Modulo 12 :Il metabolismo:

concetti di base

Il metabolismo

} Il metabolismo è l’insieme di tutte le trasformazioni chimicheche avvengono nelle cellule (ed in ultima analisi negli organismi)per adempiere a queste funzioni principali:1. Ottenere energia chimica dall’ambiente

2. Convertire le molecole delle sostanze nutrienti in molecolecaratteristiche delle cellule stesse.

3. Sintetizzare i precursori monomerici delle macromolecole e lemacromolecole stesse caratteristiche di ogni specie vivente.

Le vie metaboliche

Classificazione degli organismi in base al tipo di metabolismo

Le principali vie metaboliche sono molto simili in tutti gli organismi viventi.

Esempio: glicolisi è presente in tutte le cellule, prima della comparsa dell’ossigenonell’atmosfera.Organismi diversi hanno però differenti strategie per ottenere 1) la fonte di carbonio,2) una fonte di energia

Il metabolismo (chemoeterotrofi) consiste di una fase degradativa ed una fase biosintetica

prodotti finali semplici Le reazioni anaboliche necessitano di energia fornita sotto forma di ATP e potere riducente

Le vie cataboliche convergono verso pochi intermedi comuni

Il catabolismo aerobico dei chemioeterotroficonsiste di tre fasi:Fase 1: i nutrienti sono degradati adamminoacidi, monosaccaridi, glicerolo ed acidigrassiFase 2: i metaboliti prodotti nella fase 1vengono convertiti in pochi intermedicomuni: acetil-Coa, intermedi del ciclodell’acido citrico.

Fase 3: la combustione dei gruppi acetili aCO2 and H2O attraverso il ciclo dell’acidocitrico e la fosforilazione ossidativa portanoalla conservazione di energia sotto forma diATP.

Vie corrispodenti del catabolismo e dell’anabolismo differiscono tra loro

Compartimentalizzazione intracellulare neglieucarioti (citosol, mitocondri, reticoloendoplasmico ecc) consente la separazionefisica delle vie metaboliche.

Vie metaboliche che hanno in comune gli stessicomposti di partenza e prodotti finali hanno almenouna delle reazioni catalizzata da enzimi diversi. Es cat.glucosio, acidi grassi etc.Regolazione indipendente.

Vie indipendenti

Vie con un passaggioindipendente

Una via metabolica deve essere termodinamicamente favorita (DG < 0).

La spontaneità delle reazioni chimiche

Energia libera (di Gibbs) G è una funzione di stato utile per esprimere ladirezione verso cui procede spontaneamente una reazione. Determina illavoro utile ottenibile a T e P costantiCombina Entalpia (H) e Entropia (S) del sistema

G= H-TS a T costante ΔG= ΔH-TΔS

ΔG< 0 processo spontaneo (reazione esoergonica) ΔG> 0 processo non spontaneo (reazione endoergonica); ΔG= 0 processo all’equilibrio.

Entalpia (H): funzione di stato, contenuto termico del sistema riflette il n e tipo dilegami. Se P e V costanti, ΔH equivale al calore scambiato dal sistema con l'ambienteesterno, ha valore negativo nelle reazione esotermiche.

Entropia (S): funzione di stato che indica il grado di casualità e disordine di un sistema.Nelle reazioni chimiche riflette il numero di molecole e il loro stato (liquido/gas). ΔS>0nelle reazioni in cui c’e’ aumento di molecole (disordine).

ΔG e ΔH espressi in joule/mole (1 cal = 4,184 J); ΔS espresso in J/mole*K)

La variazione di energia libera determina la direzione delle reazioni

ΔG= ΔH-TΔS

Se ΔH>0 e ΔS >0 2 casi: ǀT ΔSǀ > ΔH allora ΔG <0opp.: ǀT ΔSǀ < ΔH allora ΔG >0

Se ΔH<0 e ΔS<0 2 casi: ǀT ΔSǀ > ΔH allora ΔG>0opp.: ǀT ΔSǀ < ΔH allora ΔG<0

ΔH<0 e ΔS>0

ΔG <0

Molte reazioni endotermiche avvengono spontaneamente (ΔG <0), come pure reazioni in cui S del sistema diminuisce:

Il valore di DG dipende dalle concentrazioni dei reagenti e dei prodotti

Il valore di ΔG dipende dal ΔG°’ e dalla concentrazione iniziale deireagenti e dei prodotti.

Il valore di ΔG è misura di quanto il sistema è lontano dall’equilibrio: Quando ΔG=0

ΔG°’= - RT ln = - 2,3RT log10K’eq Che viene riordinata in:

per una reazione A + B D C + D

K’eq. = 10-ΔG°’/2,3RT = 10-ΔG°’/5,69

[C]eq[D]eq

[A]eq[B] eq

ΔG = ΔG°’ + RT ln [C] [D][A] [B]

ΔGo' = variazione di energia standard (in condizione standard: pH=7, tutti i reagenti 1M)

R = costante dei gas (8,31 J/mole*K); T = temperatura (298K )

La variazione dell’energia libera standard di una reazione è in relazionecon la costante di equilibrio della reazione.

All’equilibrio il rapporto tra GAP e DHAP è 0,0475 a 25° (298K) e a pH 7K’eq =0,0475

ΔG°’= -RT ln K’eq allora = -8,315 ✕ 10-3 ✕ 298 ✕ ln (0,0475)= +7,53 kJ mol-1 (+1,80 kcal mol -1) ENDOERGONICA

Poniamo che [DHAP] = 2 ✕ 10-4 M[GAP] = 3 ✕ 10-6 M

ΔG = 7,53 kJ mol-1 + RT ln 3 ✕ 10-6 M/2 ✕ 10-4 M = Q= azione di massa

= 7,53 kJ mol-1 – 10,42 kJ mol-1

= -2,89 kJ mol-1 (-0,69 kcal mol-1) ESOERGONICA

Le variazioni di energia libera si possono sommare

I cambiamenti di energia libera delle reazioni accoppiate sono addittiviI valori di DG di una serie di reazioni (cioè che hanno un intermedio incomune) è uguale alla somma delle variazioni delle energie libere dellesingole reazioni

A D B + C DG1 °’ = +20 kJ/molB D D DG2 °’ = - 35 kJ/mol¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾A D C + D DGtot °’ = -15 kJ/mol

In condizioni standard A non può convertirsi in B + C ma la sua conversionein C + D ha un valore di energia complessivamente negativo.Una reazione termodinamicamente sfavorita può procedere seaccoppiata ad una seconda reazione termodinamicamente favorita(esoergonica) quando DG1 °’ + DG2 °’ < 0

Esempio di reazioni accoppiate Nella reazione catalizzata dal 1° enzima glicolitico, laesochinasi, le due reazioni accoppiate sono:

Pi + glucosio D glucosio-6-P + H2O ΔGo' = +13,8 kJ/mol

ATP + H2O D ADP + Pi ΔGo' = -30,5 kJ/mol

Le due reazioni hanno in comune Pi e H20, la lorosomma è uguale a :

ATP + glucosio D ADP + glucosio-6-P

ΔGo' = -16,7 kJ/mol

La reazione complessiva è esoergonica.

L’ATP è il trasportatore universale di energia in tutti i sistemi biologici

DG di idrolisi dei legamifosfoanidridici ha una valoremolto negativo, fa si che iltrasferimento dei gruppi Pi siafavorito energeticamente (elevatopotenziale di trasferimento).I legami fosfoanidridici dell’ATPsono erroneamente detti “legamiad alta energia”.

ATP + H2O D ADP + Pi DG°’ = -30,5 kJ mol-1

ATP + H2O D AMP + 2Pi DG°’ = -45,6 kJ mol-1

Valore delle due idrolisi nelle condizioni intracellulari (tenuto contodelle concentrazioni reali) : 50 kJ mol-1.

Anche se l’ idrolisi è esoergonica, l’ATP è cineticamente stabile: la sua idrolisi in assenza di un enzima, non avviene facilmente.

Le basi strutturali dell’elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosforico da parte dell’ATP

La variazione di energia libera che accompagna l’idrolisi dell’ ATP hadiverse ragioni che fanno si che i prodotti hanno un minor contenutodi energia libera rispetto i reagenti.

• Il prodotto di idrolisi è stabilizzato da alcune forme di risonanza(sopra).

• La repulsione elettrostatica tra gli atomi di O caricatinegativamente è inferiore nei prodotti rispetto all’ATP che ha 4cariche dello stesso segno strettamente associate.

• La minor energia di solvatazione della fosfoanidride in confronto aquella dei prodotti di idrolisi

L’accoppiamento delle reazioni con la demolizione dell’ATP non avviene per idrolisi ma per trasferimento

del gruppo fosforicoIl rilascio di energia da parte dell’ATPavviene attraverso la partecipazionecovalente alla reazione che deve essereguidata o favorita, catalizzando iltrasferimento del gruppo Pi che serve adattivare la molecola reagente o amodificare la conformazione dellaproteina(es fosforilazione, trasporto attivo, etc ) .

Esempio: la conversione di glu agln, processo endoergonico,avviene con la formazionedell’intermedio glutamil-fosfatoin grado di reagire poi con ilgruppo amminico e formareglutammina.

A B

L’ATP ha un potenziale ditrasferimento del gruppofosforico intermedio.

Questa caratteristica lo rendeun trasportatore ideale: l’ATPpuò donare gruppi P a molecolecon potenziale di trasferimentoinferiore, mentre quellemolecole che hanno unpotenziale di trasferimento delgruppo P superiore (rG moltonegativo) sono in grado ditrasferirlo all’ADP perrigenerare ATP.

Altri composti fosforilati hanno elevati potenziali di trasferimento del gruppo fosforico

DG°’= - 61,9 kJ mol-1

DG°’= - 49,3 kJ mol-1

DG°’= - 43 kJ mol-1

Altri composti fosforilati con elevata energia di trasferimento di P

Idrolisi dell’1,3 bisfosfoglicerato

Idrolisi del fosfoenolpiruvato (PEP)

L’ossidazione delle sostanze nutrienti è la fonte di energia cellulare

Il flusso di elettroni è responsabile di tutto il lavoro prodotto dagliorganismi viventi.Il carbonio delle molecole organiche viene ossidato a CO2, mentrel’accettore ultimo di elettroni (org. aerobici) è l’O2.

Quanto > ridotto è lo stato della molecola di partenza, > saràl’energia ottenibile.

Stato ossidativo del carbonio crescente

Il sistema NAD+/NADH è un trasportatore di elettroni

Il NAD+, Nicotinamide Adenin Dinucleotide, èun accettore di elettroni nelle vie cataboliche.Vengono accettati 2 e- ed 1 H+ (equivalenti ioneidruro H-) e si trasforma nella forma ridottaNADH.

NADP+/NADPH è simile, eccettoper il fosfato sul 2’ OH delribosio. NADPH è il donatore die- nelle vie metabolichebiosintetiche.

Gli e- estratti dallesostanze nutrientinon passanodirettamente all’O2ma vengono ceduti adei trasportatori dielettroni: nucleotidipiridinici e flavine.

Reazione complessiva:

NAD+ + 2e- + H+ « NADH.

Il sistema FAD/FADH2 è un trasportatore di elettroni legato alle flavoproteine

FAD (Flavin Adenin Dinucleotide), eFMN sono trasportatori di e- comegruppi prostetici di enzimi(flavoproteine). La reazione diossidoriduzione avviene a livellodell’anello isoallossazinicoFAD accetta 2 e- + 2 H+ in duepassaggi e si trasforma nelcomposto ridotto:

FAD + 2 e- + 2 H+ « FADH2

Il ciclo dell’ATPL’ATP è una forma di immagazzinamento di energia libera a breve

termine: nelle cellule viene normalmente consumato entro un minutoe riformato

Un adulto consuma in media 12000 kJ al giorno(40 kg di ATP al giorno se non venisse riciclato in continuo)La produzione di ATP è una delle funzioni principali del catabolismo.

I composti ad alto potenziale di trasferimento di P possono accoppiare l’ossidazione del C alla sintesi di ATP

C

C

CH2OP O32-

H O

H OH+

2

3

1

Gliceraldeide3-fosfato

C

C

CH2OP O32-

O O-

H OH2

3

1

-3-fosfoglicerato

ossidazione

Il 10% dell’ATP viene prodotto per fosforilazione a livello di substrato

C

C

CH2OP O32-

O O-

H OH

ADP ATP

2

3

1

Mg 2+

Fosfoglicerato chinasi

C

C

CH2OP O32-

H O

H OH

C

C

CH2OP O32-

O OP O32-

H OH+ P i

+ H+

NAD+ NADH 1

2

3

2

3

1

Gliceraldeide -3-fosfato

Gliceraldeide -3-P deidrogenasi

L’ossidazione non avviene in modo diretto:

fosforilazione a livello di substrato

1,3 bisfosfoglicerato 3-fosfoglicerato

I gradienti ionici sono una forma di energia cellulare

il 90% dell’ATP cellulare vieneprodotto attraverso l’influssodi protoni (H+) secondogradiente elettrochimico(fosforilazione ossidativa efotofosforilazione).Il potenziale elettrochimicodei gradienti ionici (H+) vieneprodotto dall’ossidazione dellesostanze combustibili o perfotosintesi.

Questo processo universale che si svolge nei batteri, cloroplasti e mitocondri è detto processo chemiosmotico.

fosforilazione ossidativa

Altri composti con elevato potenziale di trasferimento di gruppo: il coenzima A

Il gruppo sulfidrilico del Coenzima A (CoA-SH)è il sito reattivo per la formazione di tioesteri(acil Coa e acetil Coa).

L’elevata rG di idrolisi del legame tioestere (-31,4 kJ mol-1) permette al Coenzima A di avereun elevato potenziale di trasferimento di gruppo(acile). Il trasferimento dell’acetile (acile) è unprocesso esoergonico.

Il coenzima A è untrasportatore attivato diunità carboniose. Utilizzatoin reazioni di transacilazionee di condensazione