Outline

• Classificazione degli organismi• Energia e metabolismo• Energia libera• Composti ad “alta energia”• Ossidazione, riduzione e trasferimento

energetico• Ruolo degli enzimi

Introduzione A. La vita è organica

1. Il carbonio è lo scheletro di tutte le molecole organiche 2. La vita (metabolismo) richiede energia

- Fonte di energia ?- Fonte di carbonio?

B. Classificazione degli organismi 1. Autotrofi - si nutrono da soli

a. ottengono il carbonio dalla CO2

b. fonte di energia- fotosintetica: uso dell’energia

della lucees.: piante e qualche batterio- chemiosintetica: energia da

reazioni chimiche utilizzando composti inorganici. Es. batteri solforici

2. eterotrofi - utilizzano altri organismicome fonte di energia. Si nutrono diautotrofi, di altri eterotrofi, e composti inorganici

a. acquistano carbonio ed energia dagli autotrofi

es: animali, batteri, funghi3. Carbonio e energia entrano nel ciclo dellavita per fotosintesi (autotrofi ) e vengono rilasciati per glicolisi e respirazione cellulare (eterotrofi)

Ciclo dell’energia

CO2

H2O

O2

Glucosio

fotoautotrofi eterotrofi

Energia

solare

Metabolismo• La somma dei cambiamenti chimici che

converte i nutrienti in energia e in prodottichimici complessi delle cellule

• Centinaia di reazioni enzimatiche organizzate in vie discrete.

• I substrati vengono trasformati in prodotti tramite specifici intermedi

• le mappe metaboliche illustrano queste reazioni

Approcci per lo studio del Metabolismo

• STRUTTURE E PATHWAYS• ENERGETICA (TERMODINAMICA)• REGOLAZIONE• FUNZIONE CELLULARE /

LOCALIZZAZIONE• MECCANISMI ENZIMATICI (catalisi)

Reazioni chimiche 1. Reagenti prodotti2. Reazioni procedono fino all’equilibrio3. La maggior parte delle reazioni è reversibile a meno che siano regolate dallecellule

Terminologia metabolica1. substrati: sostanze che entrano nelle reazioni 2. Intermedi : composti diversi dai reagenti che verranno convertiti in prodotti 3. Enzimi: catalizzatori delle reazioni4. Cofattori e coenzimi: contribuiscono alle reazioni metaboliche 5. Trasportatori energetici. Es ATP6. Prodotti finali : risultati delle reazioni

Energia

• Fa muovere gli oggetti

• ferma gli oggetti

• energia dal sole piante cibi per l’uomo

energia per vivere

• abbiamo bisogno di energia per fare lavoro,

energia: capacità di compiere lavoro

Lavoro (forza per spostamento)

Salire delle scale

sollevare un peso

respirare

cuore che pompa sangue

Energia potenziale

Cioè energia immagazzinata

Esempi

acqua in una diga (meccanica)

molla schiacciata (meccanica)

legami chimici nella benzina o carbone (chimica)

cibo (chimica)

Energia cinetica

E’ l’energia del movimentoEsempi

peso in cadutal’acqua che esce dalla digabruciare della benzina

Forme di energia

Meccanica

Elettrica

termica (calore)

Chimica

Radiante (luce)

Energetica biochimica

• Si occupa dell’energia chimica, cioè l’energia potenzialel’energia potenzialeimmagazzinata nei legami delle molecole dei nutrienti

Energia libera di Gibbs

• ∆G variazione energia libera delsistema

• ∆H cambio di entalpia (caloreassorbito o ceduto da una reazione a pressione costante )

• ∆S var. di entropia• T Temperatura

G H T S∆ = ∆ − ∆

Energia libera di Gibbs∆G < 0 reazione esoergonicareazione esoergonica, può avvenire

spontaneamente∆G = 0 il sistema è all’equilibrio: non c’e’

variazione netta di reagenti e prodotti ∆G > 0 reazione endoergonica: non può

avvenire spontaneamente. Ci vuole un input esterno di energia per la reazione

Energia libera di Gibbs

• ∆G e’ indipendente dalla “strada”percorsa dai reagenti per diventare prodotti

• ∆G non fornisce informazioni sulla velocità della reazione

∆G ed equilibrio chimico

• A + B C + D

• dove ∆G° indica variazione ∆G con ciascun reagente alla concentrazione di 1 M

• ∆G si esprime in Kcal/mol o KJ/mol• R: costante dei gas • ∆G dipende quindi dalla natura e dalle concentrazioni dei

reagenti

[ ][ ]ln[ ][ ]

o C DG G RTA B

∆ = ∆ +

Stato standard in biochimica

• In biochimica lo stato standard si riferisce a pH 7 dove H+

non si trova quindi ad una concentrazione di 1 M e si indica con ∆G°’

[ ][ ]ln[ ][ ]

o C DG G RTA B

∆ = ∆ +

∆G ed equilibrio chimico

• All’equilibrio ∆G=0•• concentrazioni all’equilibrio

∆G°’ = - RT ln K’eq • se K’eq > 1 ∆G° < 0• se K’eq < 1 ∆G° > 0

′ K eq =[ C ][ D ][ A ][ B ]

[ ][ ]ln[ ][ ]

o C DG G RTA B

∆ = ∆ +

Serie di Reazioni

• Per reazioni consecutive in serie i valori di ∆G sono additivi

Reazioni favorevoli e sfavorevoli

• Reazioni sfavorevoli • Alcune reazioni necessarie al metabolismo hanno un

∆G positivo• Reazioni favorevoli• Idrolisi di ATP (Adenosina trifosfato) ovvero la moneta

energetica della cellula • conformazione di proteine attivate

• gradienti ionici attraverso le membrane

Accoppiamento

Una reazione termodinamicamente sfavorevole può essere guidata da una termodinamicamente favorevole mediante accoppiamento

Reazioni accoppiate

A B C

B D

A C D

⇔ +

⇔

⇔ +

' 5 /' 8 /' 3 /

o

o

o

G kcal molG kcal molG kcal mol

∆ = +

∆ = −

∆ = −

Reazioni accoppiate

• Condensazione endoergonica:• X + Y ⌦ Z ∆ G°’ = + 2.0 kcal/ mol • ATP ⌦ ADP + Pi ∆ G°’ = -7.3 kcal/ mol• - 5.3 kCal /mol

• X + ATP ⌦ X-fosfato + ADP ∆ G°’= -3.0 kcal /mol• X-fosfato + Y ⌦ Z + Pi ∆ G°’ = -2.3 kcal /mol• - 5.3 kCal /mol

•Intermedio comune

Struttura dell’ ATP

O

OH OH

N

N

N

N

NH2

CH2OPOPOPO-O O O

O- O- O-

adenine

ribose

adenosine triphosphate ATP

ADP

adenosine diphosphate

ADENOSINA TRIFOSFATOADENOSINA TRIFOSFATO

ADENOSINA DIFOSFATOADENOSINA DIFOSFATO

Composti ad alta energia

Compound DGo' of phosphate hydrolysis (kJ/mol)

Phosphoenolpyruvate (PEP) - 61.9

Phosphocreatine - 43.1

Pyrophosphate - 33.5

AcetilCoA - 31.4 ATP (to ADP - 30.5

Glucose-6-phosphate - 13.8

Glycerol-3-phosphate - 9.2

Basi chimiche

• Stabilizzazione per risonanza • repulsione elettrostatica tra ossigeni dei

gruppi fosfato

ATP trasferisce energia tra i composti

- Il ciclo dell’ATP1. ATP - composto ad alto livello energetico2. ADP basso livello energetico 3. La conversione di ADP ad ATP è chiamata fosforilazione e richiede energia

4. La conversione di ATP ad ADP èchiamata defosforilazione e rilascia energia

Sintesi dell’ATP

• In un motore a scoppio la benzina viene ossidata a CO2 e H2O (idealmente) in un processo esplosivo => energia cinetica

• i viventi non possono sfruttare tale energia– meccanismi che coinvolgono reazioni distinte con

produzione di intermedi ad energia progressivamente minore

• energia delle molecole nutritizie viene liberata in parte come calore e in parte recuperata sotto forma di ATP

Ossidazione, riduzione e trasferimento energetico

• Durante la demolizione dei nutrienti (molecole organiche complesse) aumenta l’entropia e viene rilasciata energia libera

• Attraverso quale via viene trasferital’energia contenuta nei legami chimici dei nutrienti e ad altre molecole durante il metabolismo?

Energie di legame,kcal/moleC-H 98O-H 110C-C 80C-O 78H-H 103C-N 65O=O 116 (2 x 58)C=O 187*(2x93.5)C=C 145 (2 x72.5)(* come in CO2)

Energie di legame

1 kcal= 4,184 kj

Legami chimici: forze che tengono assieme gruppi di atomi e li fanno agire come nuove entità

Energia di legame: energia necessaria a rompere il legame

Quando si formano legami chimici si ottiene energiaRompere il legami costa quindi energia.

La variazione di energia netta di unareazione è l’energia ottenuta - costoenergetico.

∆ G∆ G

Ossidazione da glucosio a CO2 + H2O

Ossidoriduzioni

• Ossidazione: processo attraverso cui un atomo perdeelettroni

• Riduzione: processo attraverso cui un atomo acquistaelettroni

• coppie redox coniugate • Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

• Semi-reazioni: Fe2+ Fe3+ + e-

Cu2+ + e- Cu+

•Fe: riducente - Cu: ossidante

Potenziali di ossidoriduzione

• Si libera energia ogni volta che un riducente cede elettroni ad un ossidante che e’ piuelettronegativo (cioe’ ha piu’ affinita’ per gli elettroni) del riducente

• si libera energia quando gli e- passano da un composto ad una data pressione elettronica ad uno con pressione elettronica inferiore

Elettronegatività

Potenziali standard di riduzione

• Due coppie redox coniugate in soluzione: trasferimento di e- spontaneo e dipendente dalla affinita’ relativa per gli e- dei due accettori di e-

• I potenziali standard di riduzione , E0 ,misurano questa affinita’

• per convenzione si assegna E0 positivo alle coppie redox con la tendenza piu’ forte ad acquisire elettroni

Potenziali di riduzione standard a 25° C e Potenziali di riduzione standard a 25° C e pHpH 7.007.00

• coppia redox E0’ (V)• 2e- + 2H+ --> H2(g) -0.4141 • 2e- + H+ + NAD+ --> NADH -0.320 • 2e- + 2H+ + HOOCCOCH3 --> HOOCCHOHCH3 +0.19 • e- + Fe3+ --> Fe2+ +0.769 • 4e- + 4H+ + O2(g) --> 2H2O +0.8147• NOTE:

• HOOCCOCH3 acido piruvico; HOOCCHOHCH3 acido lattico

• Tanto piu forte e’ un ossidante tanto piu’ positivo e’ il suo potenziale di riduzione, ovvero la tendenza a ridursi

Potenziali standard di riduzione e e ∆G

• I potenziali standard di riduzionepermettono di prevedere il flusso di elettroni, i quali vanno verso i potenziali piu’ elevati

• ∆G’0= - n F ∆E’0

– dove n : numero di elettroni trasferiti – F : costante di Faraday – ∆E : E’0

accettore elettroni - E’0donatore di elettroni

Ossidazioni biologiche

• Un aspetto centrale del metabolismo è il trasferimento di elettroni tra molecole diverse

• Il Carbonio dei viventi si trova in diversi stati di ossidazione a seconda della elettronegativita’ degli atomi a cui e’ legato

• elettronegativita’ crescente H< C< S< N<O

Stati di riduzione del carbonio

—CH2—

H

—C—

OH

OC

OH

O

C

O

C

O>> >> >> >>

Pienamente ridotto: e’ legato ad atomipoco elettronegativi

Pienamente ossidato: e’ legato ad atomi molto elettronegativi

Ossidoriduzioni nel metabolismo

• un flusso di elettroni produce lavoro (es. : motore elettrico alimentato da una batteria)

• batteria: contiene due specie chimiche aventi affinità diverse per gli elettroni e collegate daun circuito

• la forza che fa muovere gli e- (forza elettromotrice) è proporzionale alla differenza di affinità per gli e- delle specie chimiche (elettronegativita’)

Ossidoriduzioni nel metabolismo

• Le cellule possiedono un circuito analogo : i composti ridotti es. glucosio o acidi grassi sono la fonte di e-

• durante l’ossidazione gli e- vengono rilasciati e attraverso piccole tappe vengono raccolti dall’ O2 , l’accettore finale

• questa è una reazione esoergonica perche’ O2 e’ il piu’ elettronegativo degli elementi presenti (altri elementi possono teoricamente funzionare da accettori finali di elettroni)

Forme di trasferimento di elettroni

• In biochimica spesso deidrogenazione (deidrogenasi) e’ sinonimo di ossidazione– molte reazioni redox ioni avvengono infatti per

trasferimento di atomi di H o ioni idruro H-

– I coenzimi raccolgono gli elettroni rilasciati dal catabolismo e li mettono a diposizione delle reazioni anaboliche

Coenzimi trasportatori di elettroni

• Sostanze che collegano tra loro i pathways metabolici• Durante le riduzioni, i coenzimi accettano atomi di idrogeno• Durante le ossidazioni, i coenzimi rimuovono atomi di

idrogeno FAD (flavin adenina dinucleotide)

FAD + -CH2-CH2- FADH2 + -CH=CH-• NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide)

NAD+ + -CH-OH NADH + H+ + -C=O

NAD+

FAD•FMN

Energia libera e coenzimi

• NADH + 1/2 O2 => NAD+ + H2O ∆G° = -52 kcal/mol

• per FADH2 circa uguale • Ossidazione di 1 mole glucosio:

– 10 NADH e 2 FADH2 12 x52= 624 Kcal– 624/686 Kcal = 91% dell’energia libera svolta

nell’ossidazione di 1 mole glucosio viene trasferita ai coenzimi trasportatori di e-

• I coenzimi raccolgono gli elettroni rilasciati dal catabolismo

• Il catabolismo è ossidativo : i substrati perdono equivalenti riducenti, di solito ioni H-

• l’anabolismo è riduttivo - NADPH fornisce il potere riducente (elettroni)

Altri composti ad alta energia

• Fosfocreatina ∆ G°’ = - 10.3 kcal /mol

• Fosfoarginina ∆ G°’ = - 7.7 kcal /mol

• Trasferiscono rapidamente il fosfato all’ADP durante la contrazione muscolare di veterbrati e invertebrati

Temperatura e velocità di reazione

• Sono direttamente proporzionali • la T è una espressione dell’agitazione molecolare• alto numero di collisioni molecolari > numero di

interazioni efficaci per la reazione • energia di attivazione: energia cinetica necessaria

a far reagire due molecole in collisione : necessaria sia per reazioni esotermiche che endotermiche

Enzimi

• Gli enzimi permettono alle cellule di esercitare controllo cinetico sullepotenzialità termodinamiche

• esercitano funzioni metaboliche

Potere catalitico

• Gli enzimi possono accelerare le reazioni fino 1016 volte !

• L’ Ureasi è un buon esempio: – velocità in catalisi : 3x104/sec– velocità non catalizzata: 3x10 -10/sec – il rapporto è 1x1014 !

Specificità

• Gli enzimi riconoscono selettivamente i giusti substrati rispetto ad altre molecole

• producono prodotti con altissime rese -spesso più alte di 95%

• la specificità è controllata dalla struttura -l’adattamento unico del substrato con l’enzima controlla la selettività per il substrato e la resa del prodotto

Cinetica enzimatica

Molti termini da conoscere! • Velocità • costante di velocità • legge sulla velocità • ordine di una reazione • molecolarità di una reazione

Cosa fanno gli enzimi....

• Accelerano le reazioni abbassando l’energia libera di attivazione

• Fanno questo legando lo stato di transizionedella reazione meglio del substrato

Altre caratteristiche degli enzimi

1. Non vengono consumati nelle reazioni2. Possono catalizzare le reazioni in entrambe le reazioni

Enzimi e metabolismo

• Senza catalisi enzimatica non ci sarebbe vita , le reazioni sarebbero troppo lente

• gli incrementi di velocità vanno da 108 a 1020, valori enormi

• la velocità è regolabile tramite il controllo dell’attività enzimatica

Regolazione delle reazioni metaboliche

• In sua assenza il metabolismo cellulare sarebbe un processo scoordinato e disordinato– controllo della sintesi degli enzimi – controllo attività enzimatica

• molecole modulatrici (allosteriche) • inibizione da prodotto finale • attivazione enzimatica (covalente)