Unità didattica 1 File - Progetto e
annuncio pubblicitario
DUE GRANDI GRUPPI DI ORGANISMI DISTINTI IN BASE ALLA FORMA CHIMICA DA CUI RICAVANO ATOMI DI CARBONIO DALL’AMBIENTE TRE STADI DI COMPLESSITÀ DELLE VIE METABOLICHE Il metabolismo intermedio si riferisce innanzitutto alla biosintesi, all’utilizzo e alla degradazione dei composti a a basso peso molecolare. Il metabolismo energetico è invece quella parte del metabolismo intermedio che consiste nell’insieme di quelle vie che immagazzinano e generano energia metabolica. VIE METABOLICHE PRINCIPALI E INTERMEDI CHIAVE VIE METABOLICHE CENTRALI: LA GLICOLISI IL METABOLISMO OSSIDATIVO. Negli organismi aerobici tutte le vie metaboliche convergono nel ciclo dell’acido citrico. IL METABOLISMO DEI LIPIDI E DEGLI STEROIDI IL METABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI L’ANABOLISMO DEI CARBOIDRATI: LA GLUCONEOGENESI E LA SINTESI DEI POLISACCARIDI Le 1) 2) vie degradative e quelle biosintetiche sono distinte per due motivi: una via può essere esoergonica in una sola direzione; Le vie devono essere regolate separatamente per evitare cicli futili. LA FOTOSINTESI IL COENZIMA A Coenzima A (CoA) Vitamina B3 NICOTINAMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE (NAD+) IONE IDRURO :H - Anello nicotinamidico deriva dalla vitamina niacina FLAVIN ADENIN DINUCLEOTIDE (FAD) FLAVIN MONONUCLEOTIDE (FMN) RIBOFLAVINA Vitamina B2 I NUCLEOTIDI DELLA NICOTINAMIDE NEL CATABOLISMO E NELLE BIOSINTESI Gli enzimi che ossidano i substrati (le deidrogenasi) di norma impiegano il NAD+, mentre quelli che riducono i substrati (le riduttasi) di solito utilizzano il NADPH. Un’eccezione è rappresentata da due deidrogenasi della via dei pentosi fosfati che convertono il NADP+ in NADPH e costituiscono la via principale per la sintesi di nucleotidi ridotti. almeno una tappa catalizzata da enzimi diversi soggetti a regolazione [S] REGOLAZIONE ALLOSTERICA fattori di crescita ormoni che agiscono all’esterno della cellula CONCENTRAZIONE ENZIMATICA Almeno una reazione termodinamicamente favorita REGOLAZIONE COVALENTE Controllo della regolazione a livello del substrato Più alta è la concentrazione di substrato e più rapidamente avviene al reazione enzimatica (fino alla saturazione dell’enzima), al contrario, alte concentrazioni di prodotto tendono a inibire la trasformazione del substrato, in questo caso il prodotto può agire da inibitore competitivo. Esochinasi Glucosio + ATP glucosio-6-P + ADP Tuttavia il controllo a livello del substrato non è sufficiente per la regolazione di molte vie metaboliche, in altre situazioni è indispensabile che l’enzima sia regolato da alcune sostanze completamente diverse dal substrato o dal proprio prodotto. Gli Enzimi Regolatori In ogni via metabolica, in cui vi sia una sequenza di reazioni catalizzate da diversi enzimi (il prodotto del primo enzima diventa il substrato della seconda), vi è almeno un enzima che influenza in modo determinante la velocità complessiva in quanto catalizza la reazione più lenta. A Enzima 1 regolazione Enzima 2 B Enzima 3 C Enzima 4 D E Inoltre, in generale, il primo enzima della sequenza metabolica è un enzima regolatore, in questo modo si evita di sottrarre metaboliti e energia ad altre sequenze di reazioni importanti. In realtà tutti gli enzimi di una via metabolica contribuiscono alla regolazione del flusso della via stessa, ogni enzima presenta un coefficiente di regolazione del flusso che può variare da zero a uno. Regolazione a feedback La cellula può controllare la formazione del prodotto finale tramite attivazione o inibizione di un passaggio della via metabolica. Il sistema più efficiente è quello di agire sul primo passaggio. Enzima 1 A Enzima 2 B Enzima 3 C Enzima 4 D E La trasformazioni di A in B viene quindi controllata da E: questo processo è chiamato feedback o, più precisamente feedback negativo in quanto un aumento della concentrazione di E ha come conseguenza una diminuzione della sua velocità di formazione. MODIFICAZIONI COVALENTI CHE CONTROLLANO L’ATTIVITÀ DEGLI ENZIMI LA VIA DI TRASDUZIONE DEL SEGNALE CHE COINVOLGE L’ADENILATO CICLASI LOCALIZZAZIONE INTRACELLULARE DELLE PRINCIPALI VIE METABOLICHE citomatrice L’USO DELLE MUTAZIONI COME SONDE BIOCHIMICHE Grazie alla loro capacità di inattivare singoli enzimi, le mutazioni e gli inibitori enzimatici aiutano ad identificare il ruolo metabolico degli enzimi stessi. BIOENERGETICA Analisi quantitativa delle modalità con cui gli organismi ottengono ed utilizzano energia : ramo particolare della TERMODINAMICA SISTEMA. Parte dell’Universo che vogliamo studiare, deve avere dei confini ben definiti. ISOLATO : non scambia né energia né materia con l’ambiente CHIUSO: può scambiare solo energia ma non materia. APERTO : può scambiare sia energia che materia. Ogni SISTEMA contiene una certa quantità di ENERGIA INTERNA (E) “ENERGIA IN TRANSITO” tra SISTEMA e AMBIENTE CALORE = q LAVORO = w CALORE (q) POSITIVO Il sistema assorbe calore dall’ambiente NEGATIVO Il calore fluisce dal sistema all’ambiente LAVORO (w) POSITIVO Il sistema compie lavoro sull’ambiente NEGATIVO L’ambiente compie lavoro sul sistema Poiché l’ENERGIA INTERNA può variare solo per scambi di calore o di lavoro sarà: E = q - w PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA SCAMBIO DI CALORE E LAVORO NELLE REAZIONI A VOLUME E PRESSIONI COSTANTI CH3(CH2)14COOH (sol) + 23O2(gas) 16CO2(gas) + 16H2O(liq) La reazione avviene in un contenitore sigillato, o “bomba” calorimetrica. Il calore q viene trasferito all’acqua circostante. Non viene compiuto lavoro perché il sistema è a volume costante Fig. a E = q E = -9941,4 kJ/mol la reazione rilascia ENERGIA conservata nei legami che viene trasferita dal SISTEMA sotto forma di calore all’AMBIENTE Fig. b Il Volume si decontrae di una quantità proporzionale al decremento di moli di gas. Un certo LAVORO è stato compiuto dall’AMBIENTE al SISTEMA w = PV PV = n RT V = n (RT/ P) w = n RT n = variazione del numero di moli di gas per mole di acido palmitico R = costante dei gas 8.314 J/(mol K) w = -17.3 kJ/mol palmitato Il calore sviluppato in questa combustione a pressione costante sarà: q = E + w q = E + n RT = -9941,4 - 17,3 = -9958 kJ/mol IN CONDIZIONI DI PRESSIONE COSTANTE L’AMBIENTE COMPIE LAVORO (PV) SUL SISTEMA, QUESTO LAVORO COMPORTA CHE LA QUANTITA’ DI CALORE RILASCIATA DAL SISTEMA ALL’AMBIENTE SIA LEGGERMENTE MAGGIORE RISPETTO ALLA CONDIZIONE DI VOLUME COSTANTE I cambiamenti dell’ENERGIA INTERNA, come per tutte le FUNZIONI DI STATO, dipendono solo dallo stato finale ed iniziale del SISTEMA e sono indipendenti dal cammino fatto Attenzione 1 cal = 4.184 J ENTALPIA La maggior parte delle reazioni che avvengono in laboratorio e praticamente tutti i processi biochimici hanno luogo in condizioni più vicine a quelle di pressione costante che di volume costante. Per esprimere il calore di una reazione a P costante ci occorre un’altra FUNZIONE DI STATO : ENTALPIA (H) H = E + PV H = E + P V H può essere considerata la misura diretta della variazione di ENERGIA di un processo SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA In tutti i processi naturali l’entropia tende ad aumentare A+B C+D Qual è la direzione favorita in un processo? I processi sono favoriti (cioè spontanei) , e IRREVERSIBILI, quando si trovano lontani dall’equilibrio e si spostano successivamente verso uno stato di equilibrio. Il secondo principio della termodinamica ci dice quali processi siano termodinamicamente favoriti I processi tendono sempre ad un più basso stato di energia I SISTEMI DI MOLECOLE TENDONO NATURALMEMNTE AL DISORDINE ENTROPIA ENTROPIA Un dato stato termodinamico può avere molti sottostati di UGUALE ENERGIA. “esistono diversi modi in cui le molecole possono essere distribuite all’interno di un sistema” ENTROPIA (S) misura del grado di disordine S = k ln W W = sottostati di uguale energia k costante di Boltzman = R/N° numero di Avogadro Uno stato ordinato ha meno modi di disporre le molecole di uno stato disordinato. S stato ordinato < S stato disordinato S = 0 CRISTALLO PERFETTO allo zero assoluto (0 °K = –273°C) Secondo principio della termodinamica: l’entropia di un sistema isolato tende ad aumentare fino ad un valore massimo. Sebbene l’energia del sistema rimanga invariata l’entropia può aumentare, sono entrambe forze che determinano la direzione del processo termodinamico. ENERGIA LIBERA Tutti i sistemi biologici sono sistemi aperti, occorre a questo punto una funzione di stato che comprenda sia l’energia che l’entropia: Sistemi a PeT costante G = H - TS ENERGIA LIBERA DI GIBBS G = H - TS TRASFORMAZIONE FAVORITA Trasformazione esoergonica G negativo TRASFORMAZIONE SFAVORITA G positivo Trasformazione endoergonica G = 0 H = T S SISTEMA ALL’EQUILIBRIO Né il H né il S da soli ci possono dire quello che succederà, ma la loro combinazione H -T S, prevede esattamente quale fase sia stabile ad ogni temperatura INTERAZIONI TRA ENTALPIA ED ENTROPIA IN OGNI TRASFORMAZIONE FISICA E CHIMICA E’ LA COMPETIZIONE TRA IL TERMINE ENTALPICO E QUELLO ENTROPICO CHE DETERMINA LA DIREZIONE FAVORITA UNA REAZIONE FAVORITA NON VUOL DIRE PIU’ VELOCE Cdiamante Cgrafite G = -288 kJ/mol ENTROPIA DI UN SISTEMA APERTO PUO’ DIMINUIRE La diminuzione di entropia avviene in ogni momento in un organismo vivente. Occorre spendere energia per pagare il prezzo dell’organizzazione. LA VARIAZIONE COMPLESSIVA DI ENERGIA LIBERA IN UN ORGANISMO DEVE ESSERE NEGATIVA La vita è un processo irreversibile un organismo che arriva all’equilibrio con il suo ambiente è morto GLI ORGANISMI NON SONO MAI IN EQUILIBRIO CON IL LORO AMBIENTE sistema aperto UN ORGANISMO CHE ARRIVA ALL’EQUILIBRIO CON IL SUO AMBIENTE è MORTO. Solo attraverso un continuo dispendio energetico gli organismi possono mantenere la diversa costituzione e concentrazione rispetto all’ambiente LA COMPOSIZIONE MOLECOLARE RIFLETTE UNO STATO STAZIONARIO DINAMICO LA COSTANZA DELLA CONCENTRAZIONE NON RIFLETTE UN’INERZIA DEI COMPONENTI DEL SISTEMA, MA PIUTTOSTO E’ IL RISULTATO DI UNO STATO STAZIONARIO DINAMICO Tutti gli organismi viventi creano e conservano le loro strutture utilizzando l’energia estratta dai combustibili chimici o dalla luce In ogni modificazione chimica o fisica, la quantità totale di energia dell’UNIVERSO rimane costante, anche se la forma di energia può cambiare I° principio della termodinamica Le cellule sono motori chimici che operano a temperatura e pressione costante ENERGIA LIBERA E LAVORO UTILE G = H - TS L’energia libera rappresenta la porzione di energia (H) che risulta disponibile, o libera, per svolgere lavoro utile. Una parte del H è sempre dissipato sottoforma di calore, come è espresso dal termine TS. La quantità effettiva utilizzata per svolgere lavoro dipenderà dalla VIA SEGUITA DAL PROCESSO. La variazione di energia libera è una misura del lavoro utile massimo ottenibile dalle reazioni. ENERGIA LIBERA E CONCENTRAZIONE In che modo l’energia libera dipende dalle quantità dei vari componenti aA +bB +cC………. G = aGA + bGB + cGC……….. Energie libere molari parziali o POTENZIALI CHIMICI GA = GoA + RT ln [A] Contributo per moli di sostanza ENERGIA CHIMICA ED EQUILIBRIO CHIMICO aA +bB cC +dD G = G (prodotti) – G (reagenti) G = Go + RT ln All’equilibrio [C]c [D]d [A]a[B]b [C]c [D]d =K a b [A] [B] G = 0 0 = Go + RT ln K Che può essere scritta Go K = e RT RELAZIONE TRA IL Go E LA COSTANTE DI EQUILIBRIO Quando il sistema non è all’equilibrio, la tendenza a spostarsi verso l’equilibrio diventa una forza trainante la cui ampiezza è espressa dalla variazione di G. La variazione di ENERGIA LIBERA STANDARD di una reazione chimica è semplicemente un modo matematico alternativo di esprimere la sua costante di equilibrio. Relazione tra le costanti di equilibrio delle reazioni chimiche e la loro variazione di energia libera standard Le singole reazioni di una via metabolica spesso hanno valori di Go positivi, quindi sfavorevoli. Com’è possibile che il processo complessivo si svolga efficacemente? Una risposta è che le concentrazioni dei reagenti vengono mantenute lontane da quelle di equilibrio. IN ALTERNATIVA, REAZIONI ENERGICAMENTE SFAVORITE POSSONO ESSERE “SPINTE” se accoppiate a reazioni che hanno valori di G fortemente negativi. L’ACCOPPIAMENTO DI REAZIONI ENDOERGONICHE A REAZIONI ESOERGONICHE è uno dei principi più importanti della Biochimica I composti del fosfato hanno un’energia libera altamente negativa L’ATP è forse il più importante di questi composti ed è quello che incontreremo più spesso nel METABOLISMO CELLULARE L’idrolisi dell’ATP è altamente esoergonica Go =-31 kJ/ mol -7,3 kcal/mol Questo valore corrisponde ad una Keq = 105M L’equilibrio è talmente spostato verso destra che l’idrolisi dell’ATP può essere considerata essenzialmente irreversibile La spiegazione dell’elevata energia libera di idrolisi di queste sostanze risiede nelle particolari proprietà dei reagenti e dei prodotti della reazione. I più importanti sono: 1) Stabilizzazione per risonanza del fosfato prodotto; Lo ione ortofosfato possiede un ampia varietà di forme di risonanza che contribuiscono ad aumentare l’ENTROPIA di questa struttura. 2) Ulteriore idratazione dei prodotti di idrolisi; 3) Repulsione elettronica tra prodotti carichi; 4) Aumento della stabilizzazione per tautomeria dei prodotti. G reale di idrolisi dell’ATP nelle cellule vive è molto più negativo (50 -65 kJ/mole) di Go’. Le concentrazioni di ATP, ADP e Pi nelle cellule sono diverse da quelle standard e soprattutto perché i veri reagenti e prodotti di reazione sono: Basi chimiche della grande variazione di energia libera associata all’idrolisi dell’ATP. In tutte le reazioni che trasferiscono il fosfato, le diverse forme di risonanza contribuiscono ulteriormente a generare un Go’ negativo TIO-ESTERI Idrolisi dell’acetil-Co(enzima) A Processo a due tappe Alcune eccezioni: elicasi, topoisomerasi, proteni RecA, ecc. sono Dipendenti direttamente dall’idrolisi dell’ATP o del GTP. POTENZIALE DI TRASFERIMENTO DEL FOSFATO Ciascuno degli elementi considerati nella tabella, considerando i diversi valori di energia libera, è capace di “spingere” la fosforilazione dei composti che si trovano più in basso nella scala, purchè sia disponibile un meccanismo adatto di accoppiamento. Le variazioni di energia nelle libera reazioni sequenziali si possono sommare Il trasferimento di gruppi fosforici è un sistema di attivazione spesso adottato nel catabolismo per incrementare l’energia libera di un composto che deve subire trasformazioni. Il composto fosforilato possiede una quantità di energia libera maggiore da liberare durante la sua trasformazione catabolica. L’ATP trovandosi a metà della scala di trasferimento del fosfato funziona bene da MONETA DI SCAMBIO DELL’ENERGIA LIBERA COSTRUZIONE DI MACROMOLECOLE INFORMAZIONALI RICHIEDE ATP ATP FORNISCE ENERGIA PER IL TRASPORTO ATTIVO ATTRAVERSO LE MEMBRANE L’ATP FORNISCE ENERGIA PER LA CONTRAZIONE MUSCOLARE CARICA ENERGETICA DEGLI ADENILATI La capacità di una cellula di effettuare reazioni sostenute dall’idrolisi dell’ATP dipende dalle concentrazioni relative dell’ATP e dei suoi derivati. La maggior parte delle cellule sane funziona con un valore di carica energetica di circa 0,9 IN TUTTE LE CELLULE AVVENGONO TRANSFOSFORILAZIONI TRA NUCLEOTIDI L’ATP è il principale composto fosforilato ad alta energia prodotto dal catabolismo cellulare ATP + NDP (o dNDP) Mg2+ ADP + NTP (o dNTP) Go , 0 Nucleoside difosfato chinasi Quando l’ADP si accumula nella cellula per sottrazione di gruppi fosforici dall’ATP, è l’ADENILATO CHINASI che rimuove l’ADP in eccesso Mg2+ 2 ADP ATP + AMP G’o 0 La fosfocreatina rappresenta una riserva disponibile di GRUPPI FOSFORICI ADP + PCr Mg2+ ATP +Cr G’o = -12,5 kJ/mole CREATINA CHINASI Muscolo cardiaco M. scheletrico, cervello, reni 30 mM 5-10 mM REAZIONI DI OSSIDO RIDUZIONE Fe2+ + Cu2+ COPPIE REDOX Fe3+ + Cu+ Due semireazioni Fe2+ Fe3+ + e- Cu2+ + e- Cu+ Le ossidazioni biologiche comportano spesso deidrogenazioni Per ogni sostanza che si OSSIDA (cede elettroni) esiste una sostanza che si RIDUCE (acquista elettroni) Più ridotta Numero di ossidazione: È la carica che un atomo in un composto avrebbe se le coppie elettroniche di legame venissero considerate interamente come appartenenti all’atomo più elettronegativo In organica si guarda lo stato di ossidazione del carbonio CO2 CH4 O=C=O n.o. = +4 Alcani n.o. = -4 Le ossidazioni biologiche comportano spesso deidrogenazioni La forma più ossidata lega più ossigeno La forma più ridotta lega più atomi di idrogeno DIVERSI STATI DI OSSIDAZIONE PER IL CARBONIO Più ossidata Il flusso degli e- nelle reazioni di ossido-riduzione è responsabile, direttamente o indirettamente, di tutto il lavoro prodotto dagli organismi viventi. Le cellule contengono una grande varietà di molecole che si comportano da TRASDUTTORI ENERGETICI Sostanza meno affine eForza elettromotrice fem Sostanza più affine OSSIDAZIONI BIOLOGICHE POTENZIALE REDOX PRODUZIONE DI ENERGIA VARIAZIONE DI ENERGIA LIBERA Come si calcola il G ottenibile da una reazione REDOX RIDUCENTE: il donatore di e- che si OSSIDA OSSIDANTE: l’accettore di e- che si RIDUCE POTENZIALE STANDARD DI OSSIDORIDUZIONE E0 Misura della tendenza di un riducente a perdere elettroni STANDARD DI RIFERIMENTO SEMI CELLA SEMI REAZIONE Fe 2+ Fe 3+ 1M H2 H+ 1M ELETTRODO STANDARD AD IDROGENO Dato che H2 cede più facilmente elettroni di Fe 3+ Gli elettroni passano dalla semicella di riferimento a quella campione forza proporzionale alla differenza tra le due affinità H2 In condizioni standard ( 25°C, 1M) E0 dell’elettrodo ad idrogeno è = 0 Fem positiva H+ si ossida Fem negativa H2 H+ si riduce Qualsiasi coppia redox che tenda a cedere elettroni all’elettrodo ad idrogeno E0 negativo coppia redox riducente BIOCHIMICA lo standard comprende anche il pH 7 Potenziale standard di ossido-riduzione E0’ 2H+/H2 E0’= - 0,414 Volt NADH + H+ / NAD+ E0’ = - 0,32 Volt Cederà elettroni all’idrogeno a pH 0 E0 Accetterà elettroni dall’idrogeno a pH 7 E0’ In una reazione spontanea gli elettroni scorrono dalla semicella a più basso potenziale a quella a più alto potenziale O2/H2O E0’ = +0,82 Volt presenta una forte tendenza ad ossidare le altre sostanze G0’ = -n F E0’ = -n F [E0’(accettore) – E0’(donatore)] n = numero di elettroni trasferiti F = costante di Faraday ( 96,5 KJ.V-1.mole-1) E0’ = differenza di potenziale standard di ossido riduzione della coppia redox E0’ negativo G0’ positivo reazione non favorita NADH + H+ + ½ O2 NAD+ +H2O Reazione altamente ESOERGONICA G0’ = -n F E0’ = - 2 (96,5) [ 0,82- ( - 0,32) ] = - 220 kJ/ mole L’ossidazione del glucosio a CO2 e H2O non avviene nelle cellule in una singola reazione C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O G0’= -2840 kJ/mole Gli elettroni rimossi nelle diverse reazioni di ossidazione vengono trasferiti a molecole specializzate (coenzimi) per il trasporto degli elettroni. NAD+ + 2e- + 2H+ NADP+ + 2e- + 2H+ FMN + 2H++ 2eFAD + 2H+ + 2e- NADH + H+ NADPH + H+ FMNH2 FADH2 CHINONI (solubili nei lipidi), proteine ferro-zolfo Anello nicotinamidico deriva dalla vitamina niacina Accetta uno ione idruro: :H(un protone e due elettroni) NICOTINAMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE Spettri di assorbimento della luce UV del NAD+ e del NADH Vitamina RIBOFLAVINA FLAVIN ADENIN DINUCLEOTIDE (FAD) FLAVIN MONONUCLEOTIDE (FMN) OSSIDOREDUTTASI Più comunemente chiamate DEIDROGENASI
