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Bioenergetica

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Ti sei mai chiesto come l’uomo riesca a realizzare performance fisiche incredibili, a volte estreme, o come alcuni animali riescano a sopravvivere digiunando per giorni, settimane o mesi interi? Le cellule del nostro organismo lavorano attraverso meccanismi molto precisi che in maniera coordinata e integrata determinano la sintesi e la degradazione delle biomolecole. Ciò permette al nostro fisico di adattarsi alle diverse condizioni ambientali, come ad esempio assenza o abbondanza di cibo. Tali processi possono essere racchiusi sotto il termine "metabolismo" e sono oggetto di studio di una branca della biochimica spesso definita bioenergetica.

Che cos’è la bioenergetica

La bioenergetica rappresenta un ramo della biochimica che si occupa dello studio di tutti i processi attraverso i quali le cellule immagazzinano, utilizzano e scambiano energia. Tra i processi cellulari che rientrano nello studio della bioenergetica affronterai nel dettaglio aspetti come i meccanismi di biosegnalazione, processi metabolici fondamentali per il nostro organismo (come la respirazione aerobica e anaerobica) ma anche per organismi diversi (come la fotosintesi clorofilliana nelle piante).

Bioenergetica: ramo della biochimica che si occupa dello studio di tutti i processi attraverso i quali le cellule immagazzinano, utilizzano e scambiano energia.

Il ruolo dell’energia in tutti i processi metabolici degli organismi viventi risulta fondamentale. A tal proposito, lo studio dei meccanismi che regolano gli scambi, la produzione e lo stoccaggio di energia rappresenta una materia fondamentale per lo studio della vita. Nelle cellule di un organismo vivente, l’energia ottenuta tramite la creazione o distruzione di legami chimici viene resa disponibile come lavoro meccanico (ad esempio per compiere attività fisica), o utilizzata per altri processi metabolici. Tutto ciò permette al nostro organismo di svolgere tutte le sue funzioni.

Organismi diversi possono utilizzare strategie differenti per ottenere energia. Ad esempio, gli organismi litotrofi sono in grado di utilizzare (ossidare) minerali come i nitrati per produrre energia. Gli autotrofi, tramite la fotosintesi clorofilliana, producono energia metabolica a partire dall’energia luminosa. Infine, gli eterotrofi (come l’uomo) consumano composti organici come i carboidrati, i grassi e le proteine, descritti nel dettaglio nell’articolo “Biomolecole”, per produrre energia metabolica.

Cenni storici

Il termine metabolismo deriva dal greco “metabolismos” che può essere tradotto come “cambiamento". I primi esperimenti sul metabolismo umano risalgono al 1600 quando Santorio Santorio pubblicò i suoi esperimenti nel libro Ars de statica medicina, in cui vennero riportati i cambiamenti di peso corporeo dello stesso autore in risposta a diverse condizioni (esempi: a riposo, dopo aver dormito o dopo aver mangiato, lavorato o digiunato). Tuttavia, l’idea che questi cambiamenti fossero regolati da processi biochimici venne sviluppata più tardi. Di fatti, le osservazioni di Louis Pasteur sulle fermentazioni degli zuccheri da parte dei lieviti (XIX secolo) e successivamente la scoperta degli enzimi da parte di Eduard Buchner (XX secolo) segnarono l’inizio della disciplina definita "biochimica" fino a raggiungere la mole di conoscenze disponibili al giorno d’oggi.

Metabolismo: insieme delle trasformazioni chimiche (anabolismo e catabolismo) che avvengono all’interno della cellula determinandone accrescimento, rinnovamento e mantenimento.

Trasformazioni energetiche

I nutrienti, processati durante i processi di digestione fino a composti organici e successivamente a componenti elementari come zuccheri semplici, aminoacidi e acidi grassi, vengono demoliti in molecole ancora più semplici in sequenze di step metabolici caratteristici di ogni singolo composto e racchiusi sotto il nome di respirazione cellulare. Questi processi hanno l’obiettivo di produrre energia metabolica per la cellula.

Questa catena di reazioni nel nostro organismo avviene normalmente in presenza di ossigeno ottenuto attraverso il processo della respirazione polmonare (respirazione aerobica), ma in alcuni casi può avvenire anche in assenza di ossigeno (respirazione anaerobica). La respirazione anaerobica (assenza di ossigeno) è comune a procarioti ed eucarioti e rappresenta una via metabolica importante e molto antica.

Le vie metaboliche che incontrerai nei prossimi articoli sono:

  • La glicolisi.

  • Il ciclo di Krebs.

  • La fosforilazione ossidativa.

  • La beta ossidazione.

  • La sintesi proteica.

  • La fotosintesi clorofilliana.

Il ruolo dell’adenosina trifosfato (ATP)

L’ATP rappresenta una molecola fondamentale nei processi biochimici metabolici. Essa è la molecola con cui viene temporaneamente immagazzinata l’energia ottenuta dalla respirazione cellulare. Molti considerano questo composto una “moneta energetica di scambio” dell’organismo.

ATP: adenosina trifosfato, è un ribonucleotide composto da una base azotata (adenina), dal ribosio (zucchero pentoso) e da tre gruppi fosfato.

Bioenergetica - Punti chiave

    • Le cellule del nostro organismo lavorano attraverso meccanismi molto precisi che in maniera coordinata e integrata determinano la sintesi e la degradazione delle biomolecole. Questi processi vengono studiati dalla bioenergetica, una branca della biochimica, e rientrano nel termine di metabolismo.

    • Il ruolo dell’energia in tutti i processi metabolici degli organismi viventi risulta fondamentale.

    • Organismi diversi possono utilizzare strategie differenti per ottenere energia.

    • I nutrienti, processati tramite la digestione e l'assorbimento, hanno l’obiettivo di produrre energia metabolica per la cellula.

    • Esistono diverse vie metaboliche, accomunate dall’obiettivo di produrre energia per la cellula.

    • L’ATP rappresenta una molecola fondamentale nei processi biochimici metabolici ed è considerata una “moneta energetica di scambio” del nostro organismo.

Domande frequenti riguardo Bioenergetica

La bioenergetica rappresenta un ramo della biochimica che si occupa dello studio di tutti i processi attraverso i quali le cellule immagazzinano, utilizzano e scambiano energia.  

I primi esperimenti sul metabolismo umano risalgono al 1600 e successivamente, gli esperimenti di Pasteur prima e di Buchner poi, determinarono l'inizio della disciplina definita "biochimica" che studia la bioenergetica.

L'adenosina trifosfato (ATP), è un ribonucleotide composto da una base azotata (adenina), dal ribosio (zucchero pentoso) e da tre gruppi fosfato. 

Gli autotrofi, tramite la fotosintesi clorofilliana, producono energia metabolica a partire dall’energia luminosa.  

gli eterotrofi (come l’uomo) consumano composti organici come i carboidrati, i grassi e le proteine, per produrre energia metabolica.


Quiz Finale Bioenergetica

La fotosintesi clorofilliana è una reazione luce-dipendente.

Vero

Dove avviene la fotosintesi nelle piante?

Nelle foglie

Da dove deriva il colore verde delle foglie?

Dalla clorofilla, un pigmento contenuto nei cloroplasti.

Quale tra i seguenti non è un prodotto della fotosintesi?

Ossigeno

Quali sono i prodotti della fase luce-dipendente della fotosintesi?

ATP, NADPH, ioni di idrogeno, ossigeno, elettroni

Quali sono i prodotti della fase oscura della fotosintesi?

Glucosio, fosforo, ADP, NADP+

Quali sono i fattori limitanti della fotosintesi clorofilliana?

Concentrazione di anidride carbonica

L'aumento dell'intensità della luce solare provoca un'accelerazione nella fotosintesi.

Vero

Una temperatura di 50 gradi Celsius è ottimale per la fotosintesi clorofilliana.

Falso

Durante la fotosintesi non si verifica un movimento di elettroni da una molecola all'altra.

Falso

La fotosintesi clorofilliana accelera di notte.

Falso

Cosa fa l'ATP nella cellula?

Trasporta energia.

Cosa fa l'NADPH?

Trasporta elettroni.

Qual è la formula chimica sintetizzata della fotosintesi clorofilliana?

6 CO2 + 6 H2O + luce = C6H12O6 + 6 O2

Perché le cellule del mesofillo sono allungate?

Per massimizzare il numero di cloroplasti ospitati al loro interno.

Definisci brevemente la bioenergetica.

Bioenergetica: ramo della biochimica che si occupa dello studio di tutti i processi attraverso i quali le cellule immagazzinano, utilizzano e scambiano energia.

Per cosa sta l'abbreviazione ATP?

Adenosina Trifosfato

Definisci brevemente il termine metabolismo

Metabolismo: insieme delle trasformazioni chimiche (anabolismo e catabolismo) che avvengono all’interno della cellula determinandone accrescimento, rinnovamento e mantenimento.

L'uomo è un organismo

Eterotrofo

L'energia viene ottenuta in presenza di ossigeno attraverso la respirazione?

Aerobica

L'energia viene ottenuta in assenza di ossigeno attraverso la respirazione?

Anaerobica

L'ossidazione del piruvato avviene prima della fosforilazione ossidativa.

Vero

Qual è la molecola che le cellule convertono in energia durante la respirazione cellulare?

Glucosio

Il catabolismo è un processo che descrive l'assemblaggio di piccole molecole in una molecola più grande.

Falso, è l'opposto.

La prima fase della respirazione cellulare aerobica è il ciclo di Krebs.

Falso, è la glicolisi.

Quale delle seguenti non descrive una fase della respirazione cellulare?

Ciclo di Krebs

Il ciclo di Kreb e il ciclo dell'acido citrico sono sinonimi.

Vero

Qual è il risultato finale della glicolisi?

Glucosio

Quale dei seguenti fenomeni si verifica durante la fosforilazione ossidativa?

I protoni vengono spostati attraverso la catena di trasporto degli elettroni.

ATP è l'acronimo di quale sostanza?

Adenosina trifosfato

Qual è la molecola risultante dall'ossidazione del piruvato?

Acetil-CoA

Come si chiama il fenomeno per cui un gruppo fosfato dell'ATP si lega a una molecola di glucosio?

Fosforilazione

L'ossigeno è indispensabile per la respirazione cellulare.

Falso

Quale organello della cellula svolge un ruolo importante nella respirazione cellulare?

Il mitocondrio

Che cos'è una via metabolica?

Una sequenza di reazioni chimiche che avvengono in una cellula.

Quanti fosfati ci sono nell'ATP?

3

Le reazioni di riduzione sono meccanismi chiave della respirazione cellulare. Vero o falso? Perché?

Falso; l'ossidazione è il meccanismo chiave della respirazione cellulare.

Descrivi brevemente le proteine.

Proteine: macromolecole biologiche formate da catene di aminoacidi legate tramite legami peptidici e in grado di svolgere molteplici funzioni biologiche, critiche per la sopravvivenza di ogni organismo.

Quali sono le fasi principali della sintesi proteica?

Trascrizione e traduzione.

Dove avviene la prima fase della sintesi proteica?

La prima fase della sintesi proteica, la trascrizione, avviene nel nucleo cellulare.

Dove avviene la seconda fase della sintesi proteica?

La seconda fase della sintesi proteica, la traduzione, avviene nel citoplasma ed in particolare nei ribosomi. 

Definisci il processo di trascrizione.

La trascrizione è il trasferimento di una sequenza di basi del DNA in RNA.

Definisci il processo di traduzione.

La traduzione è la "lettura" di questo materiale genetico RNA.

In quale fase della sintesi proteica è coinvolto il DNA e come?

Il processo di sintesi proteica inizia con il DNA che si trova nel nucleo. Il DNA contiene il codice genetico sotto forma di sequenza di basi, che memorizza tutte le informazioni necessarie per la creazione delle proteine.

I geni codificano per specifiche cate di aminoacidi e di conseguenza proteine.

vero

Qual'è la prima fase della trascrizione?

La fase in cui si produce l'RNA pre-messaggero (pre-mRNA), che è un breve filamento singolo di RNA complementare a un gene presente nel nostro DNA. 

Quali enzimi principali sono coinvolti nella trascrizione?

Elicasi e polimerasi

Che cosa succede dopo lo splacing dell'mRNA?

Una volta completato lo splicing, l'mRNA può uscire dal poro nucleare e dirigersi verso il ribosoma per la traduzione.

I ribosomi sono organelli responsabili della traduzione dell'mRNA.

vero

Qual'è la funzione principale dei ribosomi nella sintesi proteica?

Questi organelli, costituiti da RNA ribosomiale e proteine, mantengono l'mRNA in posizione durante questa fase.

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