IV. Nucleotidi e coenzimi

Nucleotidi e coenzimi
Basi azotate
• Le basi azotate coinvolte nella formazione di
nucleotidi e coenzimi appartengono a due
famiglie principali:
6
– Purine
5
N1
N
7
3
2
8
9
N
4
N
H
4
– Pirimidine
N
2
5
3
1
N
6
-2-
Purine
• Le basi puriniche sono:
NH2
6
Adenina - A
N
N
6-amminopurina
N
N
H
OH
6
Guanina - G
6-idrossi-2-aminopurina
H 2N
N
2
N
N
N
H
-3-
Purine
• La struttura delle basi puriniche è legata alla
tautomeria cheto-enolica:
H
H3C
O
H3C
CH3
CH3
H3C
H
O
CH3
Guanina - G
OH
N
N
H2N
N
O
O
N
H
N
HN
H2N
N
N
H
N
HN
HN
N
H
N
H
-4-
Pirimidine
• Le basi pirimidiniche sono:
Timina - T
2,4-diidrossi-5-metilpirimidina
O
CH3
HN
O
N
H
NH2
Citosina – C
2-idrossi-4-metilpirimidina
N
O
N
H
O
Uracile - U
2,4-diidrossipirimidina
HN
O
N
H
-5-
Pirimidine
• Anche la struttura delle basi puriniche è legata
alla tautomeria cheto-enolica:
H
Timina
(Uracile)
H3C
O
H3C
CH3
CH3
OH
HO
CH3
O
O
CH3
N
H
H3C
O
CH3
HN
HO
N
O
N
N
N
HO
N
H
NH2
NH2
Citosina
CH3
HN
N
O
N
H
-6-
Solubilità
• Le basi azotate sono insolubili in acqua, la loro
solubilità è aumentata dal legame con molecole
molto idrosolubili:
O
• ribosio
OH
HO
OH
HO
O
• 2-deossiribosio
CH2OH
HO
HO
O
OH
CH2OH
OH
O
OH
OH
OH
OH
-7-
Ribosio e 2-deossiribosio
-ribosio
CH2OH
O
OH
OH
OH
2-deossi--ribosio
CH2OH
O
OH
OH
-8-
Nucleosidi
• Il legame si forma tra il C1 dello zucchero e con
l’atomo di azoto non coinvolto nella tautomeria.
• Si formano i nucleosidi, in questo caso
l’adenosina.
NH2
N
N
N
N
N
N
5'
NH2
H
CH2OH
OH
O
N
N
3'
OH
N
O
O
HO
NH2
N
CH2OH
1'
4'
OH
OH
N
N
2'
OH
OH
OH
-9-
Nucleotidi
• La funzione alcolica primaria rimasta libera può essere
esterificata con l’acido fosforico (fosfoestere), per
esempio con l’adenosina, si ottiene una molecola
idrosolubile e carica. Adenosinmonofosfato (AMP)
NH2
N
N
P
O
O
HO
O
4'
P
O
5'
O
O
N
N
O
N
N
O
NH2
N
O
5'
O
1'
3'
OH
2'
OH
N
1'
3'
OH
OH
- 10 -
Nucleotidi
• Più in generale:
O
P
O
O
BASE AZOTATA
O
BASE AZOTATA
--O3PO
5'
O
O
1'
1'
3'
3'
OH
5'
OH
OH
OH
- 11 -
Deossinucleotidi
• Più in generale:
O
P
O
O
BASE AZOTATA
O
BASE AZOTATA
--O3PO
5'
O
5'
O
1'
3'
3'
OH
OH
1'
- 12 -
Nucleotidi ciclici
• Anche la funzione alcolica in 3’ può essere esterificata con
una funzione acida libera dello stesso acido fosforico, si
ottengono i nucleotidi ciclici: cAMP
NH2
N
N
N
O
O
P
O
5'
N
O
3'
O
OH
- 13 -
Nucleotidi e acidi nucleici
• Il legame può anche avvenire tra nucleotidi diversi attraverso
esterificazioni in 3’ e 5’ per formare catene polinucleotidiche (acidi
nucleici).
NH
NH
2
Nucleotide
O
P
N
O
5'
O
O
O
O
P
P
O
O
N
O
NH2
O
P
O
O
N
O
3'
OH
P
N
O
3'
O
N
N
N
O
O
O
N
O
N
N
5'
NH2
OH
N
O
N
N
N
N
2
Deossinucleotide
N
Nucleotide
O
Acido ribonucleico (RNA)
O
O
P
Deossinucleotide
O
Acido deossiribonucleico (DNA)
- 14 -
Nucleotidi e acidi nucleici
RNA
DNA
- 15 -
Nucleotidi liberi
O
P
O
• I monofosfonucleotidi
hanno la possibilità di
essere ulteriormente
fosforilati per formare i
difosfonucleotidi (ADP) e i
trifosfonucleotidi (ATP)
NH2
O
O
P
O
N
N
N
N
O
O
5'
O
1'
3'
OH
OH
NH2
O
P
O
O
O
O
P
O
O
O
P
O
N
N
N
N
O
5'
O
1'
3'
OH
OH
- 16 -
Nucleotidi liberi
• I monofosfonucleotidi
hanno la possibilità di
essere ulteriormente
fosforilati per formare i
difosfonucleotidi (ADP) e i
trifosfonucleotidi (ATP)
- 17 -
Nucleotidi liberi
• I legami che tengono insieme i residui di
fosfato sono legami di tipo anidridico.
NH2
O
P
O
O
O
P
O
N
N
N
N
O
O
5
O
1
3
OH
O
O
O
P
P
O
OH
O
+ 3H2O
O
2
P
O
OH
+ 4 H+
O
- 18 -
ADP e ATP
• Legami di tipo anidridico
• Legami di tipo fosfoestereo
NH2
O
P
O
O
O
N
N
O
N
P
NH2
N
O
O
O
O
OH
ADP
O
O
P
P
O
O
O
O
P
O
O
OH
N
N
N
N
O
O
OH
OH
ATP
- 19 -
A cosa servono i nucleotidi
• Trasporto di energia
– ATP (GTP), ADP, AMP,
• Segnali intracellulari
– cAMP
• Trasporto di equivalenti ridotti
– NAD+/NADH, NADP+/NADPH
– FAD/FADH2
• Trasporto di acili
– CoA
• …
- 20 -
- 21 -
Trasporto di energia
O
• ATP
O
P
O
O
O
O
P
P
O
O
O
O
N
O
HO
O
• ADP
N
N
OH
O
P
O
NH2
N
O
P O
O
O
N
O
HO
NH2
N
N
N
OH
O
• AMP
O
P
O
O
HO
• GTP
O
O
P
O
O
O
P
O
N
O
NH2
N
OH
N
N
O
O
P
O
N
O
O
HO
O
N
OH
N
NH
NH2
- 22 -
Trasporto di energia
ATP + H2O  ADP + PO43G°’ = -7.3 kcal·mole-1 (-30.6 kJ·mole-1) a pH 7
G° = -10 kcal·mole-1 (-42 kJ·mole-1) a pH 9
O
P
O
H
..
O
O
O
O
P
O
O
P
O
O
O
HO
H
O
O
O
P
O
O
+
O
N
O
NH2
N
OH
N
N
O
P
P O
O
O
O
N
O
HO
NH2
N
OH
N
N
- 23 -
G°’
• Il valore di G°’ dipende da:
– Forza ionica
– Concentrazione di Mg++
– Concentazione di Ca++
• Nelle normali condiziono cellulari vale circa:
-12 kcal·mole-1
• I nucleotidi sono contemporaneamente:
–
–
–
–
Stabili
Solubili
Carichi
Reattivi
- 24 -
G°’
• Altre molecole fosforilate hanno G°’ negativo
O
O
H
..
O
P
O
H
O
O
P
O
O
O
O
P
O
N
O
O
HO
NH2
N
N
N
OH
O
O
P
O
+
O
P
O
O
O
O
P O
O
N
O
HO
NH2
N
OH
N
N
G°’ = -7.3 kcal·mole-1
O
O
H
H
HO
H
HO
H
H
H
HO
OH
G°’ = -3.3 kcal·mole-1
P
O
H
..
O
OH
H
H
O
O
H
HO
OH
H
O
OH
O
+
O P
O
O
OH
H
- 25 -
Perché il G°’ dell’ATP vale –7.3 kcal·mole-1?
• Repulsione tra cariche
– Maggiore in ATP che in ADP
O
O
O
O
P
P
P
O
O
O
O
O
O
P
P
O
N
O
HO
O
HO
N
N
OH
N
O
O
NH2
N
O
O
O
O
NH2
N
OH
N
N
- 26 -
Perché il G°’ dell’ATP vale –7.3 kcal·mole-1?
• Stabilizzazione per risonanza
– Del fosfato
O
O
P
O
3-, H+
O
O
O
P
O
O
O
=
O
O
O
P
O
O
O
P
O
3-, H+
O
P
O
O
O
- 27 -
Trasporto di energia
ATP + H2O  AMP + P2O74-  2PO43G0’ = -7.3 kcal·mole-1 G0’ = -8 kcal·mole-1
O
O
O
O
P
P
P
O
O
H
O
..
O
O
O
O
O
HO
H
N
NH2
N
OH
N
N
O
P O
O
O
N
O
HO
NH2
N
OH
N
N
O
+
O
P
O
O
O
O
P
O
O
2
O
P
O
O
- 28 -
ATP e Mg++
• Nella cellula l’ATP è spesso complessato con lo
ione Mg++
O
O
O
O
P
P
P
O
O
O
O
Mg++
O
N
O
O
HO
NH2
N
OH
N
N
• Per formare un complesso ibridizzato …
- 29 -
Altre molecole “energetiche”
• Hanno G0’ negativo nella reazione di idrolisi del gruppo
fosfato.
G°’= -14.8 kcal·mole-1
G°’= -10.3 kcal·mole-1
O
O
P
O
H3C
O
O
H
H
O
Fosfoenolpiruvato
O
G°’= -10.3 kcal·mole-1
O
H
N
O
P
O
P
O
Acetilfosfato
O
O
O
NH2 +
N
H
O
O
Fosfocreatina
- 30 -
Come si fa a “ricaricare” l’ADP per formare ATP
• Attraverso la catalisi di un enzima (piruvato chinasi)
ADP
PEP
O
O
P
O
O
O
+
P
O
O
O
O
P O
O
N
O
O
H
H
HO
O
O
O
O
O
P
P
O
NH2
N
OH
piruvato chinasi
N
N
O
P O
O
O
O
O
HO
ATP
NH2
N
OH
N
O
OH
N
N
+
O
H
H
EP
O
O
H
H
H
O
Piruvato
- 31 -
Reazioni accoppiate
• L’idrolisi del fosfato permette, attraverso
l’accoppiamento, ad altre reazioni NON SPONTANEE di
avvenire ugualmente.
• L’ATP viene in genere usato dalla cellula come
trasportatore di fosfati e come donatore di energia
(sottoforma di G).
• Per produrre ATP un modo consiste nell’accoppiarne la
sintesi (da ADP e Pi) all’idrolisi di molecole con G di
idrolisi maggiore (in valore assoluto).
• Tutto ciò avviene attraverso…
- 32 -
…gli
ENZIMI
- 33 -
Enzimi
• Permettono l’accoppiamento di reazioni
chimiche:
–Nello stesso posto
–Nello stesso momento
- 34 -
Reazioni accoppiate
• Consideriamo l’equilibrio
A
Keq =
B
[B]eq
[A]eq
= 10
-
G°' = 4 kcal mole-1
G°'
RT
= 1.15 10-3 (a 25°C)
• Se la reazione è accoppiata all’idrolisi di ATP attraverso un
enzima:
A + ATP + H2O
Keq =
B + ADP + Pi + H+
[B]eq [ADP]eq [Pi]eq
[B]eq
[A]eq
[A]eq [ATP]eq
=
[ATP]eq
[ADP]eq [Pi]eq
G°' = -3.3 kcal mole-1
= 2.67 102
Keq
- 35 -
Reazioni accoppiate
• Nella cellula il rapporto:
[ATP]
[ADP] [Pi]
[B]eq
[A]eq
~ 500
= 2.67 102 x 500 = 1.34 105
1.34 105
~108
1.15 10-3
• In presenza di idrolisi di ATP la Keq di una reazione può
aumentare di 108 volte;
• Se l’idrolisi di una mole di ATP (-7.3 kcal) non bastano più
moli di ATP possono essere impiegate.
- 36 -
Reazioni accoppiate
AeB
• Non sono necessariamente due composti
chimici ma possono essere:
– differenti conformazioni di una molecola;
– differenti concentrazioni di uno ione ai lati di una
membrana,
– ecc…
– … stati iniziali e finali di una TRASFORMAZIONE!
- 37 -
Trasporto di elettroni
NAD+
nicotinamide adenindinucleotide
Acido nicotinico
O
O
OH
NH2
N
Nicotinamide
N
O
H
NH2
O
+
N
O
O
HO
O
P
O
O
P
O O
N
O
OH
HO
Nicotinamide
NH2
N
OH
N
N
Adenina
Dinucleotide
- 38 -
Trasporto di elettroni
Come funziona il NAD+
O
H
NH2
+
N
Stato ossidato
O
O
HO
O
O
P
P
O
O
NAD+
O O
HO
H
H
N
O
OH
NH2
N
N
N
OH
+ H+ + 2e(H-)
O
NH2
Stato ridotto
N
O
O
O
HO
O
P
O
O
P
+H+
NADH
O O
N
O
OH
HO
NH2
N
OH
N
N
- 39 -
Trasporto di elettroni
Come funziona il NAD+
Stato ossidato
Stato ridotto
- 40 -
Trasporto di elettroni
H
O
H
NH2
+
N
+
H+ +
NAD+
O
NH2
2e-
(H-)
R
H
N
R
NADH
• Trasporta DUE elettroni per molecola
• Reazione catalizzata dalle DEIDROGENASI
- 41 -
Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12)
H
come H
H
3-fosfogliceraldeide
GAP
H
Intermedio
tioacetalico
NAD+
G°' = +6.3 kJ mol-1
S
O
R
O
2
OH
CH2 OPO3--
B
3
+
NADH
NAD+
HPO4-NAD+
H
Complesso
H
S
H
O Enzima-substrato
O
Intermedio
aciltioestere
R
S
R
H
B
NAD H
H+
--O3 P
O
H
O
4
1
+
NADH
GAP
NAD+
NAD+
OH
CH2 OPO3--
1,3-bifosfoglicerato
1,3BPG
B
S
O
NAD+
5
O
O
S
H
P
O
OH
R
B
PO3-O
O + H+
H
B
+
R
1,3BPG
- 42 -
Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12)
NAD+
Cys
carbossimetilata
- 43 -
Trasporto di elettroni
NADP+
nicotinamide adenindinucleotide fosfato
H
O
NH2
O
+
N
O
O
HO
O
P
O
O
P
O O
N
O
OH
HO
NH2
N
N
O
O
P
N
O
O
Adenina Fosfato
Nicotinamide
Dinucleotide
- 44 -
Trasporto di elettroni
FAD (flavinadenindinucleotide)
(Forma ossidata)
O
H3C
N
H3C
N
Base di Shiff
ridotta
Ribosio in
forma aperta
NH
N
H
H
HO
O
H
H
OH
H
HO
O
O
O
P
O
O
P
O O
N
O
HO
NH2
N
OH
N
N
- 45 -
Trasporto di elettroni
FAD (flavinadenindinucleotide)
(Forma ossidata)
O
H3C
N
H3C
N
Base di Shiff
ridotta
Ribosio in
forma aperta
NH
N
H
H
HO
O
H
H
OH
H
HO
O
O
O
P
O
O
P
O O
N
O
HO
NH2
N
OH
N
N
- 46 -
Trasporto di elettroni
Come funziona il FAD
O
H3C
H3C
N
N
H
H
NH
N
R
FAD
(ossidato)
O
+
H
R
H3C
N
NH
R'
H3C
H
O
N
H
N
H
O
H
R'
R
H
+
R
FADHz
(ridotto)
- 47 -
Trasporto di elettroni
Il FAD è legato alle
proteine,
(in questo caso la
alcolvanillilico ossidasi)
- 48 -
Trasporto di acili
• Gli acili e
• gli acetili
O
R
H3C
O
• Vengono trasportati dal coenzima A (CoA)
acido pantotenico
HS
H
H
N
N
O
ADP
O
H OH
O
O H3C CH3
P
O
O
O
P
O O
N
O
-mercaptoetilamina
HO
NH2
N
OH
N
N
- 49 -
Trasporto di acili
• Attraverso la formazione di un legame tioestere
R
O
S
H
H
N
N
O
Legame tioestere
O
H OH
O
O H3C CH3
P
O
O
O
P
O O
N
O
HO
NH2
N
OH
N
N
- 50 -
Proteina acil-CoA
• Complesso tra la proteina legante acil-CoA, Coa e
palmitoile
- 51 -
Coenzimi
• Molecole non proteiche legate che permetto a
proteine di svolgere attività enzimatiche:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Tiamina (Vit. B1)  Tiamina pirofosfato
Riboflavina (Vit. B2)  FAD e FMN
Acido Nicotinico (niacina)  NAD+ e NADP+
Piridossina, piridossale, piridossamina (Vit. B6) 
Piridossalfosfato
Acido pantotenico  Coenzima A
Biotina  legata alla carbossilasi
Acido folico  Tetraidrofolato
Cobalamina (Vit. B12)  coenzimi a cobamide
Acido ascorbico  antiossidante
- 52 -
Tiamina
+
N
N
H3C
N
H3C
OH
NH2 CH
3
+
N
N
N
S
O
O
S
NH2 CH
3
P
P
O
O
O
O
O
- 53 -
Piridossina, piridossale, piridossamina
Piridossalfosfato
H
OH
H
OH
HO
+
N
H
H
O
H
OH
HO
+
N
CH3
H
CH3
H
O
O
P
H
NH2
OH
HO
+
N
CH3
H
O
O
OH
O
+
N
CH3
H
- 54 -
Piridossina, piridossale, piridossamina
Piridossalfosfato
- 55 -
Biotina
OH
S
O
CH3
H3C
NH
HN
O
- 56 -
Acido folico e acido tetraidrofolico
O
N
N
H 2N
N
N
H
H 2N
N
N
H
H
O
O
OH
OH
N
H
N
N
OH
H
N
O
O
OH
N
O
H
O
N
H
H
O
H
H
H
- 57 -
Cobalamina
H2N
O
NH2
O
H3C
H 2N
N
H
H3C
N
H2N
O
N
3+
H
Co
HN
R
CH3
CH3
CH3
CH3
O
NH2
O
CH3
H3C
O
HO
HO
N
NH2
N
OH
N
N
CH3
CN-
HN
O
H3C
HO
O
P
H2N
HN
O
O
OH
N
O
CH3
CH3
O
HO
- 58 -
Acido ascorbico
OH
O
H
HO
OH
H
O
- 59 -