4._TERMODINAMICA_DEI_COMPOSTI_CONTENENTI_FOSFATO
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Termodinamica dei composti contenenti fosfato MOLTE REAZIONI BIOCHIMICHE POSSONO PROCEDERE IN QUANTO I PRODOTTI VENGONO RIMOSSI EFFICIENTEMENTE IN ALCUNI CASI QUESTA RIMOZIONE NON E’ SUFFICIENTE; IN QUESTO CASO E’ NECESSARIO CHE LA REAZIONE VENGA “TRASCINATA” AB G0’ = + 10 kJ/mole CD G0’ = - 30 kJ/mole SE LA CELLULA ACCOPPIA QUESTE DUE REAZIONI IL G0’ COMPLESSIVO SARA’ LA SOMMA ALGEBRICA DEI SINGOLI VALORI AB G0’ = + 10 kJ/mole CD G0’ = - 30 kJ/mole A+C B+D G0’ = - 20 kJ/mole “TRASCINARE” UN PROCESSO CON L’ACCOPPIAMENTO E’ UN EVENTO USUALE CHE NELLA CELLULA DEBBONO ESISTERE COMPOSTI CHE POSSONO ANDARE INCONTRO A REAZIONI CHE COMPORTANO VARIAZIONI NEGATIVE DI ENERGIA LIBERA QUESTI COMPOSTI SONO CONSIDERATI TRASPORTATORI DI ENERGIA LIBERA NELLE CELLULE COME Termodinamica dei composti contenenti fosfato Questi intermedi rappresentano quindi una sorta di “moneta” universale sotto forma di energia libera che viene scambiata tra le reazioni che producono energia libera e quelle che invece la consumano La forma di energia chimica più utilizzata è l’ADENOSINA TRIFOSFATO (ATP) che è presente in tutte le forme di vita Il suo ruolo centrale nel metabolismo è stato scoperto per la prima volta nel 1941 da Fritz Lipmann e da Herman Kalclar L’ATP è costituito dall’adenosina cui sono legati sequenzialmente tre gruppi fosforici (-PO3 2-) Il primo fosfato è legato mediante un legame fosfoesterico, gli altri due da legami fosfoanidridici, definiti legami ricchi L’adenosina difosfato (ADP) e l’adenosina monofosfato (AMP) sono chimicamente simili all’ATP, ma contengono rispettivamente soltanto due gruppi fosforici ed un gruppo fosforico L’IDROLISI DELL’ATP E’ ALTAMENTE ESOERGONICA AVENDO UN G0’ = - 31 kJ/mole MOLTI ALTRI SONO I COMPOSTI ORGANICI PRESENTI NELLA CELLULA DEPUTATI AL TRASFERIMENTO DI ENERGIA LIBERA AD ALTRI COMPOSTI TUTTI QUESTI COMPOSTI PRESENTANO IL “LEGAME FOSFATO AD ALTA ENERGIA”, CHE IN REALTA’ NON E’ IL DIRETTO RESPONSABILE DELLA LIBERAZIONE DI COSI’ TANTA ENERGIA. QUALI SONO I MOTIVI PER CUI L’IDROLISI DI QUESTI COMPOSTI LIBERA COSI’ TANTA ENERGIA? 1) STABILIZZAZIONE PRODOTTO PER RISONANZA DEL FOSFATO Lo ione ORTOFOSFATO (HPO4-; abbreviato con Pi) possiede una grande varietà di forme di risonanza. Sia il protone che il legame tra ossigeno e fosforo devono essere considerati delocalizzati: LE DIVERSE FORME, CHE POSSIEDONO UGUALE ENERGIA, CONTRIBUISCONO ALL’ELEVATA ENTROPIA DI QUESTA STRUTTURA DI RISONANZA. IL RILASCIO DEL FOSFATO DETERMINA UN AUMENTO DELL’ENTROPIA DEL SISTEMA 2) ULTERIORE IDRATAZIONE DEI PRODOTTI DI IDROLISI Il rilascio del residuo fosforico di un composto aumenta le possibilità di idratazione soprattutto se entrambi i prodotti sono carichi (l’idratazione è uno stato energetico altamente FAVORITO) 3) REPULSIONE ELETTROSTATICA TRA I PRODOTTI CARICHI Nella idrolisi dei composti contenenti fosfato i prodotti dell’idrolisi portano una carica negativa. La repulsione tra questi prodotti ionici favorisce fortemente la reazione di idrolisi 4) AUMENTO DELLA STABILIZZAZIONE RISONANZA O TAUTOMERIZZAZIONE MEDIANTE Talvolta l’idrolisi è favorita anche dalla capacità dell’altro prodotto di assumere diverse forme molecolari Reazioni di trasferimento del gruppo fosforico Le reazioni di trasferimento del gruppo fosforico: R1O PO3 2- + R2 OH R1 OH + R2 O PO3 2Sono molto rilevanti per il metabolismo in generale. Le reazioni di questo tipo più importanti sono la sintesi e l’idrolisi dell’ATP: ATP + H2O ADP + Pi ADP + H2O AMP + PPi dove Pi e PPi rappresentano rispettivamente l’ortofosfato ed il pirofosfato. Queste reazioni altamente esoergoniche sono accoppiate a numerosi processi biochimici endoergonici per renderli possibili. L’ATP viene poi rigenerato accoppiando la sua sintesi ad un processo ancora più esoergonico Per illustrare meglio questi concetti, prendiamo in considerazione due esempi di reazioni di trasferimento del gruppo fosforico. La tappa iniziale del metabolismo del glucosio è la sua conversione in glucosio-6-fosfato. La reazione diretta del glucosio con il Pi è termodinamicamente sfavorita in quanto caratterizzata da un G 0’ positivo. Nei sistemi biologici però questa reazione è accoppiata all’idrolisi esoergonica dell’ATP in modo tale che la reazione complessiva risulti termodinamicamente possibile. Perché due reazioni risultino accoppiate occorre che abbiano in comune una sostanza che sia al tempo stesso un prodotto della prima e un reagente della seconda Questa sostanza è il fosfato Perché il processo che coinvolge le due reazioni sia favorito occorre che la somma algebrica dei G 0’ delle due reazioni sia negativa, cioè che il G 0’ della reazione esoergonica superi in valore assoluto quello della reazione endoergonica. L’ATP può inoltre, essere sintetizzato, ad esempio, a partire da ADP e Pi mediante idrolisi più esoergonica del fosfoenolpiruvato L’utilità bioenergetica delle reazioni di trasferimento del gruppo fosforico è data dalla loro stabilità cinetica all’idrolisi, combinata con la loro capacità di trasferire grandi quantità di energia libera L’energia libera di idrolisi viene spesso indicata come potenziale di trasferimento del gruppo fosforico, che è una misura della tendenza dei composti fosforilati a trasferire i loro gruppi fosforici all’acqua L’ATP ha un valore di potenziale di trasferimento del gruppo fosforico intermedio In condizioni standard i composti che nella tabella successiva si trovano sopra all’ATP (hanno cioè un potenziale più negativo) trasferiscono spontaneamente un gruppo fosforico all’ADP per formare ATP, il quale, a sua volta, può trasferire spontaneamente un gruppo fosforico ai prodotti dell’idrolisi (la forma ROH) dei composti elencati sotto di lui (composti con potenziale meno negativo) TABELLA 4.1 Energie libere standard di idrolisi del gruppo fosforico di alcuni composti COMPOSTO G °’(KJ mole -1) Fosfoenolpiruvato - 61,9 1,3-difosfoglicerato - 49,9 Acetil fosfato - 43,1 Fosfocreatina - 43,1 PP - 33,5 ATP( AMP+PPi) - 32,2 ATP ( ADM + Pi) - 30,5 Glucosio-1-fosfato - 20,9 Fruttosio-6-fosfato - 13,8 Glucosio-6-fosfato - 13,8 Glicerolo-3-fosfato - 9,2 TABELLA 4.2 Alcune reazioni accoppiate cui partecipa l’ATP: (a) la fosforilazione del glucosio a glucosio-6-P ed ADP. (b) La fosforilazione dell’ADP ad opera del fosfoenolpiruvato con formazione di ATP e piruvato. Ogni reazione è stata suddivisa nella reazione di fosforilazione (semi-reazione 1) e nell’idrolisi dell’ATP (semi-reazione 2). Le due semireazioni procedono nella direzione in cui la reazione complessiva risulta esoergonica (G<0) (a) Semi-reazione endoergonica 1 Pi + glucosio Glucosio-6-P + H2O G °’ (KJ mole -1) + 13,8 Semi-reazione esoergonica 2 ATP + H2O ADP + Pi - 30,5 Reazione complessiva accoppiata ATP + glucosio ADP + glucosio-6-P - 16,7 (b) Semi-reazione esoergonica 1 Fosfoenolpiruvato + H2O Piruvato + Pi - 61,9 Semi-reazione endoergonica 2 ADP + Pi ATP + H2O + 30,5 Reazione complessiva accoppiata Fosfoenolpiruvato + ADP Piruvato + ATP - 31,4 Sintesi dell’ATP La sintesi di ATP avviene a livello delle membrane, utilizzando il potenziale e i gradienti protonici di membrana e con la catalisi di una ATP-sintasi, secondo la reazione : ADP 3- + Pi 2- ATP4+ + H2O L’ATP-sintasi è un enzima con struttura tipica costante, qualunque sia l’origine (mitocondri, cloroplasti, membrane citoplasmatiche di batteri eterotrofi o membrane di procarioti fotosintetici) Essa è costituita da due sub-unità: F0, unità idrofobica di ancoraggio alla membrana e canale ionico; F1, centro attivo, costituito da 3 sub-unità e 3 sub-unità Come noto l’energia liberata durante il trasporto degli elettroni secondo gradiente viene utilizzata dall’ATP- sintetasi per la produzione di energia sotto forma di ATP. Il processo è noto come FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA nel mitocondrio e FOTOFOSFORILAZIONE nel cloroplasto I protoni possono ritornare indietro attraverso due sistemi: - ANTIPORTO, un protone scambiato con un altro catione viene - SIMPORTO, un protone è trasportato nel compartimento e l’energia per il trasporto è fornita dal simultaneo trasporto di un anione o un’altra molecola nella stessa direzione Gradiente protonico elettrochimico di membrana Durante il trasporto elettronico si stabilisce gradiente protonico, cioè concentrazioni di maggiori in un compartimento rispetto all’altro esempio, interno rispetto all’esterno nel caso tilacoidi ed in senso inverso, esterno-interno, caso delle creste mitocondriali) un H+ (ad dei nel Gli atomi e le molecole elettricamente cariche possono attraversare la membrana solo con l’aiuto di specifiche proteine di membrana (canali ionici o pompe ioniche) Le POMPE IONICHE trasportano gli ioni in modo attivo creando una distribuzione di cariche ineguale ai due lati della membrane formando così un GRADIENTE ELETTROCHIMICO La forza protomotrice p che si determina fra i due compartimenti si compone di due parti: a. il potenziale di membrana b. il gradiente di concentrazione protonica z pH Il termine z vale 59 mV per il trasferimento di un elettrone; ad esempio, nel caso dei tilacoidi, per un pH di 2,7 si ha un valore di potenziale attribuibile al gradiente protonico di 160 mV Questo termine è preponderante rispetto al potenziale di membrana essendo la forza protomotrice totale dell’ordine di 200 mV H+ = F. + RTIn[H+] A/[H+]B H+/ F = + z pH = p(forza motrice protonica) p = - z pH 3 H+ sono necessari per la sintesi di 1 ATP Nella tabella 4.3 sono rappresentati i valori delle membrane cloroplastiche e mitocondriali TABELLA 4.3 Valori tipici di , z pH e mitocondriali e tilacoidali p delle membrane z pH p Mitocondri (mV) 90 40 130 Tilacoidi (mV) 40 160 200
