Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Course 096125 (095857)
Elementi di Chimica Verde e Sostenibile
A.A. 2015/2016
Metabolismo Cellulare
Prof. Attilio Citterio
Dipartimento CMIC “Giulio Natta”
http://ISCaMaP.chem.polimi.it/citterio/
Metabolismo: Concetti di Base e Schemi
Negli organismi viventi i processi di trasduzione dell’energia si realizzano
tramite una complessa rete integrata di reazioni chimiche dette
metabolismo.
A. Il Metabolismo è costituito da molti reazioni accoppiate
interconnesse
B L’ossidazione delle molecole organiche è una importante fonte di
energia cellulare
B Le vie metaboliche contengono molti motivi ricorrenti
Attilio Citterio
Un Abbozzo del Metabolismo delle Piante
Acqua
Biossido di
Carbonio
Luce
FOTOSINTESIS
Amido
(cibo immagazzinato)
Zuccheri
Pectina
Cellulosa Pareti cellulari
Lignina
Grassi
Ossigeno
Minerali del suolo
Proteine
Pigmenti
Biossido di
Carbonio
RESPIRAZIONE
Cutina
Membrane
Enzimi
Ormoni
Vitamine
Acqua
Energia
(usata nella sintesi dei
prodotti vegetali a destra)
Attilio Citterio
Alcaloidi, tannini e
altre sostanze
protettive, ecc.
Metabolismo: Complessità e Programmazione
•
Il metabolismo del batterio E. coli comprende più di 1000 reazioni
chimiche
•
Questa vasta batteria di reazioni è semplificata dall’uso di un progetto
coerente che coinvolge molti motivi comuni.
•
Questi motivi includono l’uso di una valuta energetica e il ricorso ad
un numero limitato di intermedi attivati.
•
Un gruppo di circa 100 molecole giocano un ruolo centrale in tutte le
forme in cui la vita compare dal micro-organismo all’uomo.
•
Il numero di reazioni è molto grande, il numero dei motivi è piccolo e i
meccanismi sono normalmente semplici (con qualche eccezione)
•
Le vie metaboliche sono regolate da modalità comuni.
Attilio Citterio
Le Cellule Trasformano Diversi Tipi di Energia
Gli organismi viventi richiedono un continuo apporto di energia libera per
tre principali scopi:
• Fare lavoro meccanico, quale contrazione dei muscoli ed altri
movimenti cellulari
• Trasportare attivamente molecole e ioni
• Sintetizzare macromolecole ed altre biomolecole da semplici
precursori
Conversioni di Energia:
Organismi fotosintetici, or fototrofi, usano l’energia della luce solare
per convertire molecole semplici a bassa energia in molecole più
complesse e più ricche di energia che poi servono da combustibili.
Essi trasformano la luce in energia chimica
Organismi chemotrofi, come l’uomo, ottengono l’energia chimica
tramite l’ossidazione dei componenti alimentari prodotti dai fototrofi
L’energia chimica è poi trasformata in altre forme di energia.
Attilio Citterio
Metabolismo del Glucosio
Il glucosio viene
trasformato in
Piruvato in 10 reazioni
in sequenza
Metabolismo:
una serie interconnessa
di reazioni chimiche
Glucosio
10 stadi
Piruvato
Anaerobico
Aerobico
Condizioni
anaerobiche
Condizioni
anaerobiche
Acetil CoA
Lattato
Attilio Citterio
Vie Metaboliche
Attilio Citterio
Vie Metaboliche
Due ampie classi:
1. Quelle che convertono l’energia in forme biologicamente utili si
indicano come vie cataboliche
Combustibili (carb./grassi) → CO2 + H2O + energia utile: catabolismo
2. Quelle che richiedono immissione di energia per poter procedere si
indicano col termine vie anaboliche
energia utile + piccole molecole → mol. complesse: anabolismo
Le vie che sono sia anaboliche o cataboliche si individuano col termine
vie amfiboliche.
Attilio Citterio
Accoppiamento Spontaneo e Reazioni non
Spontanee
Una via metabolica deve soddisfare al minimo due criteri:
1.
Le singole reazioni devono essere specifiche, fornendo solo un particolare
prodotto o una gamma di prodotti.
Gli Enzimi forniscono la specificità
2.
L’intero gruppo di reazioni in una via deve esser termodinamicamente
favorito
Una reazione può avvenire spontaneamente solo se il DG, la
variazione di energia libera, è negativa.
3.
Un importante proprietà della funzione termodinamica G è che la variazione
complessiva di energia libera di una reazione o di una serie di reazioni è
uguale alla somma delle variazioni di energia libera delle singole fasi,
AB+C
G0’ = + 5 kcal mol-1
BD
G0’ = - 8 kcal mol-1
————————————————
AC+D
G0’ = - 3 kcal mol-1
Attilio Citterio
ATP è la Moneta Universale dell’Energia
Libera
Il Metabolismo è facilitato dall’uso di una moneta di scambio energetico
comune
Parte dell’energia libera derivata dall’ossidazione dei cibi e dalla luce
viene trasformata in ATP – l’ATP è la moneta energetica universale per
lo scambio dell’energia libera. Si libera una grande quantità di energia
libera quando si idrolizza l’ATP ad ADP e Pi, o l’ATP a AMP e PPi
ATP + H2O ADP + Pi
G0’ = -7.3 kcal mol-1
ATP + H2O AMP + PPi
G0’ = -10.9 kcal mol-1
Nelle tipiche condizioni cellulari, il valore reale di per queste idrolisi è
approssimativamente -12 kcal mol-1
L’idrolisi dell’ATP sposta il metabolismo spostando
l’equilibrio di reazioni accoppiate di un fattore di circa 108
Attilio Citterio
Strutture di ATP, ADP e AMP
Adenosina trifosfato (ATP)
Adenosina monofosfato (AMP)
Attilio Citterio
Adenosina difosfato (ADP)
ATP
L’ATP è una molecola ricca in energia perché le sue unità
trifosfato contengono due legami fosfoanidridici ( e )
–
–
–
–
Adenosina trifosfato (ATP)
ATP ha un elevato potenziale di trasferimento del gruppo
fosforile (G = -12 kcal mol-1)
Attilio Citterio
2
Strutture di Risonanza dell’Ortofosfato
Perché l’ATP ha un elevato potenziale di trasferimento del fosforile?
G0’ dipende dalla differenza nelle energie libere dei prodotti e quelle dei
reagenti, per cui entrambe si devono considerare
Quattro fattori sono importanti:
1.
2.
3.
4.
Stabilizzazione per Risonanza
Repulsione Elettrostatica
Stabilizzazione dovuta all’idratazione
Aumento dell’entropia per formazione di 2 specie da 1
Attilio Citterio
Composti con Alto Potenziale di
Trasferimento di Fosforile
-
2
Il potenziale di trasferimento di
fosforile è un’importante forma di
trasferimento di energia cellulare
Fosfoenolpiruvato
+
N H2
O
P
N
-O
-
O
C H3
O
Creatina fosfato
-
2
O
O
O
P
O
O
-
2
O
O
HO H
Questi composti possono
trasferire un gruppo fosforile
all’ADP per formare ATP
2
O
P
O
O
1,3-Bisfosfoglicerato
Attilio Citterio
Essi accoppiano l’ossidazione al
carbonio alla sintesi dell’ATP
Posizione Intermedia dell’ATP
consente all’ATP di funzionare efficientemente come trasportatore di
gruppo fosforile
R-OPO32⎯ + H2O → ROH + HOPO32⎯
G°idrolisi
Energia libera standard per l’idrolisi di alcuni composti fosforilati
kcal·mol-1
kJ·mol-1
Fosfoenolpiruvato
- 14.8
- 61.0
1,3-Bisfosfoglicerato
- 11.8
- 49.4
Creatina fosfato
- 10.3
- 43.1
ATP (ad ADP)
- 7.3
- 30.5
Glucosio 1-fosfato
- 5.0
- 20.9
Pirofosfato
- 4.6
- 19.3
Glicerolo 6-fosfato
- 3.3
- 13.8
Glicerolo 3-fosfato
- 2.2
- 9.2
Composto
Attilio Citterio
Ciclo ATP-ADP
100 g di ATP nel corpo,
il turnover è molto alto.
Un uomo a riposo consuma
40 kg di ATP in 24 ore.
Un’attività intensa porta a
consumare 0.5 kg / minuto.
In 2 ore: sono usati 60 kg
Movimento
Trasporto attivo
Biosintesi
Amplificazione di Segnale
ATP
ADP
Ossidazione di molecole
combustibili
o
Fotosintesi
Attilio Citterio
Si tratta di un modo
fondamentale di scambio
nei sistemi biologici
L’ossidazione dei combustibili
organici è una fonte
importante di energia
cellulare
Fonti di ATP nel Corso di una Attività
Prolungata
ATP
Metabolismo aerobico
Creatina fosfato
Energia
Metabolismo
Anaerobico
Secondi
Minuti
Ore
Nel muscolo a riposo, [ATP] = 4 mM, [creatina fosfato] = 25 mM
[ATP] sufficiente a sostenere 1 secondo di contrazione muscolare
Attilio Citterio
Energia Libera di Ossidazione
di specifici composti ad un atomo di carbonio
meno energia
più energia
H
H
O
C
C
H
H
Metano
H
H
H
H
H
Metanolo
O
O
C
C
H
Formaldeide
H
O
C
O H
Acido formico
O
Biossido di
carbonio
G°ossidaz.
-195
(kcal·mol-1)
-168
-125
-68
0
G°ossidaz.
(kJ·mol-1)
-703
-523
-285
0
-820
Negli organismi aerobici, l’accettore finale nell’ossidazione del
carbonio è l’O2, e il prodotto di ossidazione è la CO2
Più il carbonio è ridotto, più energia si ricava dalla sua ossidazione.
Attilio Citterio
Combustibili Biologici Comuni
I grassi sono combustibili più efficienti dei carboidrati (per es. Glucosio)
Acido grasso
Glucosio
Perché il carbonio nei grassi è più ridotto (eccetto il carbonio del COOH).
Attilio Citterio
Gradienti Protonici
H+
L’ossidazione dei
combustibili può
indurre l’istaurarsi di
gradienti protonici
H+
Oxidation of fuels pumps protons out
NADH
ADP + Pi
ATP
Influx of protons forms ATP
H+
H+
Attilio Citterio
H2O
Gradienti protonici
possono a loro
volta indurre la
sintesi di ATP
Stadi del Catabolismo
Metabolismo Cellulare (Ciclo Ac. Citrico, CTA)
È utile pensare all’ossidazione
metabolica dei substrati come a
un processo a 3 stadi:
il carbonio è incorporato
nell’acetil-CoA
il carbonio viene quindi
ossidato a CO2, agenti ridotti di
trasferimento elettronico e una
piccola quantità di ATP
gli agenti ridotti di
trasferimento elettronico sono
riossidati fornendo energia per
la sintesi di ulteriore ATP
(fosforilazione ossidativa)
L’attività del ciclo TCA è favorita
da bassi rapporti NADH/NAD+
Attilio Citterio
Motivi Ricorrenti nelle Vie Metaboliche
I Motivi unificanti includono metaboliti comuni, reazioni, e
schemi regolatori.
I trasportatori attivati esemplificano la progettazione
modulare e l’economia del metabolismo, per es. l’ATP é un
trasportatore attivato di gruppi fosforile.
1. Trasportatori attivati di elettroni per l’ossidazione di comb.
NAD+ / NADH e FAD / FADH2
2. Un trasportatore attivato d’elettroni per biosintesi riduttiva
NADP+ / NADPH
3. Un trasportatore attivato di frammenti a due-carboni
Coenzima A, per es. Acetil CoA
Attilio Citterio
Struttura de Trasportatore di Elettroni
Derivato della Nicotinammide
Forma
ossidata
Sito reattivo
Nicotinammide adenina
dinucleotide (NAD+),
R=H
Nicotinammide adenina
dinucleotide
fosfato (NADP+),
R = PO32Principale trasportatore di
elettroni ad alta-energia
Attilio Citterio
Tipo di Reazione per il NAD+ come Accettore
di Elettroni
NAD+
Attilio Citterio
NADH
H+
Tipo di Reazione per il FAD come Accettore
di Elettroni
FAD
Attilio Citterio
FADH2
Biosintesi Riduttiva: Acidi Grassi
Riduzione del gruppo chetonico a metilene: avviene in molti stadi,
richiede la disponibilità di 4 elettroni
4 H+
4 e-
NADPH è un datore di elettroni
Attilio Citterio
H2O
Coenzima A
Trasportatore attivato di frammenti a due-atomi di carbonio
Acil CoA
Acetil CoA
I gruppi acili legati al CoA con legami tioesterici: alto potenziale di
trasferimento di gruppi acilici (il trasferimento è esotermico)
L’acetil CoA trasporta un gruppo acetile attivato esattamente come l’ATP
trasporta un gruppo fosforile attivato.
Attilio Citterio
Struttura del Coenzima A
N H2
N
N
N
N
O
Gruppo reattivo
O
O
HS
N
H
Unità -Mercaptoetilammina
O
O
N
H
O
HO H
Unità pantotenato
Vitamina B
Attilio Citterio
P
O
–
O
O
P
O
–
O
2-
OPO3
Principali Trasportatori Attivati nel
Metabolismo
Molecola trasportratice in forma attivata
Gruppo trasferito
Precursore vitamina
ATP
Fosforile
NADH e NADPH
Elettroni
Nicotinato (niacina)
FADH2
Elettroni
Riboflavina (vit. B2)
FMNH2
Elettroni
Riboflavina (vit. B2)
Coenzima A
Acile
Pantotenato
Lipoammide
Acile
Tiamina pirofosfato
Aldeide
Tiamina (vitamina B1)
Biotina
CO2
Biotina
Tetraidrofolato
Unità a 1-carbonio
Folato
S-Adenosil metionina
Metile
Uridina dfosfato glucosio
Glucosio
Citidina diphosphate diacilgicerolo
Fosfatidato
Nucleoside triphosfati
Nucleosidi
Un piccolo insieme di trasportatori responsabile per la maggior parte di gruppi attivati nel
metabolismo
Attilio Citterio
Migliaia di Reazioni Metaboliche
Si possono suddividere in sei tipi
Tipi di reazioni chimiche
Tipo di reazione
Descrizione
Ossido-riduzione
Trasferimento elettronico
Legami richiedenti la rottura dell’ATP
Formazione di legami covalenti (per
es. legami carbonio-carbonio)
Isomerizzazione
Trasposizione di atomi per formare
isomeri
Trasferimento di gruppi
Trasferimento di gruppo funzionale
da una molecola ad un’altra
Idrolitico
Rottura di legami per somma di H2O
Addizione o rimozione di gruppi
funzionali
Addizione di gruppi funzionali al
doppio legame o loro rimozione per
formare doppi legami.
Attilio Citterio
1. Reazioni di Ossido-riduzione
Le due reazioni sotto indicate sono parti del ciclo dell’acido citrico, che
porta alla completa ossidazione del frammento attivato a due-carboni
dell’acetil CoA a due molecole di CO2
-
-
FAD
-
-
(1)
Fumarato
Succinato
-
FADH2
NAD
-
+
-
Malato
NADH
Ossalacetato
L’ossidazione del succinato e malato genera energia utile per
trasferire elettroni ai trasportatori FAD e NAD+ .
Attilio Citterio
H+ (2)
2. Reazioni di Formazione di Legami
Forma legami usando l’energia legata alla rottura dell’ATP
-
CO2
ATP
H2O
-
Piruvato
-
ADP
Pi
Ossalacetato
L’ossalacetato può intervenire nel ciclo dell’acido citrico, o
essere convertito in amminoacidi quale l’acido aspartico.
Attilio Citterio
H+
3. Reazioni di Isomerizzazione
Traspongono particolari atomi all’interno della molecola, spesso in
preparazione di successive reazioni, per es. ossido-riduzioni
Isocitrato
Citrato
Componenti del ciclo dell’acido citrico. Il gruppo idrossi del citrato si
sposta da una posizione terziaria ad una secondaria seguita da una
ossido-riduzione e decarbossilazione.
Attilio Citterio
4. Reazioni di Trasferimento di Gruppo
Giocano una varietà di ruoli.,per es. trasferimento di gruppi fosforile al
glucosio
ATP
Glucosio
Glucosio-6-fosfato
(G-6Pi)
Attilio Citterio
La reazione immobilizza
il glucosio nella cellula
ADP
5. Reazioni Idrolitiche
Rompono legami per somma di acqua:
Strategia comune usata per degradare molte macromolecole naturali
H2O
Illustra l’idrolisi di un legame peptidico.
Attilio Citterio
+H
3
6. L’Addizione di Gruppi Funzionali
A doppi legami o la rimozione di gruppi dai doppi legami, è catalizzata da
liasi. Esempio dalla reazione di glicolisi (7)
O
HO
2-
C
C
CH2 OPO3
H
+
H
Fruttosio 1,6-bisfosfato
(F-1,6-BP)
Didrossiacetone fosfato
(DHAP)
Attilio Citterio
Gliceraldeide 3-fosfato
(GAP)
2nd Esempio di Rimozione di un Gruppo
Lo stadio di disidratazione predispone lo stadio successivo nella via
metabolica,
-
H2O
OH
2-fosfoglicerato
Fosfoenolpiruvato
(PEP)
Una reazione di trasferimento di gruppo che usa l’elevato potere di
trasferimento del gruppo fosforile del PEP per formare ATP da ADP
Attilio Citterio
Motivi Metabolici
Le varie vie hanno reazioni in comune: ossidazione, addizione di un
gruppo funzionale al doppio legame, e ulteriore ossidazione
Attilio Citterio
L’Adenosina Difosfato (ADP) è un Modulo
Primordiale
nel metabolismo. Evoluto da iniziali catalizzatori del RNA?
adenine
ribose
diphosphate
Attilio Citterio
40
Metaboliti Secondari delle Piante
Le piante producono una varietà di composti
meno ampiamente distribuiti quali morfina,
caffeina, nicotina, mentolo e gomma. Questi
composti sono i prodotti del metabolismo
secondario, che è il metabolismo dei prodotti
chimici che si trovano irregolarmente o
raramente nelle piante, e che spesso non
hanno un ruolo generale metabolico noto.
I metaboliti secondari o composti secondari
sono composti che non sono richiesti per la
crescita normale e lo sviluppo e non sono
sintetizzati secondo le strade metaboliche
comuni a tutte le piante.
La maggior parte delle piante non sono state
esaminate per i metaboliti secondari e si
scoprono ogni giorno nuovi composti.
energia
luminosa
organi di stoccaggio
di amido o zucchero
fotosintesi,
respirazione e
fotorespirazione
zuccheri
O2
CO2
zuccheri
amido
H2O vapore
H2O
zuccheri
organo di stoccaggio
di zuccheri e amido
Attilio Citterio
respirazione, no
fotorespirazione
O2
CO2
H2O e
minerali
Fotosintesi, respirazione, scambio idrico e
traslocazione di zuccheri (fotosintetizzati)
in una pianta
