18-Metabolismo e termodinamica

Introduzione al metabolismo
1
Metabolismo
“l’insieme dei processi attraverso i quali i sistemi
viventi scambiano 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)
=O
-O
-C-H
-2
-1
0
+1
10
11
(D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005)
http://www.genome.jp/kegg/metabolism.html
12
Aspetti termodinamici
13
14
(D.L. Nelson, M.M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd ed., Worth Publisher, 2000)
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, esse possono essere facilmente rese 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 relative15dei
substrati e dei prodotti”.
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 chiave difficilmente
reversibile (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
25
26
(D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005)
Reazioni accoppiate
27
(D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005)
28
(D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3° ed., John Wiley & Sons, 2004)
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
(D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005)
ΔG°’ = -19.2 kJ/mol
31
(D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005)
32
(D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3° ed., John Wiley & Sons, 2004)
Composti fosforilati “a bassa energia”
33
Adenilato kinasi: AMP + ATP Æ 2 ADP
34
ΔG°’ = - 31.5 kJ/mol
35
REAZIONI REDOX
36
(D. Voet, J.G. Voet,
C.W. Pratt,
Fundamentals of
Biochemistry, 2nd
ed., John Wiley &
Sons, 2005)
37
O2 puo’ accettare solo 1 elettrone alla volta
38
39
40
41
42
=O
-O
-C-H
-2
-1
0
+1
43
44
(D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005)