Prof. Giorgio Sartor Nucleotidi e coenzimi Copyright © 2001-2012 by Giorgio Sartor. Versione 1.6.2 – apr 2012 All rights reserved. Basi azotate • Le basi azotate coinvolte nella formazione di nucleotidi e coenzimi appartengono a due famiglie principali: 6 5 – Purine N1 N 7 8 9 3 2 4 N N H 4 – Pirimidine N 2 V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 5 3 1 6 N Nucleotidi e coenzimi -2- 1 Purine • Le basi puriniche sono: NH2 6 Adenina - A N N 6-amminopurina N N H OH 6 Guanina - G N N 6-idrossi-2-aminopurina 2 N H 2N V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N H Nucleotidi e coenzimi -3- Purine • La struttura delle basi puriniche è legata alla tautomeria cheto-enolica: H H3C O H 3C CH3 CH3 H 3C H O CH3 Guanina - G OH N N H2N V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N O O N H N HN H 2N N Nucleotidi e coenzimi N H N HN HN N H N H -4- 2 Pirimidine • Le basi pirimidiniche sono: Timina - T O CH3 HN 2,4-diidrossi-5-metilpirimidina O N H NH2 Citosina – C N 2-idrossi-4-amminopirimidina O N H O Uracile - U HN 2,4-diidrossipirimidina O V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N H Nucleotidi e coenzimi -5- Pirimidine • Anche la struttura delle basi puriniche è legata alla tautomeria cheto-enolica: H Timina (Uracile) H 3C O H 3C CH3 CH3 OH HO O CH3 HN N HO Citosina O N N H NH2 N N HO CH3 HN NH2 V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 CH3 O CH3 N H H 3C O N Nucleotidi e coenzimi O N H -6- 3 Solubilità • Le basi azotate sono insolubili in acqua, la loro solubilità è aumentata dal legame con molecole molto idrosolubili: CH2OH O OH OH O HO • ribosio OH HO OH OH CH2OH O • 2-deossiribosio OH O OH HO HO OH V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi -7- Ribosio e 2-deossiribosio β-ribosio CH2OH O OH V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 2-deossi-β-ribosio CH2OH OH O OH OH OH Nucleotidi e coenzimi -8- 4 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 NH2 N N N CH2OH OH NH2 N CH2OH O N HO 1' 4' N O OH O N N H 5' N N N N OH 2' 3' OH OH OH OH V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi -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 P O O P HO O 5' N 3' 2' OH Nucleotidi e coenzimi N O 5' O 1' 4' OH V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 O O O N N O N N O NH2 N N 1' 3' OH OH - 10 - 5 Nucleotidi • Più in generale: O P O BASE AZOTATA O O BASE AZOTATA --O3PO 5' 5' O O 1' 1' 3' 3' OH V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 OH OH OH Nucleotidi e coenzimi - 11 - Deossinucleotidi • Più in generale: O P O O V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 BASE AZOTATA O BASE AZOTATA --O3PO 5' O 5' O 1' 3' 3' OH OH Nucleotidi e coenzimi 1' - 12 - 6 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 N O 5' O O P O 3' O OH V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 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 P O O P O O O N N 5' O NH2 O N N O O O NH2 OH P N N N N 5' O 2 Deossinucleotide N N N O O N P O O O O O P Nucleotide O Acido ribonucleico (RNA) V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N 3' OH P N O O 3' O N N Nucleotidi e coenzimi O Deossinucleotide O Acido deossiribonucleico (DNA) - 14 - 7 Nucleotidi e acidi nucleici RNA V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 DNA Nucleotidi e coenzimi - 15 - Nucleotidi liberi NH2 O P O O P O • I monofosfonucleotidi hanno la possibilità di essere ulteriormente fosforilati per formare i difosfonucleotidi (ADP) e i trifosfonucleotidi (ATP) N N O N N O O 5' O 1' 3' OH OH NH2 O O P O O O P O O P O N N O N N O 5' O 1' 3' OH V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi OH - 16 - 8 Nucleotidi liberi • I monofosfonucleotidi hanno la possibilità di essere ulteriormente fosforilati per formare i difosfonucleotidi (ADP) e i trifosfonucleotidi (ATP) V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 17 - Nucleotidi liberi • I legami che tengono insieme i residui di fosfato sono legami di tipo anidridico. NH2 O P O O P O N N O N N O O 5 O 1 3 OH O V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 O O P O OH O + 3H2O P O 2 P OH O + 4 H+ O Nucleotidi e coenzimi - 18 - 9 ADP e ATP • Legami di tipo anidridico • Legami di tipo fosfoestereo NH2 O O P P O O O NH2 N N O N P O O O O OH P O P O O OH N N O O OH ADP V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N N O N O O O OH ATP Nucleotidi e coenzimi - 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 • … V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 20 - 10 V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 21 - Energia O O P • ATP O O O O P P O N O O O O NH 2 N N N HO OH ∆G0’ = -7.3 kcalmole-1 O • ADP O P O O N P O O O O NH2 N N N HO OH ∆G0’ = -15.3 kcalmole-1 O • AMP O P N O O O NH2 N N N HO • GTP O P O O O O P O OH O O P N O O O O N N HO NH OH NH2 V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 22 - 11 Trasporto di energia ATP + H2O → ADP + PO43∆G°’ = -7.3 kcalmole-1 (-30.6 kJmole-1) a pH 7 ∆G° = -10 kcalmole-1 (-42 kJmole-1) a pH 9 O P O O O O O P O P .. O H N O O O O N HO H O O O P NH2 N O + O P O N OH O O N P O O O O N HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 NH2 N N OH Nucleotidi e coenzimi - 23 - ∆G°’ • Il valore di ∆G°’ dipende da: – Forza ionica – Concentrazione di Mg++ – Concentrazione di Ca++ • Nelle normali condiziono cellulari vale circa: -12 kcalmole-1 • I nucleotidi sono contemporaneamente: – – – – Stabili Solubili Carichi Reattivi V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 24 - 12 ∆G°’ • Altre molecole fosforilate hanno ∆G°’ negativo O P O O O O P O O O O P O O .. O H N O N O P + O O P O O O N P O O O NH2 N O N N HO H O NH2 N HO OH N OH ∆G°’ = -7.3 kcalmole-1 O O H H H HO H OH HO H H H HO OH O OH H H + O P OH O O O O ∆G°’ = -3.3 kcalmole-1 H HO P OH O O .. O H H V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 25 - Perché il ∆G°’ dell’ATP vale -30.6 kJmole-1? • Repulsione tra cariche – Maggiore in ATP che in ADP O O P P O O O P O O O N O O NH2 N O N N HO O O P O OH O O P N O O O NH2 N N HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N OH Nucleotidi e coenzimi - 26 - 13 Perché il ∆G°’ dell’ATP vale –7.3 kcalmole-1? • Stabilizzazione per risonanza – Del fosfato 3-, H+ O O O P O P O O O O = O P O O P O P O O O O 3-, H+ O O O O V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 27 - Trasporto di energia ATP + H2O → AMP + P2O74- → 2PO43∆G0’ = -7.3 kcalmole-1 ∆G0’ = -8 kcalmole-1 O O O P P O O O O P O .. O H N O O O N N HO H NH2 N OH O O N P O O O NH2 N + N HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 OH N O O O P P O O Nucleotidi e coenzimi O O O 2 O P O O - 28 - 14 ATP e Mg++ • Nella cellula l’ATP è spesso complessato con lo ione Mg++ O O P P O O O O O O P N O O O NH2 N N HO Mg++ N OH • Per formare un complesso ibridizzato … V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 29 - Altre molecole “energetiche” • Hanno ∆G0’ negativo nella reazione di idrolisi del gruppo fosfato. ∆G°’= -14.8 kcalmole-1 ∆G°’= -10.3 kcalmole-1 ∆G°’= -10.3 kcalmole-1 O O P O O O N O O H O P P O O H NH2+ H H 3C O O O N H O O O Fosfoenolpiruvato V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Acetilfosfato Nucleotidi e coenzimi Fosfocreatina - 30 - 15 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 + H P O O O O N P O O O O H O O P P O O O O OH O O O NH2 N N O OH N P O O HO N OH ATP V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 piruvato chinasi N N HO O NH2 N + O H H O H H O EP H O Piruvato Nucleotidi e coenzimi - 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… V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 32 - 16 …gli V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 ENZIMI Nucleotidi e coenzimi - 33 - Enzimi • Permettono l’accoppiamento di reazioni chimiche: –Nello stesso posto –Nello stesso momento V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 34 - 17 Reazioni accoppiate • Consideriamo l’equilibrio A [B]eq Keq = ∆G°' = 4 kcal mole -1 B = 10 [A]eq - ∆G°' RT = 1.15 10-3 (a 25°C) • Se la reazione è accoppiata all’idrolisi di ATP attraverso un enzima: A + ATP + H2O B + ADP + Pi + H+ ∆G°' = -3.3 kcal mole -1 [B]eq [ADP]eq [Pi]eq Keq = [B]eq [A]eq V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 = 2.67 102 [A]eq [ATP]eq = [ATP]eq [ADP]eq [Pi]eq Keq Nucleotidi e coenzimi - 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 1.15 10-3 ~108 • 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. V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 36 - 18 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! V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 37 - Trasporto di elettroni NAD+ nicotinamide adenindinucleotide Acido nicotinico O O OH NH2 N H Nicotinamide N O NH2 N + O O O HO O P O O P O O N O OH NH2 N N HO Nicotinamide N OH Adenina Dinucleotide V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 38 - 19 Trasporto di elettroni Come funziona il NAD+ O H NH2 + N Stato ossidato O O O HO O P O O NAD+ P O O N O OH NH2 N + H+ + 2eN N HO H H (H-) OH O NH2 Stato ridotto N O O O HO O P O O NADH P O O N O OH NH2 N N HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N OH Nucleotidi e coenzimi - 39 - Trasporto di elettroni Come funziona il NAD+ Stato ossidato V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Stato ridotto Nucleotidi e coenzimi - 40 - 20 Trasporto di elettroni H O H NH2 N O H NH2 + H+ + 2e- + N (H-) R R NAD+ NADH • Trasporta DUE elettroni per molecola • Reazione catalizzata dalle DEIDROGENASI V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 41 - Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12) ∆G°' = +6.3 kJ mol-1 come H H 3-fosfogliceraldeide GAP H S O R O H 2 H Intermedio tioacetalico NAD+ OH CH2OPO3-HPO4 B 3 + NADH NAD+ -- NAD+ H S H O Complesso Enzima-substrato O Intermedio aciltioestere R S R H B NAD H O 1 NADH GAP NAD+ O 5 OH CH2OPO3-S 1,3-bifosfoglicerato 1,3BPG O NAD+ NAD+ H + 4 H+ --O3P B O O S H P O OH R B PO3-O O + H+ H B + R 1,3BPG V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 42 - 21 Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12) NAD+ Cys carbossimetilata V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 43 - Trasporto di elettroni NADP+ nicotinamide adenindinucleotide fosfato H O NH2 + N O O O HO O P O O P O O N O OH NH2 N N HO O O P N O O Adenina Fosfato Nicotinamide Dinucleotide V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 44 - 22 Trasporto di elettroni FAD (flavinadenindinucleotide) (Forma ossidata) O H3C N H3C N Base di Shiff ridotta NH N H H Ribosio in forma aperta O H HO OH H H HO O O O P O O P O O N O NH2 N N N HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 OH Nucleotidi e coenzimi - 45 - Trasporto di elettroni FAD (flavinadenindinucleotide) (Forma ossidata) O H3C N H3C N Base di Shiff ridotta Ribosio in forma aperta NH N O H H H HO OH H H HO O O O P O O P O O N O NH2 N N HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N OH Nucleotidi e coenzimi - 46 - 23 Trasporto di elettroni Come funziona il FAD H O H3C N H3C N H NH N O H3C H O N NH R' + R H3C H N H R N H H R' R H + O R FADHz (ridotto) FAD (ossidato) V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 47 - Trasporto di elettroni Il FAD è legato alle proteine, (in questo caso la alcolvanillilico ossidasi) H H OH O H O OH CH3 Alcool Vanillico V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 O OH CH3 Aldeide Vanillica (Vanillina) Nucleotidi e coenzimi - 48 - 24 Trasporto di acili O • Gli acili e R • gli acetili H 3C O • Vengono trasportati dal coenzima A (CoA) acido pantotenico HS H H N N ADP O H OH O P O H3C CH3 O O O O P O O N O NH2 N β -mercaptoetilamina N HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N OH Nucleotidi e coenzimi - 49 - Trasporto di acili • Attraverso la formazione di un legame tioestere O R S H H N N O O H OH O O H3C CH3 P O O P O O N O NH2 N N Legame tioestere V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 O HO Nucleotidi e coenzimi N OH - 50 - 25 Proteina acil-CoA • Complesso tra la proteina legante acil-CoA, Coa e palmitoile V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 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; Vit. B3) → 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 (Vit. C) → antiossidante V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 52 - 26 Tiamina (Vit. B1) H N N S + OH H3C N NH2 CH 3 O H N N O S + N O O O O O H3C P P NH2 CH 3 V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 53 - Piridossina, piridossale, piridossamina Piridossalfosfato (Vit. B6) H OH H OH HO N + H H O H OH HO CH3 N H + CH3 H O P O NH2 OH HO N + CH3 H H O O OH O N + CH3 H V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 54 - 27 Piridossina, piridossale, piridossamina Piridossalfosfato V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 55 - Biotina OH S O CH3 H3C NH HN O V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 56 - 28 Acido folico e acido tetraidrofolico O N N H2N N N O N H2N OH N H O O OH H N O H OH N O H O H N N H N H N H H H OH O H V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 57 - Cobalamina (Vit. B12) H2N O NH2 O H3C H 2N NH2 O CH3 H3C N O H3C H2N N H N 3+ H Co N HN HO CH3 NH2 N R OH N N CH3 CH3 CH3 CH3 O O HO CNHN O H3C HO P O O O OH H2N O HN CH3 N CH3 O HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 58 - 29 Acido ascorbico (Vit. C) OH O OH H H HO O H + H O H V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 59 - V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 60 - 30 Crediti e autorizzazioni all’utilizzo • Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica: – CHAMPE Pamela , HARVEY Richard , FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BIOCHIMICA [ISBN 9788808-17030-9] – Zanichelli – NELSON David L. , COX Michael M. I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER - Zanichelli – GARRETT Reginald H., GRISHAM Charles M. BIOCHIMICA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli – VOET Donald , VOET Judith G , PRATT Charlotte W FONDAMENTI DI BIOCHIMICA [ISBN 9788808-06879-8] - Zanichelli • E dalla – – – – consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali: Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes http://www.genome.ad.jp/kegg/ Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/ Protein Data Bank: http://www.rcsb.org/pdb/ Rensselaer Polytechnic Institute: http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/MB1index.html • Il materiale è stato inoltre rivisto e corretto dalla Prof. Giancarla Orlandini dell’Università di Parma alla quale va il mio sentito ringraziamento. Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: http://www.ambra.unibo.it/giorgio.sartor/ oppure da http://www. gsartor.org/ Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l’autore usando questa frase: Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor Università di Bologna a Ravenna Giorgio Sartor - [email protected] 31