COMPOSTI AD ALTA ENERGIA

ENTALPIA: misura della variazione di energia di una reazione condotta a pressione costante

∆H = ∆E + P∆V

ENTROPIA: misura del grado di disordine

S = k lnW (k=cos di Boltzmann, cioè la cost dei gas R/n. di Avogadro; W numero di sottostati di uguale energia)

L’ENERGIA LIBERA DI GIBBS

G = H-TS

Questa funzione di stato tiene conto sia del termine entalpico(H), che misura la variazione di energia a pressione costante, sia di quello entropico (S), che valuta l’importanza del grado di disordine.

Per una variazione di ENERGIA LIBERA (∆G) in un sistema a temperatura e pressione costante possiamo scrivere:

∆G = ∆H - T∆S

Una diminuzione di energia (∆H negativo) e/o un aumento di entropia (∆S positivo) sono tipici delle trasformazioni favorite, e entrambe queste condizioni tenderanno a rendere il ∆G negativo.

Un processo in un sistema isolato a pressione e temperatura costanti è favorito se il ∆G è NEGATIVO!!!

Le trasformazioni accompagnate da variazioni negative dell’energia libera si dicono ESOERGONICHE e sono termodinamicamente favorite, mentre le trasformazioni accompagnate da variazioni positive dell’energia libera si dicono ENDOERGONICHE e sono termodinamicamentesfavorite (è favorita la reazione inversa).

Se ∆H = T∆S allora ∆G = 0

Allora la trasformazione non è favorita né in un senso nénell’altro: il sistema è all’equilibrio. In questa condizione la reazione è reversibile, cioè, può essere spostata in qualsiasi direzione da una spinta infinitesimale in un senso o nell’altro.

Il segno del ∆G di un processo indica se questo processo, oppure il suo contrario, sia termodinamicamente favorito.

Il valore assoluto del ∆G è indicazione di quanto il processo sia lontano dall’equilibrio.

Molte reazioni necessarie per la vita sono ENDOERGONICHE (ad es.trasporto contro gradiente di concentrazione), tali reazioni intrinsecamente sfavorite possono essere rese termodinamicamentefavorite accoppiandole a reazioni fortemente esoergoniche.

A B ∆G = + 10 kJ/mole

C D ∆G = -30 kJ/mole

se la cellula riuscirà ad accoppiare queste due reazioni il ∆G per il processo complessivo sarà dato dalla somma algebrica dei singoli valori :

A B ∆G = + 10 kJ/mole

C D ∆G = -30 kJ/mole

A + C B + D ∆G = -20 kJ/mole

L’equilibrio del processo complessivo risulta ora molto spostato a destra.

B risulta quindi efficientemente prodotto a partire da A.

“Il composto C”: COMPOSTI AD ALTA ENERGIA

Alcune molecole hanno un’energia standard di idrolisi fortemente negativa (∆G), ossia i prodotti di reazione hanno contenuto energetico molto minore di quello del substrato di partenza.

Il composto in sé non ha piùenergia, né il legame è un legame speciale (anzi la rottura di un legame costa sempre energia).

E’ il ∆G di idrolisi ad essere altamente esoergonico.

A B ∆G = + 10 kJ/mole

C D ∆G = -30 kJ/mole

FATTORI CHE CONTRIBUISCONO A RENDERE negative LE ∆G DI IDROLISI DEI COMPOSTI A ALTA ENERGIA

1. Delocalizzazione degli elettroni del legame O-P:

la stabilizzazione per risonanza del Pi comporta che i prodotti siano + stabili dei reagenti, cioèa uno stato energetico inferiore. Le diverse forme di risonanza (W) fanno aumentare l’entropia del sistema (S = k lnW) che influisce sul ∆G (∆G = ∆H - T∆S) facendolo aumentare.

2. Ulteriore idratazione dei prodotti di idrolisi: il rilascio del Pi aumenta le possibilità di idratazione, specialmente quando i prodotti sono carichi. Tale idratazione è uno stato energeticamente favorito.

3. Repulsione elettrostatica tra prodotti carichi: nella maggior parte dei casi l’idrolisi di tali molecole a alta energia genera prodotti carichi, la repulsione tra questi prodotti ionici favorisce fortemente la reazione di idrolisi.

4. Aumento di stabilizzazione per risonanza delle molecole prodotte: in alcuni casi non èsolo il Pi che si stabilizza per risonanza ma anche la restante parte della molecola (PEP→ piruvato).

Le categorie di composti ad alta energia più importanti sono due:

TIOESTERI

COMPOSTI FOSFORILATI

TIOESTERE

C H 3 CO

S R

C H 3 CO

O RC H 3 C

O

O -

-ESTERE NORMALE

Stabilizzazione per risonanza

∆G di idrolisi del tioestere

Stabilizzazione dell’estere per risonanza

∆G di idrolisi dell’estere normale

I tioesteri rispetto agli esteri normali hanno un livello energetico più alto.

Negli esteri normali vi è una delocalizzazione degli elettroni π, che conferisce carattere di parziale doppio legame al C-O. Nei tioesteri le maggiori dimensioni dell’S riducono il grado di delocalizzazione, risulta quindi ridotto il grado di stabilizzazione per risonanza→ ∆G di idrolisi maggiore.

Acetil-CoA + H2O acetato + CoA + H+ (∆G°= -32,2 kJ/mole)

CH3 CSCoA

O

H2OCoASH

CCH3

O

OH

H+

O-

O

CH3 C

Stabilizzazione per risonanza

Acetil-CoA

IDROLISI

Acido Acetico

IONIZZAZIONE

Acetato

I composti fosforilati presenti nelle cellule possono essere distinti in due gruppi in base alla loro energia libera di idrolisi:

A BASSA ENERGIA (∆G < -25 kj/mole)

A ALTA ENERGIA (∆G > -30 kj/mole)

MOLECOLE AD ALTA ENERGIA E RELATIVI ∆G

-31.4Acetil-CoA-9.2Glicerolo-1-P-13.8Glucosio-6-P-15.9Fruttosio-6-P-20.9Glucosio-1-P-33.4PPi(→2Pi)-14.2AMP (→adenosina+ Pi)-32.2ATP(→AMP+ PPi)

ATP(→ADP+ Pi) -30.5ADP (→AMP+ Pi)

-43.0fosfocreatina-49.31,3bifosfoglicerato (→3fosfoglicerato +Pi)-61.9Fosfoenolpiruvato

kJ/moleCOMPOSTO FOSFORILATO

Il PEP, quando viene idrolizzato, genera piruvato che esiste in due forme tautomeriche (enolica e chetonica) molto più stabili del substrato iniziale.

PEP3- + H2O piruvato + Pi (∆G°= -61,9 kJ/mole)

PEPPIRUVATO

forma enolicaPIRUVATO

forma chetonica

idrolisitautomerizzazione

-

O- C

O

CO

CH2

PO

OO H2O

P I

CH2

OHC

OO- C O- C

O

C

CH3

O

- -

-

ATP: adenosina trifosfato

Un discorso speciale merita la molecola di ATP che pur avendo un ∆G di idrolisi meno negativo è il composto ad alta energia universalmente utilizzato nei sistemi biologici per le reazioni accoppiate, le biosintesi, il lavoro meccanico, osmotico, etc…

ATP 4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ (∆G° = -30,5 kJ/mole)

ADP 3-

PO-

O

O Rib Ade ninaPO-

OO-

P

O

O

O O

H2O

OO P

O

OO- P

O-

O

Ade ninaPO-

O

O RibPO-

OO-

OH

O-

- 3-

H+ O-P

O

O-

PO-

O

O Rib Ade ninaO- P

O

OOH+

ATP 4-

ADP 2-

Stabilizzazione per risonanza

Idrolisi con rimozione della repulsione tra le cariche

ionizzazione

H

La reazione di idrolisi del legame fosfoanidridico genera due prodotti: ADP e Pi. Il primo si ionizza rilasciando un protone, il secondo si stabilizza per risonanza.

∆G TEORICO E REALE

I ∆G di idrolisi delle molecole considerate differiscono dai ∆G reali perché all’interno della cellula la concentrazione di ATP, ADP e Pi sono molto inferiori alla concentrazione standard 1M rispetto alla quale il ∆G° è calcolato.

Anche il pH può non essere 7 e la temperatura può non essere 25°C, tali valori dipendono in genere dalla specie considerata.

Equazione che descrive il ∆G reale di idrolisi dell’ATP, considerando il pH=7:

∆G = ∆G° + RT ln [ADP] [Pi ] / [ATP]

Anche ammettendo pH 7 e T=25°C la ∆G reale in base alle concentrazioni passa da -30.5 kj/mole a -51.8 kj/mole nel globulo rosso.

Pertanto il ∆Greale varia da una cellula all’altra e nel tempo in base alle condizioni metaboliche.

Se poi si corregono T, pH e presenza di ioni si hanno ulteriori fluttuazioni: nel caso dell’ATP, ad es., il Mg++ può mascherare cariche negative, modificando dei gruppi fosforici.

∆Greale per ATP: -50 kj/mole -65 kj/mole

P

O

O

O O R ib A d e n in aP

O

O

O O P

O

O

O O

M g + +

P

O

O

O O P

O

O

O O R ib

M g + +

A d e n in a

Mg ATP2-

Mg ADP-

Generalmente l’idrolisi dell’ATP nelle reazioni accoppiatecomprende 2 fasi:

1.a) trasferimento del gruppo Pi sul substrato o dell’AMPsul substrato o enzima.

ATP ADP + Pi (caso I)

ATP AMP + PPi (caso II)

1.b) conseguente aumento di E libera (∆G) di substrato o enzima.

2. Rilascio Pi o AMP.

Esistono tuttavia casi in cui la scissione dell’ATP in sèfornisce l’energia atta a far cambiare conformazione ad es. ad una proteina carrier.

ATP

ADP

NH3

ATP ADP P ICOO-

CHNH3+

CH2

CH2

C

O NH2

COO-

CHNH3+

CH2

CH2

CO-

O

COO-

CHNH3+

CH2

CH2

C

O

PI

NH3

O OP

O-O-

glutammato glutammina

Glutammil fosfato

Glutammina sintetasi

δ

L’ATP fosforila il Cδ del glutammato formando cosìun’anidride tra il gruppo carbossilico e l’acido fosforico, che subisce un attacco nucleofilo da parte dell’N dell’ammoniaca dando origine al prodotto ammidico: la glutammina.

caso I

caso II CICLO DELLA BIOLUMINESCENZA DELLE LUCCIOLE

OH

N

S

N

S

HCOO-

HH

HHC

H

OH

N

S

N

SOO P

OH

O

O Rib Adenina

PPI

ATP

Luciferina adenilato

Ossiluciferina

Luciferina

O2

Luce

reazioni di rigenerazione

Luciferina delle lucciole

Luciferina adenilato AMP

CO2 + AMP

La transizione da luciferina-adenilato a ossi-luciferina consente l’emissione di fotoni.

COMPOSTI FOSFORILATI A BASSA ENERGIA

I composti fosforilati a potenziale più negativo possono trasferire il gruppo fosforico all’ADP per dare ATP il quale può trasferirlo ai prodotti di idrolisi (es.fruttosio) dei composti a ∆G meno negativo (es. a dare F6P).

I composti fosforilati a “bassa energia” sono tali perché i loro prodotti di idrolisi non possono avere stabilizzazioni per risonanza (sono alcooli).

-CH2OPi CH2

OH

In questo contesto l’ATP si comporta come una moneta di scambio universale.

CCHOH

CH2 O P

O O PCCH2

COO-

O P

P CREATINA

ADENINA Rib P P P

Glucosio Glicerolo

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

∆G

6P P

Pi

Composti ad alta energia

Composti ad bassa energia

1,3-bifosfoglicerato fosfoenolpiruvato

fosfocreatina

ATP