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S P A I SS P A I S 20072007Scuola Permanente per lScuola Permanente per l’’Aggiornamento degli Insegnanti di ScienzeAggiornamento degli Insegnanti di Scienze
LL’’energia. Aspetti di base e applicativienergia. Aspetti di base e applicativiSanto Stefano Santo Stefano QuisquinaQuisquina (AG), 16 (AG), 16 –– 20 luglio 200720 luglio 2007
Mariano Mariano VenanziVenanzivenanzi@uniroma2.itvenanzi@uniroma2.it
conversione delle biomasse
fotosintesi artificiale
tecnologie di membrana (osmosi)
celle solari
generatori termici e meccanici dalle maree
Bilancio energetico in un ciclo metabolico
Trasporto cellulare
Fotosintesi
I processi naturali sono di gran lunga il migliore esempio di come si possano attuare funzioni complesse massimizzando le efficienze, utilizzando al massimo le risorse disponibili con il minimo dell’energia necessaria.
1. Formazione del legame glucosio1. Formazione del legame glucosio--fosfatofosfato
Glucosio + Fosfato ⇔ glucosio-6-fosfato + H2O
13.14 −⊗ ⋅=Δ molkJGr
KlnRTGr −=⊗Δ
0040310 .)(K =
Solo 4 molecole su 1000 di glucosio vengono trasformate in glucosio-6-fosfato!
ATP(ATP(aqaq) + H) + H22O(l) O(l) ⇔⇔ ADP(ADP(aqaq) + P) + P--((aqaq) + H) + H33OO++((aqaq))
130 −⊗ ⋅−= molkJΔGr
Glucosio + ATP(aq) ⇔ glucosio-6-fosfato + ADP
17.150.303.14 −⊗ ⋅−=−=Δ molkJGr
2. isomerizzazione glucosio2. isomerizzazione glucosio--66--fosfato fosfato ⇔⇔ fruttosiofruttosio--66--fosfatofosfato
17.1 −⊗ ⋅+=Δ molkJGr
La reazione è leggermente sfavorita, ma produce una quantitàsignificativa di prodotto. Infatti a 310K:
52.03103144.8
1700expexp0
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Δ−=
RTGK r
fruttosio-6-fosfato ≈ 0.5 glucosio-6-fosfato
La reazione procede poiché il prodotto viene continuamente sottratto all’equilibrio dal passaggio successivo fortemente esoergonico, poiché è accoppiato ad una seconda reazione di idrolisi dell’ATP.
3. fruttosio3. fruttosio--1,61,6--DP DP ⇔⇔ diidrossiacetonediidrossiacetone--PP + gliceraldedide+ gliceraldedide--33--PP
18.23 −⊗ ⋅+=Δ molkJGr
Nelle condizioni di reazione le concentrazioni sono molto lontane da quelle di equilibrio (prodotti 10-4 rispetto ai reagenti):
]6,1[]][[lnln
DPfruttosioidegliceraldecetonediidrossiaRTGQRTGG rr −−
+Δ=+Δ=Δ ⊗⊗
1
4
06074238231029831448823
−
−
⋅=
=−=⋅⋅+=
molkJ...ln..GΔ
Just in time: la concentrazione giusta al momento giusto!
4. 4. diidrossiacetonediidrossiacetone--PP ⇔⇔ gliceraldeidegliceraldeide--33--PP
0.05K 5.7 1 =⋅=Δ −⊗ molkJGr
La reazione procede perché il ciclo sottrae continuamente gliceraldeide all’equilibrio.
Tutte queste reazioni sono catalizzate da enzimi, che rendono piTutte queste reazioni sono catalizzate da enzimi, che rendono piùùveloci le reazioni, ma non ne influenzano la termodinamica.veloci le reazioni, ma non ne influenzano la termodinamica.
int
exttr C
ClnRTG −=Δ
RTcs≈ΠPressione osmoticaPressione osmotica
Trasporto passivo:
0 <> trintext ΔGCC
In presenza di soluti carichi:
ΔΨΔ ZFCClnRTG
int
exttr +−=
Differenza di concentrazioneDifferenza di concentrazione
Differenza di potenzialeDifferenza di potenziale
20≈+
+
ext
int
]K[]K[
Nella membrana delle cellule nervose (a riposo):
mV]K[]K[ln
FRT)(
ext
intintext
77−=
==− +
+
ΦΦ
ΔΦexp=-60 mV
Trasporto mediato da proteine che formano canali o fungono da carrier.
Antibiotici:
- Gramicidina (Na+,K+)canalicanali
- Valinomicina (K+)carriercarrier
Entrambi dissipano i gradienti di concentrazione ionica essenziali per il funzionamento della cellula.
CO2→glucide
20012001
PQHPQH22
Special Special pairpair((ChargeCharge separationseparation))
Servono 4 quanti di luce per produrre una molecola di O2!
HH22OO→→OO22+4H+4H+++4e+4e--
20032003
Catena di Trasferimento Elettronico: PQ→PC
FF--ATPasiATPasi
20032003
Catena di Trasferimento Elettronico: PC→FD
FDFD--NADPNADP NADPHNADPH
Ciclo di Calvin
COCO22 →→ carboidraticarboidrati
NADPH NADPH reducingreducing agentagent
ATP ATP energyenergy supplysupply
3 molecole di ATP prodotte per ogni giro completo del rotore!
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