Processi biochimici che Processi biochimici che permettono di assimilare, permettono di assimilare, trasformare, sintetizzare e trasformare, sintetizzare e

degradare molti dei nutrienti e degradare molti dei nutrienti e dei componenti cellulari dei componenti cellulari

Organismi Organismi fototrofifototrofiautotrofiautotrofi

Organismi Organismi chemiotrofichemiotrofieterotrofieterotrofi

H2O NH3

Le cellule prelevano l’energia da fonti esterne allo scopo di far procedere le reazioni che consumano energia. L’energia può derivare dalla conversione dell’energia

solare in energia chimica (organismi fototrofifototrofi) o dall’assunzione e degradazione di composti chimici (organismi chemiotrofichemiotrofi)

Il metabolismo è l'insieme delle trasformazioni chimiche che si verificano nelle cellule, attraverso una serie di reazioni catalizzate, che costituiscono le vie metaboliche, mediante le quali gli organismi viventi acquistano ed utilizzano l'energia di cui hanno bisogno per poter portare a termine le loro varie funzioni.

Tutto ciò è reso possibile nei sistemi viventi dall'accoppiamento tra le reazioni ESOERGONICHE delle sostanze nutrienti con i processi ENDOERGONICI richiesti per mantenere lo stato vivente.

Le vie cataboliche ed anaboliche avvengono contemporaneamente ma, a seconda delle condizioni, c’è sempre una netta prevalenza dell’ una rispetto all’altra.

Le attività cellulari devono Le attività cellulari devono essere modulate in proporzione essere modulate in proporzione

alle disponibilità energetichealle disponibilità energetiche

Le reazioni catabolichecataboliche sono coinvolte nella degradazione di grosse molecole per liberare molecole più piccole ed energia

Le reazioni anaboliche anaboliche sono quelle responsabili

della sintesi di tutti i componenti necessari

per il mantenimento, la crescita e la

riproduzione cellulare

MetabolismoMetabolismo: insieme delle reazioni enzimatiche svolte nelle cellule viventi

LINEARI(il prodotto di una reazione è substrato della reazione

successiva)

A SPIRALE(la stessa serie di enzimi viene usata più volte in

sequenza per allungare o accorciare progressivamente

una molecole)

CICLICHE(una delle molecole di

partenza della via viene rigenerata quando il ciclo

si completa)

D E F GA B C

K L M N RAMIFICATE

Organizzazione delle vie metabolicheOrganizzazione delle vie metaboliche

Durante un processo CATABOLICO (come l’ossidazione del GLUCOSIO ad CO2 ed H2O, che produce circa 2800 KJ • mole-1) l’energia non viene liberata tutta in una volta, ma trasferita tappa dopo tappa a singoli accettori

GLUCOSIO + O2

combustione Via metabolica incontrollata a tappe

ENERGIA

ENERGIA

ENERGIA

ENERGIA

CO2 + H2O

Aliquote di energia facilmente utilizzabili

Possibilità di stabilire dei punti di

controllo

ATP

CatabolismoBiosintesiTrasporto di membranaMotilità cellulareContrazione muscolare

ADP+Pi

Sostanze organiche

O2

CO2H2O

Reazioni CATABOLICHE = ossidative = ESOERGONICHEG < 0

Reazioni ANABOLICHE = riduttive = ENDOERGONICHEG > 0

L’energia delle reazioni ossidative viene conservata anche sotto forma di coenzimi ridotti (POTERE RIDUCENTE), come l’NADH ed il FADH2

Y

YH2

2H+,2e-2H+,2e-

Accoppiamento tra :

Y

YH2

2H+,2e- 2H+,2e-

(ADP) X + Pi

X-P (ATP)

ENERGIA ENERGIACATABOLISMO

Compostiad alta energia

Conservazione di energia in COMPOSTI

FOSFORILATI

Conservazione di energia sotto forma di POTERE RIDUCENTE

NADPH reazioni biosintetiche

NADHFADH2

QH2

CATENA RESPIRATORIA

(ATP)

CATABOLISMOComposti

ridotti

La La bioenergeticabioenergetica riguarda il riguarda il trasferimento e l’utilizzazione trasferimento e l’utilizzazione

dell’energia nei sistemi dell’energia nei sistemi biologici e si basa su alcuni biologici e si basa su alcuni concetti fondamentali della concetti fondamentali della

termodinamicatermodinamica

La variazione divariazione di energia libera, energia libera, GGè la variazione di energia che si

ha quando un sistema passa dallo stato iniziale a quello di equilibrio,

in condizioni di pressione e temperatura costanti

Il tipo di energia che le cellule possono e devono usare è

l’energia libera acquistata dagli organismi eterotrofici dalle

molecole dei nutrienti

G = H – TS

Nei processi spontanei:

H < 0 ESOTERMICAS > 0 AUMENTO DEL DISORDINE

G < 0 ESOERGONICA

Negli organismi viventi, l’ordine interno viene conservato prelevando energia libera dall’ ambiente circostante sotto forma di sostanze nutrienti o di luce

solare e restituendo all’ambiente una quantità uguale di energia sotto forma di calore e di entropia

• ripiegamento delle proteine• formazione dei doppi strati lipidici

Reazione esoergonica Reazione endoergonica

G è positivo - G > 0il processo non può avvenire spontaneamente, sarà pertanto necessario fornire dall’esterno una quantità di energia sufficiente a rendere negativa la variazione complessiva di energia libera

G è negativo - G < 0il processo è spontaneo cioè può procedere in assenza di un apporto di energia dall’esterno del sistema

La variazione dell’energia libera di una La variazione dell’energia libera di una reazione dipende dalle condizioni in cui reazione dipende dalle condizioni in cui

tale reazione avvienetale reazione avviene

G°’---- Variazione di energia libera standard biochimico

(pressione 1atm, temperatura 25°C, concentrazione reagenti e

prodotti 1M, pH 7)

G ---- Variazione di energia libera reale (condizioni

cellulari)

S -----> PS -----> P

Il Il G dipende dalla concentrazione dei reagenti e dei prodottiG dipende dalla concentrazione dei reagenti e dei prodotti

G = G°’+ RT ln [P]

[S]

R = costante dei gas (1,987 cal/mol · K)T = temperatura assoluta (K= °C+273)[S] e [P] = concentrazioni effettive dei reagenti

e dei prodottiln = logaritmo naturale

Esiste una relazione importante tra l’effettiva variazione di energia libera, ossia la variazione di energia libera in condizioni non standard (G), la variazione di energia libera standard (G°’) ed il rapporto [P]/[S]

Per una reazione S -- P il G reazione = G°’ reazione + RT ln [P]/[S]

Molte reazioni metaboliche hanno variazioni standard di energia libera, G°’, positive……………

ma……… il fattore più importante che determina la variazione di energia libera nella cellula (G) è la concentrazione dei PRODOTTI e dei SUBSTRATI

In una reazione all’ equilibrio, la velocità delle reazioni nei due sensi opposti si eguaglia, il G di reazione = 0 ed il rapporto [P]/[S] rappresenta la costante di equilibrio (Keq), quindi sarà:

G°’ reazione = - RT ln Keq se Keq =1, G°=0 S Pse Keq >1, G°<0 S Pse Keq <1, G°>0 S P

In una reazione non all’equilibrio il rapporto [P]/[S] rappresenta Q, il rapporto di azione di massa e sarà:

G = G°’ + RT ln Q

se Q Keq ----- reazioni prossime all’equilibrio, G 0 (REVERSIBILI)

se Q Keq ----- reazioni metabolicamente IRREVERSIBILI

(se la rimozione rapida e continua dei prodotti tende a mantenere Q molto al di sotto di 1, il termine RT ln Q acquista un valore grande e negativo -- G <0)

In biochimica le reazioni sono unite dall’accoppiamento energetico.

I G di due reazioni consecutive o delle reazioni di una via biochimica si sommano.

A + B C G1°’ > 0

C + D E G2°’ < 0

Le due reazioni sono accoppiate da un intermedio comune:

A + B + D E G3°’ = G1°’+ G2°’

Se G1°’ > 0

e

G2°’ < 0 in modo che G3°’ < 0

GLU + Pi ---> GLU6P + H2O G°’= + 14 kJmol-1

ATP + H2O --->ADP + Pi G°’= - 31 kJmol-1

GLU + ATP ---> GLU6P + ADP G°’= -17 kJmol-1Reazione esoergonica

(irreversibile)

La reazione netta può essere ancora ESOERGONICA

Reazione endoergonica

Reazione esoergonica

Intermedio comune:

L’esempio più semplice di accoppiamento energetico delle reazioni biologiche si ha tra due reazioni, una che assorge energia e una che libera energia; le due reazioni devono condividere almeno un intermedio

L’ATP = adenosina trifosfato è il principale intermedio ad alto contenuto energetico nelle

cellule viventi

Composto ad alto potenziale energetico

ATP + H2O ---> ADP + Pi G°’= -31 kJmol-1

ATP + H2O ---> AMP + PiPi G°’= -46 kJmol-1

AMP + H2O ---> Adenosina + Pi G°’= -14 kJmol-1

Legame fosfoestere

- N.B. Il valore di G, la variazione reale dell’energia libera di idrolisi dell’ATP, nella maggior parte delle cellule è molto più elevato (da -50 a -65 kJ/mole) di quello della variazione di energia libera standard (-31 kJ/mole) sulla base delle concentrazioni di ATP e dei suoi prodotti di idrolisi presenti in vivo.

La spiegazione dell’elevata energia libera di idrolisi risiede nelle particolari proprietà dei reagenti e dei prodotti:• l’idrolisi elimina la repulsione elettrostatica tra le 4 cariche negative• N.B. - il legame dell’ Mg2+ introduce una distorsione nella molecola di ATP che favorisce l’idrolisi• il fosfato inorganico possiede un’ampia varietà di forme di risonanza• ionizzazione immediata dell’ADP a pH 7• ulteriore idratazione dei prodotti di idrolisi

COMPOSTI FOSFORILATI AD ALTO CONTENUTO ENERGETICO

Go’ di Idrolisi ( potenziale di trasferimento di fosfato)

GLICOLISI

1 cal = 4.184 Joule

L’ATP ha la funzione di valuta energetica in tutte le cellulegrazie alla sua posizione intermedia nella scala dei potenziali di trasferimento di gruppi ed alla proprietà di essere un composto termodinamicamente instabile

ma cineticamente stabile (Alta energia di attivazione)

Il fosfoenolpiruvato (PEP) contiene un gruppo fosforico legato con un legame estere

L’1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG) contiene un legame anidridico

acil-fosfato

Estere enolico

ADP + Pi ---> ATP + H2O G°’= + 31 kJmol-1

fosfoammide

tioestere

Succinil-CoA

Succinil-CoA Succinil-CoA sintetasisintetasi

Succinato

Reazione del Ciclo di Krebs

GTP + ADP GDP + ATPNucleoside difosfato

chinasi G°’ 0

L’ATP come moneta di scambio dell’energia libera

La reazione netta è:

NADH + ½ O2 + H+ ------ NAD+ + H2O G’° = -220 kJ/mole

PRODUZIONE DI ATP (processo endoergonico):

• Fosforilazione ossidativa

PEP + H2O ---> PIR + Pi G°’= -62 kJmol-1

ADP + Pi ---> ATP + H2O G°’= + 31 kJmol-1

PEP + ADP ---> PIR + ATP G°’= -31 kJmol-1

• Fosforilazione a livello di substrato:

quota di ATP che si forma mediante reazioni ESORGONICHE di molecole le quali su scala idrolitica hanno un contenuto energetico superiore a quello dell’ATP

Es.

Reazione irreversibile

Le reazioni in cui interviene l’ATP sono generalmente sostituzioni nucleofile in cui il nucleofilo può essere l’ossigeno di un gruppo alcolico o carbossilico oppure l’azoto della creatina o della catena laterale di Arg e Hist

Viene idrolizzato a due Pi dall’enzima ubiquitario PIROFOSFATASI INORGANICA rilasciando 19 kJ/mole

• ATP + Metionina ---- S-adenosilmetionina + Pi + PiPi

Scissione fosforica Scissione pirofosforica

Reazione di adenililazione

Le reazioni che coinvolgono l’ATP sembrano semplici reazioni di idrolisi e si è tentati di dire che una reazione ATP-dipendente è “guidata o favorita dall’ idrolisi dell’ATP”; nella maggior parte dei casi è coinvolto anche un trasferimento di un gruppo e non una semplice idrolisi. Es. reazione catalizzata dalla GLUTAMMINA SINTETASI

Alcuni processi utilizzano direttamente l’idrolisi di ATP:• cambiamenti conformazionali delle proteine• contrazione muscolare

fosfoanidride

Metabolism is a series of chemical reactions, which are linked and regulated

Come viene regolato il metabolismo?

La regolazione della macchina metabolica La regolazione della macchina metabolica dipende dallo stato energetico cellularedipende dallo stato energetico cellulare

Come valutare lo stato energetico della cellula?

• deficit energetico• benessere energetico

[ATP]Potenziale di fosfato = [ADP] + [Pi]

Variazioni della Variazioni della concentrazione dei concentrazione dei nucleotidi adeninicinucleotidi adeninici

ATP(mM)

ADP(mM)

AMP(mM)

4.8 0.2 0.004

4.5 0.5 0.02

3.9 1.0 0.11

3.2 1.5 0.31

(anabolismo)

(catabolismo)

[ATP] + 1/2 [ADP]Carica energetica = [ATP] + [ADP] + [AMP]

È una misura della frazione del pool di adenilato che è disponibile sotto forma di ATP

0 < C.E. < 1C.E. = 0 ---> è presente solo AMPC.E. = 1 ---> è presente solo ATP

*

* La concentrazione intracellulare di ATP è in parte regolata dall’azione dell’ADENILATO CHINASI 2ADP AMP + ATP

N.B Quando la concentrazione di AMP è alta, si forma ADP che viene convertito in ATP mediante la fosforilazione ossidativa

Come varia il metabolismo con il valore della carica energetica?

Y

YH2

2H+,2e- 2H+,2e-

Conservazione di energia sotto forma di POTERE RIDUCENTE

NADPH reazioni biosintetiche

NADHFADH2

QH2

CATENA RESPIRATORIA

(ATP)

CATABOLISMOComposti

ridotti

Nelle reazioni catalizzate da enzimi gli elettroni passano da diversi intermedi metabolici a trasportatori di elettroni specializzati

Reazioni CATABOLICHE = ossidative = ESOERGONICHE

G < 0

Arid + Boss Aoss + Brid

Enzimi NAD-dipendenti

Enzimi FAD-dipendenti

REAZIONI DI OSSIDO-REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONERIDUZIONE

Reazioni di trasferimento di elettroni da un donatore (agente riducente) ad un

accettore (agente ossidante).

La tendenza di un donatore di elettroni a ridurre il suo accettore coniugato è chiamata potenziale redox, E (in volt)

Il potenziale redox standard, E0, è misurato a 25°C, rispetto ad una semicella di riferimento (elettrodo a idrogeno, E0=0 V) con entrambe le specie (Ox e Rid) a concentrazione [1 M]. I biochimici usano un valore standard detto E’0 riferito al pH=7

E = E° + RT/nF ln [accettore di elettroni]/[donatore di elettroni] Equazione di Nernst

Gli elettroni tendono a fluire verso la coppia che ha un valore di E più positivo e questa tendenza è proporzionale alla E tra i due potenziali di riduzione

Arid + Boss Aoss + Brid

Semireazione Arid Aoss + e-

Semireazione Boss + e- Brid

Elettrodo standard di idrogeno

Ogni valore rappresenta la differenza di potenziale che si genera quando la coppia coniugata redox alla concentrazione di 1M e a pH 7 viene collegata all’elettrodo standard di idrogeno

Reazione complessiva di Reazione complessiva di ossidoriduzioneossidoriduzione

Componenti delle reazioni redoxComponenti delle reazioni redox

La variazione di energia libera standard (G’°) delle reazioni di ossido-riduzione è direttamente proporzionale alla E’°:

G°’ = -nFE’0 = -nF [E’0(accettore)- E’0(donatore)] (G = -nFE)

N.B. Un valore positivo di E (per convenzione espresso come la differenza tra il valore di E’0 dell’accettore di elettroni ed il valore di E’0 del donatore di elettroni) indica che una reazione è spontanea, gli elettroni tendono a fluire da una coppia redox con un valore di E più negativo ad una coppia redox con un valore di E più positivo

Es.:

NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ E’° = -0.32 V

½ O2 + 2H+ + 2e- H2O E’° = 0.82 V

La reazione netta è:

NADH + ½ O2 + H+ NAD+ + H2O E’° = 1.14 V

Applicando :

G’° = - nFE’° G’° = -220 kJ/mole