Bioenergetica

La capacità di usare energia è caratteristica dei sistemi viventi
Bisogni degli esseri viventi
•Energia (luce, molecole organiche)
•Catalizzatori biologici (enzimi)
La termodinamica studia i flussi/trasformazioni di
energia
Bioenergetica: termodinamica applicata ai sistemi
biologici  studia trasformazioni energetiche negli
organismi viventi
Energia: capacità di compiere un lavoro
Le cellule richiedono energia per diversi tipi di lavoro.
1.
Lavoro di sintesi: cambiamenti nei legami
chimici (turnover, crescita)
2.
Lavoro
meccanico:
cambiamenti
nella
localizzazione o nell’orientamento di una cellula
o di una sua parte
3. Lavoro di concentrazione: movimento di
molecole attraverso una membrana contro
gradiente di concentrazione
4. Lavoro elettrico: movimento di ioni attraverso
una
membrana
contro
un
gradiente
elettrochimico.
5. Calore: aumento di temperatura (utile negli
animali a sangue caldo,OMEOTERMI).
6. Bioluminescenza: produzione di luce
Gli organismi viventi ottengono E dalla luce del sole (fototrofi) o dalle
molecole organiche del cibo (chemiotrofi).
ENTROPIA: disordine (S)
ENTALPIA: calore (H)
Flusso di energia attraverso la biosfera è unidirezionale: sole→biosfera
→entropia universo
Flusso di materia è ciclico
Tutte le forme di energia possono essere di due tipi:
CINETICA o energia di movimento (movimento di elettroni, onde, atomi etc;
es e. elettrica, termica suono, velocità, …)
POTENZIALE o energia di posizione (o energia immagazzinata; es energia
chimica, nucleare, molla compressa, …)
Concetto di sistema in termodinamica
Sistema: porzione di universo considerato relativamente agli scambi di energia (sotto
forma di calore o lavoro) con ambiente circostante.
NB
Chiuso: scambia solo E
Aperto: sia E che massa
Gli esseri viventi sono sistemi aperti!
I legge della termodinamica: conservazione dell’E.
L’energia può essere trasferita e/o convertita da una forma all’altra, ma non può
mai essere creata né distrutta.
Nel caso delle reazioni e dei processi biologici si è maggiormente interessati al
cambiamento di ENTALPIA o contenuto di calore (H).
II legge della termodinamica:aumento dell’entropia S
Gli eventi hanno una direzione definita: da uno stato di energia elevata ad uno
stato con energia più bassa. In ogni cambiamento chimico e fisico il disordine
complessivo del sistema e dell’ambiente (universo) aumenta sempre.
L’energia libera G è l’energia disponibile per compiere lavoro
In base al I e II principio della termodinamica
ΔG = Δ H – T Δ S (equazione che sintetizza le 2 leggi)
•Le reazioni esoergoniche liberano energia (ΔG negativo)→spontanee
•Una reazione endoergonica richiede E (ΔG positivo) →non spontanee
I legge
E tot non varia
Varia l’E del sistema considerato
II legge
Aumento dell’entropia
•
Zucchero si scioglie: aumenta
disordine in q si passa da struttura
cristallina ordinata a molecole
libere in soluzione
•
Zucchero ri-cristallizza a seguito
dell’evaporazione: aumenta
entropia dell’ambiente in q.
molecole di acqua-vapore sono
più libere che allo stato liquido.
NB: i viventi mantengono e aumentano
ordine interno aumentando entropia
dell’ambiente!!!
La variazione di energia libera (ΔG) indica se la reazione è spontanea
ΔG negativo→spontanea
ΔG positivo→non spontanea
Nei viventi metabolismo include reazioni sia esoergoniche che endoergoniche
Strategia dell’accoppiamento delle reazioni!
in modo che ΔG complessivo<0
L’accoppiamento tra 2 reazioni/processi in una cellula può avvenire:
•tra reazioni diverse ma con intermedio comune
•Formazione di proteina in stato/conformazione “attivato” (es proteine motrici)
•Uso di gradientielettrochimici
Es. energia potenziale sottoforma di gradiente di concentrazione
Luce solare
fototrofi
ATP
Ossidazione
nutrienti
chemiotrofi
L’ATP è la molecola più usata dai
viventi per accoppiare reazioni
esoergoniche ed endoergoniche.
ATP ha alta energia potenziale nei
legami dei gruppi P
la rimozione/idrolisi del P è
fortemente esoergonica
Cioè ha un alto potenziale di
trasferimento del gruppo P
L’ATP libera energia utile per le reazioni endoergoniche
attraverso il trasferimento del gruppo fosfato.
ATP
Lavoro chimico
Lavoro meccanico
Lavoro di trasporto
Membrana della proteina
P +
Proteina
motrice
Soluto
P
Reagenti
P
P
P
Prodotto
Molecola formata
P
Proteina mobile
ADP + P
Soluto trasportato
L’energia dell’ATP usata anche per:
•“caricare “la membrana;
•modificare proprietà biochimiche di una
proteina
Perché l’idrolisi dell’ATP è tanto esoergonica?
Becker et al.
L’idrolisi dell’ATP a ADP + Pi è esoergonica a causa della
-repulsione di carica tra gruppi fosfato e
-della stabilizzazione per risonanza di entrambi i prodotti dell’idrolisi.
-Quindi il prodotto di reazione è + stabile e favorito termodinamicamente
La vera struttura dei gruppi fosfato è in realtà la media delle strutture che vi
contribuiscono, detta IBRIDO DI RISONANZA, nel quale gli e‫ ־‬in eccesso sono
delocalizzati su tutti i possibili legami
Importante: l’ ATP è un composto
fosforilato ad E intermedia!
La coppia ATP/ADP rappresenta un
mezzo reversibile per conservare,
trasferire e rilasciare E all’interno della
cellula.
L’E libera rilasciata al momento
dell’idrolisi dell’ATP fornisce la forza per
trascinare i numerosi processi
necessari per la vita.
Ciclo dell’ATP
L’ATP è continuamente consumata e rigenerata
Catabolismo
respirazione cellulare
Lavoro cellulare
(anabolismo, trasporto molecole,
attivazione proteine,..)
Anche i coenzimi trasportatori di elettroni (NAD, FAD, NADP)
sono molecole con alto contenuto di energia potenziale
 ↑potenziale di trasf di e-
In una reazione reversibile all’equilibrio la tendenza a dare prodotti o reagenti è la
stessa; all’equilibrio G min, S max
L’equilibrio è influenzato dalla concentrazione di reagenti e prodotti
Nei sistemi biologici le reazioni sono quasi sempre tenute lontane dall’equlibrio!
L’energia libera associata al sistema è minima all’equilibrio e aumenta
quando ci si sposta dall’equilibrio in una delle 2 direzioni!
dG<0→ reazione procede vs dx
dG=0 → reazione all’equilibrio
dG>0 → reazione procede vs sx
I viventi sono in uno stato stazionario
lontano dall’equilibrio per la maggior
parte delle reazioni metaboliche
Morte condizioni di equiibrio
∆G dice solo se una reazione può avvenire, ma non dice se avverrà
∆(valore assoluto =energia scambiata; segno: spontaneità, direzione del processo).
NB: le uniche reazioni che avvengono a velocità
apprezzabile in una cellula sono quelle per le quali sono
presenti e attivi dei catalizzatori proteici (enzimi) o ad RNA
(ribozimi) appropriati.
Che cosa fa un catalizzatore?
Legando i reagenti ad una sorta di superficie in modo da giustapporre
le parti potenzialmente reattive di molecole adiacenti, è favorita la loro
interazione ed effettivamente ridotta l’E di attivazione.
Fornire questa superficie reattiva è compito del CATALIZZATORE.
UN CATALIZZATORE:
• Funziona in piccole quantità
• Non è alterato irreversibilmente/permanentemente durante
reazione
• ↑ la velocità di una reazione (107-1014 volte)
• Forma complessi transitori con le molecole di substrato,
legandosi ad esse in modo da facilitarne interazione
• Cambia solo la velocità con cui si raggiunge l’equilibrio, ma non
può in alcun modo far avvenire una reazione endoergonica (non
modifica la termodinamica dell’evento).
• Il ruolo di un catalizzatore è quello di abbassare l’
energia di attivazione (Ea) richiesta per fare avvenire
una reazione.
• In questo modo la reazione è accelerata
• L’accelerazione della velocità di reazione è detta
CATALISI
L’energia di attivazione (EA) è la quantità minima di E cinetica che le
molecole di reagente devono possedere per consentire il verificarsi delle
collisioni, che portano alla formazione del prodotto.
Attivazione termica→
⇑ frazione molecole con
alta energia
(b) Il numero di molecole con
sufficiente energia per superare la
barriera dell’(EA) e collidere può
aumentare alzando la temperatura
da T1 a T2. non realizzabile nei
viventi
Catalisi → ↓EA
l’Ea può essere abbassata da un
catalizzatore, aumentando in tal
modo il numero di molecole da N1 a
N’2
ENZIMI
Gli enzimi sono proteine che agiscono come catalizzatori biologici:
accelerano la velocità delle reazioni senza alterare il ΔG.
Con la catalisi l’enzima abbassa l’Energia di attivazione richiesta affinchè la
reazione inizi
Il punto MAX di energia
coincide con “stato di
transizione”
Ogni enzima contiene un SITO ATTIVO
che riconosce e lega specificamente il substrato e dove avviene
l’evento catalitico.
complementarità tra sito attivo e substrati
complesso enzima-substrato
Sito attivo:
“tasca”molecolare in cui si inserisce specificamente il substrato
Gli aa del sito attivo generalmente non sono contigui lungo la sequenza
primaria, ma vengono portati vicini col ripiegamento 3D della catena
polipeptidica.
Alcuni enzimi includono componenti NON proteiche: i cofattori
COFATTORI= piccole molecole organiche (coenzimi) oppure ioni metallici che
spesso partecipano alla catalisi in modo determinante.
Ciclo catalitico
Gli ENZIMI sono altamente specifici nell’interazione col
substrato e per il tipo di reazione catalizzata
Ogni cellula possiede migliaia di enzimi specifici per diverse reazioni
1.
2.
3.
4.
5.
Caratteristiche degli enzimi
Elevata specificità
Possibilità di regolazione
Agiscono in quantità minime (“catalitiche”)
Non sono consumati/alterati durante la reazione
Sensibilità a T, pH, forza ionica,..
La catalisi avviene favorendo lo stato
di transizione:
Portare vicine tra loro molecole dei
reagenti
Modificare reattività dei substrati
Orientarli come nello stato di
transizione
Creare microambiente che ne
agevola reazione
Interazione enzima-substrato
a)Modello chiave serratura- rigido
b)Modello adattam.indotto→distorsione di enzima e substrato→reazione favorita
Le reazioni catalizzate da enzimi sono 107 – 1014 volte più veloci!
Adattamento indotto: enzima cambia forma
L’attività degli enzimi è influenzata da temperatura e pH .
T elevata denatura l’enzima
intestino
stomaco
La
dipendenza
dal
pH
è
generalmente dovuta alla presenza
di uno o più Aa carichi nel sito
attivo
e
riflette
l’ambiente
fisiologico in cui l’enzima opera.
Sensibilità ad altri fattori:
• substrati alternativi
• Ambiente ionico.
a) V reazione aumenta con aumento di enzima (eccesso di substrato)
b) V reazione aumenta fino ad un MAX se la conc. di enzima è
costante saturazione
Inibizione degli enzimi
Inibizione reversibile e irreversibile
a) Inib revers. competitiva
b) Inib revers. non competitiva
Inibitori enzimatici come farmaci specifici e selettivi
Es. Sulfonammidi, antibiotici, farmaci antitumorali,…
i sulfonamidici inibiscono
un enzima batterico
necessario alla sistesi di
acido folico
Penicillina: il primo antibiotico!
penicillin-producing Penicillium and
structure of penicillin G.
Scheme of the Peptidoglycan: linear
polysaccharide chains cross-linked by short
peptides
peptidoglycan confers mechanical support
and prevents bacteria from bursting in
response to their high internal osmotic
pressure.
La penicillina (e altri antibiotici beta-lattamici) inibiscono irreversibilmente gli
enzimi transpeptidasi che formano i ponti peptidici del peptidoglicano
 parete cellulare si sfalda e batterio muore (in ambiente ipotonico)
Penicillin inhibits transpeptidase by a Trojan horse stratagem.
Penicillin is welcomed into the active site of the transpeptidase because it
mimics the d-Ala-d-Ala moiety of the normal substrate
Trattamento del morbo di Parkinson e della depressione
basato su inibizione dell’enzima mono amina ossidasi (MAO)
Monoamine oxidase (MAO)
deaminates neurotransmitters such
as dopamine and serotonin,
lowering their levels in the brain.
Parkinson disease is associated
with low levels of dopamine, and
depression is associated with low
levels of serotonin.
The drug (-)deprenyl, which is used
to treat Parkinson disease and
depression, is a suicide inhibitor
of monoamine oxidase.
Regolazione allosterica
L’Enzima esiste in due forme attiva /non attiva, determinate dal legame con
effettore allosterico (positivo o negativo) su sito allosterico (diverso dal sito
attivo).
Effetto allosterico cambio onformazionale cambio di attività
Enzimi multimerici; subunità catalitiche e regolatorie; cooperatività
inibitori e/o effettori allosterici possono regolare l’attività
enzimatica
Es: inibizione a feed-back (o da
prodotto finale).
un prodotto metabolico inibisce
uno degli enzimi coinvolti nella
catena metabolica che porta alla
sintesi del prodotto.
Oltre alla regolazione allosterica molti E sono anche
soggetti a controllo mediante modificazione chimica.
A) Aggiunta/rimozione di gruppi P
Fosforilazione ad opera delle proteinchinasi: trasferimento di un gruppo fosfato
dall’ATP al gruppo
–OH di una serina, treonina o tirosina.
Defosforilazione ad opera delle proteinfosfatasi
Es: glicogeno fosforilasi regolata
mediante
fosforilazione/defosforilazione
B) Taglio proteolitico
Es: proteasi pancreatiche sintetizzate come precursori inattivi (zimogeni)
Non tutti gli enzimi sono proteine!
I ribozimi sono RNA catalitici
Auto-excisione
e
splicing
dell’introne dal pre-rRNA:
Una molecola precursore di rRNA di
Tetrahymena contiene un introne in
grado di catalizzare la propria
excisione dalla molecola di pre.rRNA.
Altri es.di ribozimi: ribonucleasi P (maturazione tRNA)
e attività peptidil transferasica dei ribosomi batterici
IPOTESI dell’ “ RNA world”
L’esistenza di RNA catalitici conferma la teoria di un primordiale mondo
ad RNA: una sola molecola possiede le proprietà di deposito di
informazione (DNA) e di catalisi ( proteine) essenziali per prime forme di
vita
In seguito funzione di deposito d’informazione DNA
Funzione di catalisi proteine
All’RNA resta funz intermediaria
Tuttora RNA copre ruoli chiave del metabolismo cellulare: attività
ribosomi, inneschi per sintesi DNA, splicing, telomerasi  retaggio
antico mondo RNA
RNA world and transition to the present DNA-RNA-protein world.
In the RNA world, RNA functioned as both a carrier of information and an enzyme. It
catalyzed its own replication and the synthesis of proteins.
Middle. During the transitional period, proteins previously synthesized with the help of RNA
catalyzed the transition from RNA to DNA.
Right. Today, proteins catalyze the replication of DNA. They also catalyze the transcription
of DNA into RNA and the translation of messenger RNA into proteins.
(From Fry, I. 2000. The Emergence of Life on Earth. Rutgers Univ. Press. Rutgers, N.J.)
Da “proto-organismi”formati semplici molecole di RNA
autoreplicanti  Origine delle cellule procariotiche
•Le prime cellule procariotiche sarebbero derivate da semplici
aggregati molecolari (RNA + proteine) avvolti da membrane, :
membrane  protezione/barriera
•su questi la selezione naturale avrebbe agito favorendo un grado via
via maggiore di cooperazione molecolare che avrebbe poi dato
origine alle prime cellule procariotiche.
Membrana
LM 650×
RNA
Da “L’Essenziale di Biologia. Campbell et al., Pearson Ed.”
Polipeptide