Metabolism 1 - BIOINFORMATICA home page

Outline
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Classificazione degli organismi
Energia e metabolismo
Energia libera
Composti ad “alta energia”
Ossidazione, riduzione e trasferimento
energetico
• Ruolo degli enzimi
Introduzione
A. La vita è organica
1. Il carbonio è lo scheletro di tutte le molecole
organiche
2. La vita (metabolismo) richiede energia
- Fonte di energia ?
- Fonte di carbonio?
B. Classificazione degli organismi
1. Autotrofi - si nutrono da soli
a. ottengono il carbonio dalla CO2
b. fonte di energia
- fotosintetica: uso dell’energia
della luce
es.: piante e qualche batterio
- chemiosintetica: energia da
reazioni chimiche utilizzando composti
inorganici. Es. batteri solforici
2. eterotrofi - utilizzano altri organismi
come fonte di energia. Si nutrono di
autotrofi, di altri eterotrofi, e composti
inorganici
a. acquistano carbonio ed energia dagli
autotrofi
es: animali, batteri, funghi
3. Carbonio e energia entrano nel ciclo della
vita per fotosintesi (autotrofi ) e vengono
rilasciati per glicolisi e respirazione
cellulare (eterotrofi)
Energia
Ciclo dell’energia
solare
Glucosio
O2
fotoautotrofi
eterotrofi
H2O
CO2
Metabolismo
• La somma dei cambiamenti chimici che
converte i nutrienti in energia e in prodotti
chimici complessi delle cellule
• Centinaia di reazioni enzimatiche
organizzate in vie discrete.
• I substrati vengono trasformati in prodotti
tramite specifici intermedi
• le mappe metaboliche illustrano queste
reazioni
Approcci per lo studio del
Metabolismo
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STRUTTURE E PATHWAYS
ENERGETICA (TERMODINAMICA)
REGOLAZIONE
FUNZIONE CELLULARE /
LOCALIZZAZIONE
• MECCANISMI ENZIMATICI (catalisi)
Reazioni chimiche
1. Reagenti
prodotti
2. Reazioni procedono fino all’equilibrio
3. La maggior parte delle reazioni è
reversibile a meno che siano regolate dalle
cellule
Terminologia metabolica
1. substrati: sostanze che entrano nelle
reazioni
2. Intermedi : composti diversi dai reagenti
che verranno convertiti in prodotti
3. Enzimi: catalizzatori delle reazioni
4. Cofattori e coenzimi: contribuiscono
alle reazioni metaboliche
5. Trasportatori energetici. Es ATP
6. Prodotti finali : risultati delle reazioni
Energia
• Fa muovere gli oggetti
• ferma gli oggetti
• energia dal sole
piante
cibi per l’uomo
energia per vivere
• abbiamo bisogno di energia per fare lavoro,
energia: capacità di compiere lavoro
Lavoro (forza per spostamento)
Salire delle scale
sollevare un peso
respirare
cuore che pompa sangue
Energia potenziale
Cioè energia immagazzinata
Esempi
acqua in una diga (meccanica)
molla schiacciata (meccanica)
legami chimici nella benzina o carbone
(chimica)
cibo (chimica)
Energia cinetica
E’ l’energia del movimento
Esempi
peso in caduta
l’acqua che esce dalla diga
bruciare della benzina
Forme di energia
Meccanica
Elettrica
termica (calore)
Chimica
Radiante (luce)
Energetica biochimica
• Si occupa dell’energia chimica,
cioè l’energia potenziale
immagazzinata nei legami delle
molecole dei nutrienti
Energia libera di Gibbs
∆G = ∆H − T ∆S
• ∆G
variazione energia libera del
sistema
• ∆H
cambio di entalpia (calore
assorbito o ceduto da una reazione a
pressione costante )
• ∆S
var. di entropia
• T
Temperatura
Energia libera di Gibbs
∆G < 0
∆G = 0
∆G > 0
reazione esoergonica,
esoergonica può avvenire
spontaneamente
il sistema è all’equilibrio: non c’e’
variazione netta di reagenti e prodotti
reazione endoergonica: non può
avvenire spontaneamente. Ci vuole un
input esterno di energia per la reazione
Energia libera di Gibbs
• ∆G e’ indipendente dalla “strada”
percorsa dai reagenti per diventare
prodotti
• ∆G non fornisce informazioni sulla
velocità della reazione
∆G ed equilibrio chimico
• A+B
C+D
[C ][ D]
∆G = ∆G + RT ln
[ A][ B]
o
• dove ∆G° indica variazione ∆G con ciascun reagente alla
concentrazione di 1 M
• ∆G si esprime in Kcal/mol o KJ/mol
• R: costante dei gas
• ∆G dipende quindi dalla natura e dalle concentrazioni dei
reagenti
Stato standard in biochimica
• In biochimica lo stato standard si riferisce a pH 7 dove H+
non si trova quindi ad una concentrazione di 1 M e si
indica con ∆G°’
[C ][ D]
∆G = ∆G + RT ln
[ A][ B]
o
∆G ed equilibrio chimico
[C ][ D ]
∆G = ∆G + RT ln
[ A][ B ]
• All’equilibrio ∆G=0
• K ′ = [[ CA ][][ DB ]]
• concentrazioni all’equilibrio
∆G°’ = - RT ln K’eq
eq
• se K’eq > 1
∆G° < 0
• se K’eq < 1
∆G° > 0
o
Serie di Reazioni
• Per reazioni consecutive in
serie i valori di ∆G sono
additivi
Reazioni favorevoli e sfavorevoli
• Reazioni sfavorevoli
• Alcune reazioni necessarie al metabolismo hanno un
∆G positivo
• Reazioni favorevoli
• Idrolisi di ATP (Adenosina trifosfato) ovvero la moneta
energetica della cellula
• conformazione di proteine attivate
• gradienti ionici attraverso le membrane
Accoppiamento
Una reazione termodinamicamente
sfavorevole può essere guidata da una
termodinamicamente favorevole
mediante accoppiamento
Reazioni accoppiate
A⇔ B+C
∆G ' = +5kcal / mol
B⇔D
∆G ' = −8kcal / mol
A⇔C+D
∆G ' = −3kcal / mol
o
o
o
Reazioni accoppiate
• Condensazione endoergonica:
• X+Y⌦Z
∆ G°’ = + 2.0 kcal/ mol
• ATP ⌦ ADP + Pi
∆ G°’ = -7.3 kcal/ mol
•
- 5.3 kCal /mol
• X + ATP ⌦ X-fosfato + ADP ∆ G°’= -3.0 kcal /mol
• X-fosfato + Y ⌦ Z + Pi
∆ G°’ = -2.3 kcal /mol
•
- 5.3 kCal /mol
•Intermedio comune
Struttura dell’ ATP
adenosine
diphosphate
ADENOSINA
DIFOSFATO
ADP
O
-
O
O
O
-
O
N
O
N
P O P O P O CH2
-
NH2
-
O
N
N
O
ribose
OH
adenosine
triphosphate
ATP
ADENOSINA
TRIFOSFATO
OH
adenine
Composti ad alta energia
Compound
DGo' of phosphate hydrolysis (kJ/mol)
Phosphoenolpyruvate (PEP)
Phosphocreatine
- 61.9
- 43.1
Pyrophosphate
- 33.5
AcetilCoA
ATP (to ADP
- 31.4
- 30.5
Glucose-6-phosphate
- 13.8
Glycerol-3-phosphate
- 9.2
Basi chimiche
• Stabilizzazione per risonanza
• repulsione elettrostatica tra ossigeni dei
gruppi fosfato
ATP trasferisce energia tra i composti
- Il ciclo dell’ATP
1. ATP - composto ad alto livello energetico
2. ADP basso livello energetico
3. La conversione di ADP ad ATP è
chiamata fosforilazione e richiede energia
4. La conversione di ATP ad ADP è
chiamata defosforilazione e rilascia energia
Sintesi dell’ATP
• In un motore a scoppio la benzina viene ossidata a
CO2 e H2O (idealmente) in un processo esplosivo
=> energia cinetica
• i viventi non possono sfruttare tale energia
– meccanismi che coinvolgono reazioni distinte con
produzione di intermedi ad energia progressivamente
minore
• energia delle molecole nutritizie viene liberata in
parte come calore e in parte recuperata sotto forma
di ATP
Ossidazione, riduzione e
trasferimento energetico
• Durante la demolizione dei nutrienti
(molecole organiche complesse) aumenta
l’entropia e viene rilasciata energia libera
• Attraverso quale via viene trasferita
l’energia contenuta nei legami chimici dei
nutrienti e ad altre molecole durante il
metabolismo?
Energie di legame
Energie di legame,
Legami chimici: forze che
kcal/mole
tengono assieme gruppi di
C-H 98
atomi e li fanno agire come
O-H 110
nuove entità
C-C 80
C-O 78
Energia di legame: energia
H-H 103
necessaria a rompere il
C-N 65
legame
O=O 116 (2 x 58)
C=O 187*(2x93.5)
C=C 145 (2 x72.5)
1 kcal= 4,184 kj
(* come in CO2)
∆G
Quando si formano legami chimici si ottiene
energia
Rompere il legami costa quindi energia.
La variazione di energia netta di una
reazione è l’energia ottenuta - costo
energetico.
Ossidazione da glucosio a CO2 + H2O
Ossidoriduzioni
• Ossidazione: processo attraverso cui un atomo perde
elettroni
• Riduzione: processo attraverso cui un atomo acquista
elettroni
• coppie redox coniugate
• Fe2+ + Cu2+
Fe3+ + Cu+
• Semi-reazioni:
Fe3+ + e-
Fe2+
Cu2+ + e-
Cu+
•Fe: riducente - Cu: ossidante
Potenziali di ossidoriduzione
• Si libera energia ogni volta che un riducente
cede elettroni ad un ossidante che e’ piu
elettronegativo (cioe’ ha piu’ affinita’ per gli
elettroni) del riducente
• si libera energia quando gli e- passano da un
composto ad una data pressione elettronica ad uno
con pressione elettronica inferiore
Elettronegatività
Potenziali standard di riduzione
• Due coppie redox coniugate in soluzione:
trasferimento di e- spontaneo e dipendente dalla
affinita’ relativa per gli e- dei due accettori di e• I potenziali standard di riduzione , E0 ,
misurano questa affinita’
• per convenzione si assegna E0 positivo alle
coppie redox con la tendenza piu’ forte ad
acquisire elettroni
Potenziali di riduzione standard a 25° C e
pH 7.00
• coppia redox
• 2e- + 2H+ --> H2(g)
• 2e- + H+ + NAD+ --> NADH
•
2e- + 2H+ + HOOCCOCH3 --> HOOCCHOHCH3
• e- + Fe3+ --> Fe2+
• 4e- + 4H+ + O2(g) --> 2H2O
E0’ (V)
-0.4141
-0.320
+0.19
+0.769
+0.8147
•
NOTE:
•
HOOCCOCH3 acido piruvico; HOOCCHOHCH3 acido lattico
• Tanto piu forte e’ un ossidante tanto piu’ positivo e’ il suo
potenziale di riduzione, ovvero la tendenza a ridursi
Potenziali standard di riduzione e
e ∆G
• I potenziali standard di riduzione
permettono di prevedere il flusso di
elettroni, i quali vanno verso i potenziali
piu’ elevati
• ∆G’0= - n F ∆E’0
– dove n : numero di elettroni trasferiti
–
F : costante di Faraday
–
∆E : E’0 accettore elettroni - E’0 donatore di elettroni
Ossidazioni biologiche
• Un aspetto centrale del metabolismo è il
trasferimento di elettroni tra molecole diverse
• Il Carbonio dei viventi si trova in diversi
stati di ossidazione a seconda della
elettronegativita’ degli atomi a cui e’
legato
• elettronegativita’ crescente H< C< S< N<O
Stati di riduzione del carbonio
H
—CH2— > —C— >
OH
Pienamente ridotto:
e’ legato ad atomi
poco elettronegativi
O
C
O
>
O
> C
C
OH
O
Pienamente
ossidato: e’ legato
ad atomi molto
elettronegativi
Ossidoriduzioni nel metabolismo
• un flusso di elettroni produce lavoro (es. :
motore elettrico alimentato da una batteria)
• batteria: contiene due specie chimiche aventi
affinità diverse per gli elettroni e collegate da
un circuito
• la forza che fa muovere gli e- (forza
elettromotrice) è proporzionale alla differenza
di affinità per gli e- delle specie chimiche
(elettronegativita’)
Ossidoriduzioni nel metabolismo
• Le cellule possiedono un circuito analogo : i
composti ridotti es. glucosio o acidi grassi sono la
fonte di e• durante l’ossidazione gli e- vengono rilasciati e
attraverso piccole tappe vengono raccolti dall’ O2 ,
l’accettore finale
• questa è una reazione esoergonica perche’ O2 e’ il piu’
elettronegativo degli elementi presenti (altri elementi
possono teoricamente funzionare da accettori finali di
elettroni)
Forme di trasferimento di elettroni
• In biochimica spesso deidrogenazione
(deidrogenasi) e’ sinonimo di ossidazione
– molte reazioni redox ioni avvengono infatti per
trasferimento di atomi di H o ioni idruro H– I coenzimi raccolgono gli elettroni rilasciati dal
catabolismo e li mettono a diposizione delle
reazioni anaboliche
Coenzimi trasportatori di elettroni
• Sostanze che collegano tra loro i pathways metabolici
• Durante le riduzioni, i coenzimi accettano atomi di idrogeno
• Durante le ossidazioni, i coenzimi rimuovono atomi di
idrogeno
FAD (flavin adenina dinucleotide)
FAD
+ -CH2-CH2-
FADH2 + -CH=CH-
• NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide)
NAD+
+ -CH-OH
NADH + H+ + -C=O
NAD+
•FMN
FAD
Energia libera e coenzimi
• NADH + 1/2 O2 => NAD+ + H2O ∆G° = -52
kcal/mol
• per FADH2 circa uguale
• Ossidazione di 1 mole glucosio:
– 10 NADH e 2 FADH2 12 x52= 624 Kcal
– 624/686 Kcal = 91% dell’energia libera svolta
nell’ossidazione di 1 mole glucosio viene
trasferita ai coenzimi trasportatori di e-
• I coenzimi raccolgono gli elettroni rilasciati
dal catabolismo
• Il catabolismo è ossidativo : i substrati
perdono equivalenti riducenti, di solito ioni
H• l’anabolismo è riduttivo - NADPH fornisce
il potere riducente (elettroni)
Altri composti ad alta energia
• Fosfocreatina
• Fosfoarginina
∆ G°’ = - 10.3 kcal /mol
∆ G°’ = - 7.7 kcal /mol
• Trasferiscono rapidamente il fosfato
all’ADP durante la contrazione muscolare di
veterbrati e invertebrati
Temperatura e velocità di reazione
• Sono direttamente proporzionali
• la T è una espressione dell’agitazione molecolare
• alto numero di collisioni molecolari > numero di
interazioni efficaci per la reazione
• energia di attivazione: energia cinetica necessaria
a far reagire due molecole in collisione :
necessaria sia per reazioni esotermiche che
endotermiche
Enzimi
• Gli enzimi permettono alle cellule di
esercitare controllo cinetico sulle
potenzialità termodinamiche
• esercitano funzioni metaboliche
Potere catalitico
• Gli enzimi possono accelerare le reazioni
fino 1016 volte !
• L’ Ureasi è un buon esempio:
– velocità in catalisi : 3x104/sec
– velocità non catalizzata: 3x10 -10/sec
– il rapporto è 1x1014 !
Specificità
• Gli enzimi riconoscono selettivamente i
giusti substrati rispetto ad altre molecole
• producono prodotti con altissime rese spesso più alte di 95%
• la specificità è controllata dalla struttura l’adattamento unico del substrato con
l’enzima controlla la selettività per il
substrato e la resa del prodotto
Cinetica enzimatica
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Molti termini da conoscere!
Velocità
costante di velocità
legge sulla velocità
ordine di una reazione
molecolarità di una reazione
Cosa fanno gli enzimi....
• Accelerano le reazioni abbassando l’energia
libera di attivazione
• Fanno questo legando lo stato di transizione
della reazione meglio del substrato
Altre caratteristiche degli enzimi
1. Non vengono consumati nelle
reazioni
2. Possono catalizzare le reazioni in
entrambe le reazioni
Enzimi e metabolismo
• Senza catalisi enzimatica non ci sarebbe
vita , le reazioni sarebbero troppo lente
• gli incrementi di velocità vanno da 108 a
1020, valori enormi
• la velocità è regolabile tramite il controllo
dell’attività enzimatica
Regolazione delle reazioni
metaboliche
• In sua assenza il metabolismo cellulare
sarebbe un processo scoordinato e
disordinato
– controllo della sintesi degli enzimi
– controllo attività enzimatica
• molecole modulatrici (allosteriche)
• inibizione da prodotto finale
• attivazione enzimatica (covalente)