridurre l'energia di attivazione. Un catalizzatore è una sostanza che abbassa l'energia di attivazione necessaria a una reazione chimica, formando un'associazione temporanea con le molecole reagenti che avvicina i reagenti e indebolisce i legami chimici esistenti. Per avviare la reazione è necessario aggiungere poca energia e la reazione procede più rapidamente. Un catalizzatore non subisce alterazioni permanenti e può essere usato più volte. La molecola su cui agisce l'enzima è detta substrato.

o      Struttura e funzione degli enzimi

Alcuni enzimi sono molecole di RNA, altri enzimi sono proteine globulari complesse, formate da catene polipeptidiche. Le catene polipeptidiche di un enzima sono ripiegate in modo da formare una tasca in cui si incastra il substrato. Questa parte della molecola, in cui avvengono le reazioni catalizzate dall'enzima, è detta sito attivo.

o      Cofattori dell'azione enzimatica

Molti enzimi richiedono la presenza di altre sostanze non proteiche per svolgere le loro funzioni; tali sostanze fondamentali per il processo enzimatico sono dette cofattori.

Alcuni ioni sono cofattori per certi enzimi; certe molecole organiche non proteiche possono intervenire come cofattori enzimatici; queste molecole sono chiamate coenzimi e si legano all'enzima.

Alcuni coenzimi funzionano come accettore di elettroni nelle reazioni di ossido - riduzione, acquistando elettroni e trasferendoli ad un'altra molecola.

o      Sequenze biochimiche

Gli enzimi lavorano in serie, catalizzando ognuno un piccolo passaggio di una serie ordinata di reazioni che è detta sequenza biochimica. Sequenze biochimiche diverse svolgono funzioni diverse nella vita della cellula.

I gruppi di enzimi che prendono parte alla stessa sequenza possono essere confinati in specifiche regioni cellulari e c'è un limitato accumulo di prodotti intermedi, dato che ogni prodotto tende ad essere riutilizzato nella reazione successiva.

VALUTA ENERGETICA DELLA CELLULA: ATP

L'ATP è la valuta energetica della cellula spendibile immediatamente; in una cellula, quasi tutte le operazioni che richiedono energia procedono grazie all'ATP.

L'ATP è costituito da una base azotata, l'adenina, da uno zucchero a cinque atomi di carbonio, il ribosio, e da tre gruppi fosfato, i cui legami covalenti caratterizzano la funzione dell'ATP. Questi legami covalenti si spezzano facilmente, liberando una quantità di energia sufficiente ad azionare molte delle reazioni fondamentali della cellula. Quando un gruppo fosfato si stacca per idrolisi, la molecola di ATP si trasforma in ADP, liberando 7 kcal di energia per mole.

o      ATP in azione: reazioni accoppiate

Grazie agli enzimi, che riducono l'energia di attivazione necessaria, le reazioni essenziali alla vita possono procedere a una giusta velocità. Ma nelle reazioni di biosintesi in cui vengono sintetizzate molecole più grandi e complesse, è necessario un ulteriore apporto di energia.

Le cellule riescono ad evitare le reazioni endoergoniche grazie a reazioni accoppiate, in cui esse sono abbinate a reazioni esoergoniche che forniscono energia, consentendo al processo di avvenire.

o      Idrolisi e fosforilazione

Nelle cellule, l'ATP è, a volte, idrolizzato in ADP + fosfato, liberando energia per le varie attività. Gli enzimi che catalizzano l'idrolisi dell'ATP sono detti ATPasi.

Molte proteine trasportatrici contro gradiente sono anche molecole di ATPasi che liberano energia per azionare il processo di trasporto.

Il gruppo fosfato terminale dell'ATP viene trasferito ad un'altra molecola; l'aggiunta di un gruppo fosfato è detta fosforilazione. Le reazioni di fosforilazione trasferiscono parte dell'energia del gruppo fosfato dell'ATP al composto fosforilato che, carico di energia, partecipa ad una reazione successiva.

Il sistema ATP/ADP serve come sistema universale di scambio energetico.