Chimica Biologica
A.A. 2010-2011
Bioenergetica
Marco Nardini
Dipartimento di Scienze Biomolecolari e Biotecnologie
Università di Milano
Macromolecole Biologiche
Bioenergetica
Bioenergetica e Metabolismo
- nel metabolismo, reazioni in sé non spontanee (endoergoniche)
possono essere rese spontanee accoppiandole a reazioni altamente
esoergoniche che interessano speciali biomolecole che per questa ragione
sono dette trasportatori di energia
- in generale, nelle reazioni metaboliche i trasferimenti di energia sono
realizzati attraverso il trasferimento di gruppi fosforici (o gruppi fosfato)
- i composti fosforici hanno elevate energie libere di idrolisi
Esempi di composti fosforici ad alto contenuto di energia libera
Adenosina trifosfato (ATP)
Fosfoenolpiruvato (PEP)
Fosfocreatina (CP)
Macromolecole Biologiche
Composti ad alta energia
- i composti fosforici hanno energie
libere di idrolisi fortemente
negative
- i legami che vengono idrolizzati
di questi composti sono legami
fosfoestere o fosfoanidride
Bioenergetica
Bioenergetica
Macromolecole Biologiche
Adenosina trifosfato (ATP)
- adenosina = adenina + ribosio
- 3 gruppi fosforici (─PO32-)
- 1 legame fosfoestere
- 2 legami fosfoanidridici (pirofosforili)
importanza biologica ATP correlata
con la elevata quantità di energia
libera rilasciata dalla rottura dei
legami fosfoanidridici
⇒ trasferimento gruppo fosforico ad altro composto
Idrolisi dell’ATP (nel caso in cui l’accettore sia H2O)
ATP + H2O
ADP + Pi
ATP + H2O
AMP + PPi PPi = P2O74- (pirofosfato)
Pi = ─PO32-
Macromolecole Biologiche
Bioenergetica
Adenosina trifosfato (ATP)
- di solito la maggior parte delle reazioni necessitano di un accettore ≠ H2O
idrolisi ⇒ calcolo del “potenziale di trasferimento del gruppo fosforico”
differenza di energia libera di idrolisi tra donatore ed accettore
valori negativi:
⇒ tendenza dei gruppi fosforilati
a trasferire i loro gruppi fosforici
all’H2O
- ATP ha un valore intermedio
(ΔG0’ = -30.5 kJ/mole)
Macromolecole Biologiche
Bioenergetica
Adenosina trifosfato (ATP)
- in condizioni standard, composti con potenziali di trasferimento meno
negativi dell’ATP possono ricevere dall’ATP un gruppo Pi
- viceversa composti con potenziali più negativi dell’ATP possono
trasferire spontaneamente un gruppo Pi all’ADP e formare ATP
- una variazione favorevole di energia libera per una reazione non
indica la velocità di tale reazione. Nonostante gli alti potenziali di
trasferimento …
⇒ l’ATP e relativi composti fosforilati sono cineticamente stabili
- in assenza di un opportuno enzima, i legami fosfoanidridici sono
cineticamente stabili (si idrolizzano lentamente a causa dei valori
insolitamente alti delle energie libere di attivazione (ΔG‡)
⇒ idrolisi favorita termodinamicamente ma sfavorita cinematicamente
Bioenergetica
Macromolecole Biologiche
Legami ad alta energia
- legami la cui idrolisi procede con una grande diminuzione di energia libera
(ΔG0’ > -25 kJ/mole, simbolo ~)
Esempio: ATP ⇒ AR─P~P~P
Perché le reazioni di trasferimento del gruppo fosforico dell’ATP sono
così esoergoniche?
- la stabilizzazione per risonanza di un
legame anidride è minore di quella dei
suoi prodotti di idrolisi (competizione)
- repulsione elettrostatica tra i gruppi
carichi di una fosfoanidride maggiore
rispetto ai prodotti di idrolisi
- effetto destabilizzante dovuto ad
una minor energia di solvatazione
di una fosfoanidride
fosfoanidride
prodotti
di idrolisi
Bioenergetica
Macromolecole Biologiche
Legami ad alta energia
- il fosfato libero, meglio detto ortofosfato, HPO42- (Pi), ha una struttura che
è un ibrido di risonanza tra diverse strutture limite
- gli elettroni del legame π sono delocalizzati
- la stabilizzazione per risonanza è meno marcata quando il gruppo fosfato è
legato ad altri gruppi.
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Macromolecole Biologiche
Reazioni accoppiate
Esempio: Tappa iniziale metabolismo glucosio
ΔG0’
- nelle cellule la conversione di glucosio a glucosio-6-fosfato (G6P)
(termodinamicamente sfavorita) è accoppiata all’idrolisi esoergonica
dell’ATP
- in realtà l’esochinasi (enzima che catalizza la formazione di G6P) non
catalizza l’idrolisi dell’ATP ma il trasferimento diretto di Pi da ATP a
glucosio
Bioenergetica
Macromolecole Biologiche
Reazioni accoppiate
Idrolisi ATP
- l’energia libera derivante dalla rottura di legami fosfoanidridici di
composti ad alta energia (come l’ATP) può essere usata per guidare altre
reazioni anche se non vi è trasferimento di un gruppo fosforico
- funzionamento chaperoni molecolari
- contrazione muscolare
- trasporto attivo attraverso le membrane
- le proteine subiscono cambi conformazionali in risposta al legame di
ATP e l’idrolisi esoergonica dell’ATP in ADP e Pi rende tali cambi
irreversibili e quindi guida in avanti tali processi
Macromolecole Biologiche
Bioenergetica
Altri composti fosforilati
- altri “composti ad alta energia” (oltre all’ATP) sono importanti per il
metabolismo energetico, anche perché consentono di mantenere i
livelli cellulari di ATP quasi costanti
- l’ATP è costantemente idrolizzato e rigenerato
- emivita ATP varia da sec a min (a seconda del tipo di cellula e della
attività metabolica)
- a riposo una persona consuma e rigenera ~3 moli (1.5 kg) di ATP all’ora
(1 ordine di grandezza più veloce se sotto sforzo)
- l’ATP occupa una posizione intermedia sulla scala dei potenziali di
trasferimento del gruppo fosforico (ΔG0’ = -30.5 kJ/mol)
Macromolecole Biologiche
Bioenergetica
Rigenerazione dell’ATP
- l’ATP può essere rigenerato accoppiando la sua formazione ad un
processo metabolico altamente esoergonico
- fosforilazione a livello del substrato
trasferimento diretto di Pi ad ADP
da parte di un composto ad alta energia
(es: PEP)
- rigenerazione indiretta
usando energia derivante da gradienti
di concentrazione protonica attraverso
la membrana (fosforilazione ossidativa,
fotofosforilazione)
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Macromolecole Biologiche
Reazioni redox
- forniscono agli esseri viventi la maggior
parte della loro energia libera
ossidazione dei carburanti metabolici a CO2
⇒ gli e- vengono trasferiti su trasportatori
molecolari
⇒ i trasportatori molecolari trasferiscono gli
e- ad O2 (organismi aerobici)
⇒ il trasporto di e- genera un gradiente protonico
transmembrana che promuove la sintesi dell’ATP
(fosforilazione ossidativa)
- negli anaerobi obbligati (non è presente la fosforilazione ossidativa), la
sintesi dell’ATP avviene per ossidazione dei substrati
Bioenergetica
Macromolecole Biologiche
Reazioni redox
n+
Aox + Bred
n+
Ared + Box
n = n° di elettroni per mole di reagente trasferiti dal riducente Bred
all’ossidante Aox
- l’energia libera della reazione può essere espressa da:
n+
ΔG = ΔG0’ + RT ln
[Ared ] [Box ]
n+
[Aox ] [Bred ]
- qualsiasi reazione redox può essere divisa nelle sue semireazioni:
An+
ox + n e
n+
Box + n e- coppia redox coniugata:
Ared
Bred
per convenzione
scritte come riduzioni
Ared donatore di elettroni
n+
Aox accettore coniugato di elettroni
Bioenergetica
Macromolecole Biologiche
Reazioni redox
cella elettrochimica
- le 2 semireazioni possono essere
fisicamente separate in una cella
elettrochimica
- gli e- passano da una semi-cella
all’altra attraverso un filo che
collega 2 elettrodi (corrente)
- un ponte salito chiude il circuito
ΔG = -w’ = -wel = - nFΔE
contiene un elettrolito e consente il passaggio di
ioni necessario per mantenere le
elettroneutralità delle 2 celle
w’ = lavoro a P e V costanti
wel = lavoro per trasferire 1 mole di e- attraverso una ddp ΔE
F = 96,485 C/mol (faraday: carica di una mole di elettroni)
n = n° di moli di elettroni trasferiti per mole di reagente convertito
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Macromolecole Biologiche
Reazioni redox
n+
Aox + Bred
n+
Ared + Box
n+
ΔG = ΔG0’ + RT ln
[Ared ] [Box ]
n+
[Aox ]
[Bred ]
ma ΔG = - nFΔE
n+
RT
[Ared ] [Box ]
0
ln
ΔE = ΔE ’ n+
nF
[Aox ] [Bred ]
equazione di Nernst
ΔE = forza elettromotrice
(descritta come “pressione di e- esercitata da una cella elettrochimica)
⇒ la variazione di energia libera di una reazione di ossidoriduzione può
essere determinata direttamente misurando la variazione di potenziale
di riduzione con un Voltmetro
ΔE > 0 (ΔG < 0) indica una reazione spontanea che può compiere lavoro
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Macromolecole Biologiche
Reazioni redox
n+
n+
RT
[Ared ] [Box ]
0
ΔE = ΔE ’ ln
nF
[An+
ox ] [Bred ]
Aox + n e-
Ared
Bn+
ox + n e
Bred
E = “potenziale di riduzione” (tendenza di una sostanza a ridursi, cioè e
prendere elettroni)
E0 = “potenziale di riduzione standard” (E0’ condizioni standard biochimiche)
ΔE = EA - EB
EA =
E0’
ΔE0’ = E0’A - E0’B
RT
[Ared ]
ln n+
A nF
[Aox ]
(ΔE0’ = E0’(accetttore e-) - E0’(donatore e-))
EB =
E0’
RT
[Bred ]
ln n+
B nF
[Box ]
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Macromolecole Biologiche
Reazioni redox
- i potenziali di riduzione vanno riferiti in rapporto ad uno standard di
riferimento arbitrario
⇒ semi-reazione dell’idrogeno
2H+ + 2 e-
H2(g)
H+ è in equilibrio con H2(g) che è in contatto con un elettrodo al Pt
- a questa semi-reazione è associato un E0 = 0 V (pH 0, T = 25 °C, P = 1 atm)
E0’ = forza elettromotrice generata a pH 7, T = 25 °C, da una semi-cella
campione (contenente 1M specie ossidata e 1M specie ridotta)
rispetto ad una semicella di riferimento
- una semicella a idrogeno misurata a pH 7 ha E0’ = -0.421 V
Macromolecole Biologiche
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Reazioni di ossido-riduzione
- O2 è l’agente ossidante più forte
- H2O è un debole agente riducente
(lega saldamente i suoi elettroni)
- e- passano spontaneamente
da bassi ad alti E0’ (anche se
tale reazione può necessitare
di un enzima per avvenire a
velocità significative)
- la componente proteica degli
enzimi che catalizzano le reazioni
redox (trasferimento e-) modula i
potenziali di riduzione dei centri
redox ad essi legati
(Es: Fe3+ diversi citocromi)
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Macromolecole Biologiche
Trasportatori di elettroni
NAD+ e FAD
coenzimi nucleotidici
Nicotinamide Adenina Dinucleotide NAD+
Flavina Adenina Dinucleotide
FAD
(1) subiscono riduzione reversibile in modo da accettare elettroni e
(2) passarli ad altri trasportatori ed essere rigenerati
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Macromolecole Biologiche
NAD+
- riduzione sulla porzione nicotinamidica per
trasferimento di uno ione idruro H:- trasferimento catalizzato da enzimi chiamati
deidrogenasi
- C4 dell’anello piridinico è il centro reattivo
NADP+:
nicotinamide adenina dinucleotide fosfato
- N quaternario agisce come trappola di elettroni
- NAD+ e NADP+ sono trasportatori di coppie di
elettroni
Macromolecole Biologiche
Trasportatori di elettroni
- NAD+ e NADP+ sono trasportatori di coppie di elettroni
- negli organismi aerobici l’accettore terminale
degli elettroni è O2
- O2 può accettare solo elettroni non accoppiati
⇒ gli elettroni devono essere trasferiti ad O2
uno alla volta
- gli elettroni rimossi da metaboliti a coppie
(come quelli che riducono NAD+) devono
essere poi trasferiti ad altri trasportatori in
grado di subire reazioni redox con 2 od 1
elettrone soltanto
Bioenergetica
Bioenergetica
Macromolecole Biologiche
FAD
- 3 stati redox
- riduzione per trasferimento di uno o due e- FADH· (radicale stabile detto semichinone)
- FADH2 (forma totalmente ridotta o idrochinone)
vitamina B2: nell’uomo
introdotta con la dieta
}isoallossazina
sistema ad anelli coniugati
Macromolecole Biologiche
Bioenergetica
Reazioni di ossido-riduzione
- catena di trasporto di elettroni nei mitocondri:
gli e- sono passati dal NADH ad altri accettori
di e- di potenziale di riduzione via via maggiore
(incluso il FAD) fino ad O2 (accettore terminale di e-)
- tali molecole hanno E0’ compreso tra quello
della coppia NAD+/NADH ed O2/H2O
⇒ la catena di trasporto riossida i coenzimi ed
utilizza l’energia libera per la sintesi dell’ATP
- l’ATP è generato da ADP + Pi accoppiando la
sua sintesi a questa cascata
- l’ossidazione del NADH a NAD+ da parte di O2
fornisce energia libera ufficiente per la sintesi di
3 molecole di ATP
