Introduzione al metabolismo 1 Metabolismo “l’insieme dei processi attraverso i quali i sistemi viventi acquistano e usano l’energia libera necessaria per portare a termine le loro varie funzioni. Si suddivide in: Catabolismo o “degradazione”, il processo in cui i vari nutrienti e i costituenti cellulari sono degradati per operazioni di riciclo e/o per generare energia. Anabolismo o “biosintesi”, il processo in cui le biomolecole vengono sintetizzate a partire da composti semplici. 2 (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3° ed., John Wiley & Sons, 2004) 3 Come si nutrono gli organismi? 4 Organismi autotrofi: possono sintetizzare tutti i loro costituenti cellulari a partire da semplici molecole quali H 2O, CO2 , NH 3 , H 2 S . Si suddividono in: Chemolitotrofi, ottengono la loro energia attraverso 2+ l’ossidazione di composti inorganici quali NH 3 , H 2 S o Fe : 2 NH 3 + 4O2 → 2 HNO3 + 2 H 2O H 2 S + 2O2 → H 2 SO4 4 FeCO3 + O2 + 6 H 2O → 4 Fe(OH ) 3 + 4CO2 Fotoautotrofi, ottengono la loro energia attraverso la fotosintesi, un processo in cui l’energia della luce permette il trasferimento di elettroni da donatori inorganici alla CO2 per sintetizzare carboidrati (CH 2O) n che in seguito sono ossidati al fine di produrre energia libera. 5 Organismi eterotrofi: ottengono la loro energia attraverso l’ossidazione di composti organici (carboidrati, lipidi e proteine) e quindi dipendono in ultimo dagli organismi autotrofi per la produzione di questi composti. Gli organismi possono essere classificati anche in base alla fonte ossidante usata per la degradazione dei nutrienti: Aerobi obbligati: (includono gli animali) usano come fonte obbligatoriamente l’ossigeno; Anaerobi obbligati: non vivono in presenza di ossigeno; Anaerobi facoltativi: come l’Escherichia coli, possono vivere sia in presenza come in assenza di ossigeno. 6 Vie metaboliche 7 (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005) 8 9 (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005) 10 (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005) Aspetti termodinamici 11 (I.H. Segel, Biochemical calculation, 2° ed., John Wiley & Sons, 1976) 12 ΔG = ΔH − TΔS G A = G ° A = RT ln[A] Eq.1.1. aA + bB ⇔ cC + dD ΔG = cG C + d G D − aG A − b B B ΔG ° = cG °C + d G ° D − aG ° A − b B° B ⎛ [C ]C [D ]D ⎞ ⎟ ΔG = ΔG ° + RT ln⎜⎜ A B ⎟ ⎝ [A] [B ] ⎠ ΔG° = − RT ln K eq [ C ] eq [D ] eq K eq = [A]Aeq [B ]B eq C D ΔG ° =e RT − − ΔH ° ⎛ 1 ⎞ ΔS ° ln K eq = ⎜ ⎟+ R ⎝T ⎠ R Eq.1.2. Eq.1.3 Eq.1.4. Eq.1.5. Eq.1.6. Eq.1.7. 13 A+ B ⇔ C + D ⎛ [C ][D ] ⎞ ΔG = ΔG°'+ RT ln⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ [ A][B ] ⎠ ΔG°' = − RT ln K eq Quando i reagenti sono presenti a valori prossimi all’equilibrio, si avrà: [C ]eq [D]eq [A]eq [B]eq ≈ K eq e ΔG ≈ 0 Questo è il caso di molte reazioni metaboliche, che vengono indicate come reazioni prossime all’equilibrio. Poiche i loro valori di ΔG sono prossimi allo zero, essi possono essere facilmente resi reversibili cambiando il rapporto dei prodotti rispetto ai substrati. “Enzimi che catalizzano reazioni prossime all’equilibrio tendono ad agire prontamente nel ristabilire le concentrazioni d’equilibrio e le velocità nette di tali reazioni sono effettivamente regolate dalle concentrazioni relative14dei substrati e dei prodotti”. 15 (D.L. Nelson, M.M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd ed., Worth Publisher, 2000) Viceversa altre reazioni metaboliche funzionano in una situazione molto lontano dall’equilibrio: e cioè sono di fatto irreversibili. Questo avviene perché l’enzima che catalizza una tale reazione ha una attività catalitica insufficiente (la velocità della reazione catalizzata è troppo lenta) tale da permettere alla reazione di pervenire all’equilibrio. I reagenti si accumulano perciò in largo eccesso rispetto alle loro concentrazioni all’equilibrio, rendendo il ΔG << 0 . Cambiamenti nella concentrazione del substrato hanno di conseguenza effetti relativamente modesti sulla velocità di una reazione irreversibile: l’enzima è di fatto in condizioni di saturazione. Solo cambiamenti nell’attività dell’enzima, attraverso per esempio interazioni allosteriche, possono alterare in modo significativo questa velocità. “L’enzima è analogo ad una diga nel corso del fiume: esso controlla il flusso del substrato lungo la reazione variando la sua attività, analogamente a quanto avviene nel caso di una diga che controlla Il flusso della corrente del fiume attraverso l’apertura e la chiusura delle paratie” 16 Per comprendere il flusso dei metaboliti attraverso le vie metaboliche occorre conoscere quali reazioni sono prossime all’equilibrio e quali sono molto lontane da esso. Molti enzimi di una via metabolica operano in condizioni prossime all’equilibrio; altri, viceversa, operano in condizioni lontane dall’equilibrio e sono quindi collocati in punti strategici della via metabolica. Di conseguenza: 1. – Una via metabolica è, in linea generale, irreversibile; 2. – Ciascuna via metabolica ha un passaggio obbligato (committed step) che obbliga il il prodotto di quella reazione a proseguire lungo la via metabolica. 3. – Le vie cataboliche e anaboliche sono differenti. A 1 2 Y X 17 Ulteriore controllo del flusso metabolico 1. Controllo allosterico: 2. Modificazioni covalenti: 3. Cicli del substrato: 4. Controllo genetico 18 2nd (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, ed., John Wiley & Sons, 2005) Controllo del flusso di energia • Composti ad “alta energia”: ATP • Reazioni accoppiate • Composti ad “alta energia” diversi dall’ATP 19 C6 H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6 H 2O ΔG 0 ' = −2850 kJ ⋅ mol−1 C16 H 32O2 + 23O2 → 16CO2 + 16 H 2O ΔG = −9871 kJ ⋅ mol 0' 20 −1 Concetto di “pacchetti di energia” ΔG Coordinate della reazione 21 22 (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005) 23 (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005) 24 (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005) Reazioni accoppiate 25 (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005) 26 (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3° ed., John Wiley & Sons, 2004) 27 (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005) ΔG°’ = - 8 kcal/mol 28 (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005) Fosforilazione a livello del substrato kinasi 29 (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005) 30 31 Composti fosforilati “a bassa energia” 32 Adenilato kinasi: AMP + ATP Æ 2 ADP 33 ΔG°’ = - 31.5 kJ/mol 34 REAZIONI REDOX 35 O2 puo’ accettare solo 1 elettrone alla volta 36 37 38 39 40 41 42 (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005) 43 44 45 46 47 (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3° ed., John Wiley & Sons, 2004) (I.H. Segel, Biochemical calculation, 2° ed., John Wiley & Sons, 48 1976)