Metabolismo Cellulare
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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
