Chimica Biologica
A.A. 2010-2011
Introduzione al
Metabolismo
Marco Nardini
Dipartimento di Scienze Biomolecolari e Biotecnologie
Università di Milano
Metabolismo
Macromolecole Biologiche
Metabolismo
“l’insieme dei processi attraverso cui gli esseri viventi ricavano ed
utilizzano l’energia libera necessaria per svolgere le loro funzioni
biologiche”
dal punto di vista bioenergetico il metabolismo si divide in:
Catabolismo (o “degradazione”)
i nutrienti ed i costituenti cellulari sono degradati per operazioni di riciclo
dei loro costituenti e/o per generare energia
⇒ processi esoergonici; produce energia libera
Anabolismo (o “biosintesi”)
sintesi di biomolecole a partire da composti semplici
processi (che di per sé sarebbero) endoergonici; consuma energia
libera.
Metabolismo
Macromolecole Biologiche
Metabolismo
- le reazioni cataboliche si svolgono con ossidazione esoergonica di
molecole nutrienti
⇒ l’energia libera rilasciata viene utilizzata per portare avanti processi
endoergonici (reazioni anaboliche, lavoro meccanico, trasporto attivo
contro gradienti di concentrazione)
- i processi eso- ed endo-ergonici sono spesso accoppiati mediante sintesi
intermedia di un composto ad “alta energia” come l’ATP
Metabolismo
Macromolecole Biologiche
Metabolismo
- i principi generali alla base del metabolismo sono gli stessi in tutti gli
organismi viventi
- molte delle reazioni metaboliche sono le stesse in tutti gli organismi
- l’organizzazione generale del metabolismo di un organismo dipende
soprattutto dalla natura della sua fonte di energia
⇒
- organismi autotrofi
- organismi eterotrofi
Macromolecole Biologiche
Metabolismo
Organismi autotrofi
possono sintetizzare tutti i loro costituenti cellulari a partire da semplici
molecole quali (H2O, CO2, NH3, H2S)
2 fonti di energia:
Chemiolitotrofi: ottengono energia libera attraverso l’ossidazione di
composti inorganici quali NH3, H2S, Fe2+
Fotoautotrofi: ottengono energia libera attraverso la fotosintesi, un
processo in cui l’energia della luce permette il trasferimento
di elettroni da donatori inorganici alla CO2 per sintetizzare
carboidrati (CH2O)n che poi sono ossidati al fine di produrre
energia libera
Organismi eterotrofi
ottengono energia libera attraverso l’ossidazione di composti organici
(carboidrati, lipidi e proteine) e quindi dipendono in ultimo dagli organismi
autotrofi per la produzione di questi composti
Macromolecole Biologiche
Metabolismo
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 obbligatoria
ossigeno
Anaerobi: usano solfato o nitrato come agente ossidante
Anaerobi facoltativi: come l’Escherichia coli, possono vivere sia in
presenza come in assenza di ossigeno
Anaerobi obbligati: non vivono in presenza di ossigeno (metabolismo
simile a quello degli organismi più primitivi)
Vie Metaboliche
Macromolecole Biologiche
Vie metaboliche
- vie metaboliche: serie di reazioni, catalizzate da enzimi, che a partire
da specifici reagenti producono specifici prodotti
- le vie metaboliche possono essere: lineari, ramificate o cicliche
- le vie metaboliche sono sempre interconnesse tra loro (e la scelta di
estrapolare una via metabolica dall’insieme del metabolismo è sempre in
parte arbitraria)
- reagenti, intermedi, prodotti delle vie metaboliche sono detti metaboliti
Macromolecole Biologiche
Vie Metaboliche
Complessità delle vie metaboliche
- in una data cellula diversi tipi di enzimi e metaboliti variano a seconda del
tipo di organismo, del tipo cellulare, dello stato nutrizionale e dello sviluppo
- i punti rappresentano i metaboliti, le linee
che li uniscono rappresentano i singoli
passaggi metabolici
- la stessa logica chimica è comune a vie
metaboliche diverse: passaggi chimicamente
simili si osservano spesso in vie diverse
- trasformazioni complesse sono realizzate
con molti passaggi semplici
Macromolecole Biologiche
Vie Metaboliche
Reazioni metaboliche e catalisi enzimatica
- le reazioni metaboliche sono in genere caratterizzate da piccole variazioni
di energia libera (ΔG’°) ma elevate energie di attivazione (ΔG‡)
⇒ richiedono quindi la catalisi da parte di enzimi per poter avvenire con
velocità adeguate a bassa temperatura
⇒ ciò garantisce che esclusivamente determinate reazioni possano
avvenire nel metabolismo (quelle catalizzate da enzimi)
- gli enzimi possono essere regolati, fornendo punti di controllo metabolico
- il metabolismo di una cellula è determinato dal corredo di enzimi che quella
cellula possiede, a sua volta definito dal suo genoma: in questo modo il
metabolismo è sotto controllo genetico
- gli enzimi permettono l’accoppiamento tra reazioni
(accoppiamento reazioni endoergoniche, che non avverrebbero da sole con
reazioni energeticamente favorevoli)
Macromolecole Biologiche
Vie Metaboliche
Accoppiamento reazioni metaboliche
- se una reazione può essere considerata la somma di due reazioni, allora il
valore di ΔG’° della reazione complessiva sarà pari alla somma dei valori
di ΔG’° delle due reazioni (lo stesso principio si applica alla variazione di
qualsiasi altra funzione di stato)
Vie Metaboliche
Macromolecole Biologiche
Accoppiamento reazioni metaboliche
- nel metabolismo, reazioni sfavorevoli possono procedere perché:
1. i loro prodotti vengono efficientemente rimossi da una reazione
successiva, favorevole;
2. sono accoppiate ad altre reazioni, favorevoli.
1.
2.
A⇔B
B⇔C
ΔG° = +10 kJ/mol
ΔG° = -30 kJ/mol
A ⇔C
ΔG° = -20 kJ/mol
A⇔B
C⇔D
ΔG° = +10 kJ/mol
ΔG° = -30 kJ/mol
A+C⇔B+D
ΔG° = -20 kJ/mol
A→B→C
A+ C→B+D
Macromolecole Biologiche
Vie Metaboliche
Accoppiamento reazioni metaboliche
- analogia meccanica
Macromolecole Biologiche
Vie Metaboliche
Reazioni metaboliche e catalisi enzimatica
formazione
e rottura di
legami C-C
Macromolecole Biologiche
Vie Metaboliche
Metabolismo: principi base
- le vie cataboliche e anaboliche sono tra loro in relazione
- le vie cataboliche partono da un gran numero di sostanze complesse diverse
(carboidrati, proteine, lipidi) e portano a pochi prodotti semplici
⇒ reazioni esoergoniche
- nelle vie anaboliche i prodotti del catabolismo sono usati come materiale di
partenza per un gran numero di prodotti complessi
⇒ reazioni endoergoniche
- l’energia libera prodotta viene conservata
mediante sintesi di ATP da ADP + Pi o
mediante riduzione di NAD(P)+ a NAD(P)H
- ATP e NADPH sono le principali fonti di
energia libera per le reazioni anaboliche
Macromolecole Biologiche
Vie Metaboliche
Catabolismo convergente, anabolismo divergente
Macromolecole Biologiche
Vie Metaboliche
Catabolismo: quadro generale
- le vie del catabolismo di molte sostanze (carboidrati, lipidi, proteine)
convergono verso la sintesi di pochi intermedi
comuni che sono poi metabolizzati in una via
ossidativa centrale
- trasformazione in acetil-CoA
- ossidazione dei carboni del gruppo acetile
a CO2 con riduzione di NAD+ e FAD
(ciclo acido citrico)
- riossidazione di NADH e FADH2 che
trasferiscono elettroni ad O2 con
formazione di H2O (fosforilazione ossidativa)
- nelle vie biosintetiche pochi metaboliti
servono come materiale di partenza per la
produzione di una grande varietà di prodotti
Macromolecole Biologiche
Vie Metaboliche
Compartimentalizzazione cellulare
Macromolecole Biologiche
Vie Metaboliche
Compartimentalizzazione cellulare
- negli eucarioti le vie metaboliche hanno in genere una localizzazione
subcellulare specifica
- la sintesi di metaboliti in uno specifico compartimento necessita di
meccanismi di trasporto (proteine di trasporto) per trasportarli in altri
compartimenti
Es: spostare l’ATP dai mitocondri (sintesi) al citoplasma (consumo)
- assenza di organelli nei procarioti:
⇒ diverse vie metaboliche operano in aree particolari del citoplasma
Organismi multicellulari:
⇒ compartimentalizzazione a livello di tessuti ed organi
Macromolecole Biologiche
Vie Metaboliche
Compartimentalizzazione cellulare
Aspetti termodinamici
Macromolecole Biologiche
Equilibri chimici e stati standard
in un processo spontaneo
ΔH - T ΔS ≤ 0
se G = H - TS energia libera (di Gibbs) ⇒
(funzione di stato)
a T e P costanti
ΔG = ΔH - T ΔS ≤ 0
ΔG ≤ 0 processi esoergonici
ΔG > 0 processi endoergonici (processi non spontanei)
ΔG = 0 processi all’equilibrio
- la velocità di una reazione è indipendente da ΔG
- l’entropia aumenta all’aumentare del volume e quindi varia in funzione
della concentrazione della soluzione ⇒ anche l’energia libera dipende
dalla concentrazione
- in una reazione chimica la ΔG dipende dalle concentrazioni dei
reagenti e dei prodotti
Aspetti termodinamici
Macromolecole Biologiche
Equilibri chimici e stati standard
- la relazione tra concentrazione ed energia libera di una sostanza A è
GA-GA0 = RT ln [A]
¯ indica quantità
relativa a 1 mole
GA= “energia libera parziale molare” o “potenziale chimico”
GA0= energia libera parziale molare di A nello “stato standard”
R = 8.31451 J \ K·mol (costante dei gas)
- un soluto è nella sua condizione standard quando:
T = 25 °C, P = 1atm, attività = 1
“attività” = concentrazione (corretta per comportamenti non ideali che la
soluzione può presentare a concentrazioni > della diluizione all’ ∞)
nelle reazioni biochimiche la concentrazione di reagenti e prodotti è bassa
(mM) ⇒ attività = concentrazione
Macromolecole Biologiche
Aspetti termodinamici
Equilibri chimici e stati standard
convenzione biochimica:
- attività di H2O pura = 1 anche se [H2O] = 55.5 M
semplifica l’espressione dell’energia libera quando H2O si comporta
come reagente in reazioni tra soluzioni diluite (il termine [H2O] viene
ignorato)
- attività ione H+ = 1 a pH = 7 anche se [H+] = 10-7 M
- specie ionizzabili: lo stato standard è definito in base alla concentrazione
totale delle specie ioniche presenti a pH 7
- ΔG0’ = ΔG0 se la reazione non comprende H2O, H+ o specie ionizzabili
Aspetti termodinamici
Macromolecole Biologiche
Equilibri chimici e stati standard
data una reazione generale:
aA + bB
cC + dD
la variazione di energia libera sarà:
ΔG = cGC + dGD - aGA - bGB
ΔG0 = cGC0 + dGD0 - aGA0 - bGB0
ma
GA-GA0 = RT ln [A]
ΔG =
ΔG0
termine costante che dipende
dal tipo di reazione
(condizioni standard)
+ RT ln
[C]c [D]d
[A]a [B]b
termine variabile che dipende dallle
concentrazioni di reagenti e prodotti,
dalla stechiometria e da T
Aspetti termodinamici
Macromolecole Biologiche
Equilibri chimici e stati standard
per una reazione all’equilibrio:
ΔG = ΔG0 + RT ln
quindi ΔG0 = - RT ln
dove
da cui
Keq =
[C]ceq [D]deq
[A]aeq [B]beq
[C]ceq [D]deq
[A]aeq [B]beq
[C]c [D]d
[A]a [B]b
=0
= - RT ln Keq
costante di equilibrio della reazione
Keq = exp (-ΔG0/RT)
la costante di equilibrio di una
reazione può essere determinata
dai valori di energia libera standard
e viceversa
Macromolecole Biologiche
Aspetti termodinamici
Equilibri chimici e stati standard
- la K’eq è una funzione esponenziale di ΔG’°
- ogni aumento del ΔG’° di 5.7 kJ/mol (a 25 °C) comporta una diminuzione
della K’eq di un fattore 10
Aspetti termodinamici
Macromolecole Biologiche
Reazioni vicine all’equilibrio
data una reazione generale:
se ΔG ~ 0 e Keq ~
A+B
C+D
[C] [D]
[A] [B]
è possibile cambiare facilmente la direzione della reazione variando il
rapporto dei prodotti rispetto ai reagenti
- reagenti in eccesso (rispetto a []eq)
⇒ reazione netta in direzione della reazione diretta fino a che l’eccesso
di reagenti non è stato convertito in prodotto ⇒ ripristino equilibrio
- prodotti in eccesso ⇒ reazione netta in direzione inversa
Macromolecole Biologiche
Aspetti termodinamici
Reazioni metaboliche
molte reazioni metaboliche sono reazioni vicino all’equilibrio
- gli enzimi che catalizzano reazioni vicino all’equilibrio tendono ad agire
velocemente per ripristinare le concentrazioni all’equilibrio
- le velocità nette delle reazioni sono regolate in modo efficace dalle
concentrazioni relative di substrati e prodotti
alcune reazioni metaboliche sono reazioni lontano dall’equilibrio
ΔG << 0 ⇒ reazioni irreversibili
- gli enzimi che catalizzano reazioni lontano dall’equilibrio sono
sostanzialmente saturati, cioè ha attività insufficiente per consentire il
raggiungimento dell’equilibrio (accumulo substrato, effetto diga)
- variazioni di concentrazione dei substrati hanno scarso effetto sulle
velocità delle reazioni (solo variazioni della attività dell’enzima hanno
influenza. Esempio: regolazione allosterica)
Aspetti termodinamici
Macromolecole Biologiche
Reazioni metaboliche
in una via metabolica:
- la maggior parte degli enzimi opera in condizioni vicine all’equilibrio
(velocità nette di reazione che dipendono dalle conc. dei substrati)
- alcuni enzimi, in posizioni strategiche lungo la via, operano in condizioni
lontane dall’equilibrio
analogo idraulico di via metabolica
Aspetti termodinamici
Macromolecole Biologiche
Reazioni metaboliche
Implicazioni
1) le vie metaboliche sono irreversibili
2) ogni via metabolica ha una prima tappa di comando (reazione
esoergonica di solito nella prima parte della via)
⇒ passaggio obbligato (committed step) che obbliga il il prodotto di quella
reazione a proseguire lungo la via metabolica
3) le vie cataboliche ed anaboliche sono differenti
⇒ controllo indipendente dei due processi
A
1
2
Y
X
Aspetti termodinamici
Macromolecole Biologiche
Flusso metabolico e suo controllo
- gli organismi viventi sono sistemi termodinamicamente “aperti”
(scambiano energia e materia con l’ambiente) che tendono a mantenere
uno stato stazionario, piuttosto che a raggiungere un equilibrio (sistema
chiuso)
- stato stazionario: tutti i flussi nel sistema rimangono costanti
- data una via metabolica (serie di reazioni enzimatiche)
J = il flusso dei metaboliti attraverso ogni tappa di reazione
J = vf -vi
vf = velocità reazione diretta
vi = velocità reazione inversa
- in uno stato stazionario, il flusso degli intermedi di una via metabolica
è costante (la velocità di sintesi e demolizione di ogni intermedio ne
mantiene costante la concentrazione)
Aspetti termodinamici
Macromolecole Biologiche
Flusso metabolico e suo controllo
J = vf -vi
- J è determinato dalla/e tappa/e che determina la velocità dell’intera
via, cioè dalla reazione più lenta (il cui prodotto viene rimosso prima
che possa equilibrarsi coi reagenti)
- la tappa che limita la velocità di una via metabolica funziona in una
condizione lontana dall’equilibrio e possiede una ΔG << 0
- il flusso energetico negli organismi viventi è sempre “verso il basso”
(ΔG < 0)
- gli organismi utilizzano catalizzatori biochimici per accelerare la
velocità con cui una reazione si avvicina all’equilibrio (senza alterare la
ΔG che deve rimanere ≤ 0)
- l’energia libera può essere raccolta, conservata, utilizzata per produrre
lavoro cellulare, trasferita ad altre molecole
Aspetti termodinamici
Macromolecole Biologiche
Flusso metabolico e suo controllo
J = vf -vi
- reazioni all’equilibrio: J = 0 flusso netto è nullo
(anche se vf -vi possono essere elevate)
- reazioni lontane dall’equilibrio: vf >> vi ⇒ J ~ vf
- variazioni nella velocità delle reazioni lontane dall’equilibrio alterano
il flusso di materiale attraverso la via di uno o più ordini di grandezza
- meccanismo di controllo di J di una via metabolica attraverso la
reazione che limita la velocità della via:
(a) controllo allosterico
(b) modificazione covalente
(c) cicli del substrato
(d) controllo genico
⇒ controllo a breve termine (sec/min)
⇒ controllo a lungo termine (ore/giorni)
Macromolecole Biologiche
Aspetti termodinamici
Flusso metabolico e suo controllo
(a) controllo allosterico: regolazione da parte di effettori
(substrati, prodotti,coenzimi della via, ma non necessariamente
dell’enzima in esame)
Es: regolazione a feedback negativo
(b) modificazione covalente:
processi essi stessi sottoposti a controllo
Es: fosforilazione/defosforilazione
enzimatica
Aspetti termodinamici
Macromolecole Biologiche
Flusso metabolico e suo controllo
(c) cicli del substrato:
reazioni opposte non all’equilibrio catalizzate
da enzimi differenti (con velocità vf e vi) che
possono essere modificate in modo indipendente
J = vf -vi
può essere aumentato sia aumentando vf che diminuendo vi
(d) controllo genico:
modifica della sintesi proteica degli enzimi in risposta alla necessità
metabolica
più tappe non all’equilibrio ⇒ il flusso del materiale lungo la via dipende da
molteplici fattori che riflettono i bisogni metabolici in quel dato momento
