COMPOSTI AD ALTA ENERGIA

COMPOSTI AD ALTA ENERGIA
ENTALPIA: misura della variazione di energia di una
reazione condotta a pressione costante
∆H = ∆E + P∆V
ENTROPIA: misura del grado di disordine
S = k lnW
(k=cos di Boltzmann, cioè la cost dei gas R/n. di Avogadro; W numero di sottostati di uguale energia)
L’ENERGIA LIBERA DI GIBBS
G = H-TS
Questa funzione di stato tiene conto sia del termine entalpico
(H), che misura la variazione di energia a pressione costante, sia
di quello entropico (S), che valuta l’importanza del grado di
disordine.
Per una variazione di ENERGIA LIBERA (∆G) in un sistema a
temperatura e pressione costante possiamo scrivere:
∆G = ∆H - T∆S
Una diminuzione di energia (∆H negativo) e/o un aumento di
entropia (∆S positivo) sono tipici delle trasformazioni favorite, e
entrambe queste condizioni tenderanno a rendere il ∆G negativo.
Un processo in un sistema isolato a pressione e temperatura
costanti è favorito se il ∆G è NEGATIVO!!!
Le trasformazioni accompagnate da variazioni negative
dell’energia libera si dicono ESOERGONICHE e sono
termodinamicamente favorite, mentre le trasformazioni
accompagnate da variazioni positive dell’energia libera si
dicono ENDOERGONICHE e sono termodinamicamente
sfavorite (è favorita la reazione inversa).
Se ∆H = T∆S
allora
∆G = 0
Allora la trasformazione non è favorita né in un senso né
nell’altro: il sistema è all’equilibrio. In questa condizione la
reazione è reversibile, cioè, può essere spostata in
qualsiasi direzione da una spinta infinitesimale in un senso o
nell’altro.
Il segno del ∆G di un processo indica se questo processo,
oppure il suo contrario, sia termodinamicamente favorito.
Il valore assoluto del ∆G è indicazione di quanto il processo
sia lontano dall’equilibrio.
Molte reazioni necessarie per la vita sono ENDOERGONICHE (ad es.
trasporto contro gradiente di concentrazione), tali reazioni
intrinsecamente sfavorite possono essere rese termodinamicamente
favorite accoppiandole a reazioni fortemente esoergoniche.
A
B
∆G = + 10 kJ/mole
C
D
∆G = -30 kJ/mole
se la cellula riuscirà ad accoppiare queste due reazioni il ∆G per il processo
complessivo sarà dato dalla somma algebrica dei singoli valori :
A
B
∆G = + 10 kJ/mole
C
D
∆G = -30 kJ/mole
B+D
∆G = -20 kJ/mole
A+C
L’equilibrio del processo complessivo risulta ora molto spostato a destra.
B risulta quindi efficientemente prodotto a partire da A.
“Il composto C”: COMPOSTI AD ALTA ENERGIA
A
B
∆G = + 10 kJ/mole
C
D
∆G = -30 kJ/mole
Alcune
molecole
hanno
un’energia standard di idrolisi
fortemente negativa (∆G),
ossia i prodotti di reazione
hanno contenuto energetico
molto minore di quello del
substrato di partenza.
Il composto in sé non ha più
energia, né il legame è un
legame speciale (anzi la
rottura di un legame costa
sempre energia).
E’ il ∆G di idrolisi ad essere
altamente esoergonico.
FATTORI CHE CONTRIBUISCONO A RENDERE negative LE ∆G DI
IDROLISI DEI COMPOSTI A ALTA ENERGIA
1. Delocalizzazione degli elettroni del legame O-P:
la stabilizzazione per risonanza
del Pi comporta che i prodotti
siano + stabili dei reagenti, cioè
a uno stato energetico inferiore.
Le diverse forme di risonanza
(W) fanno aumentare l’entropia
del sistema (S = k lnW) che
influisce sul ∆G (∆G = ∆H - T∆S)
facendolo aumentare.
2. Ulteriore idratazione dei prodotti di idrolisi: il rilascio del Pi aumenta le possibilità di
idratazione, specialmente quando i prodotti sono carichi. Tale idratazione è uno stato
energeticamente favorito.
3. Repulsione elettrostatica tra prodotti carichi: nella maggior parte dei casi l’idrolisi di
tali molecole a alta energia genera prodotti carichi, la repulsione tra questi prodotti ionici
favorisce fortemente la reazione di idrolisi.
4. Aumento di stabilizzazione per risonanza delle molecole prodotte: in alcuni casi non è
solo il Pi che si stabilizza per risonanza ma anche la restante parte della molecola
(PEP→ piruvato).
Le categorie di composti ad alta energia più importanti sono due:
TIOESTERI
COMPOSTI FOSFORILATI
I tioesteri rispetto agli esteri normali hanno un livello energetico più alto.
Negli esteri normali vi è una delocalizzazione degli elettroni π, che
conferisce
carattere
di
parziale
doppio
legame
al
C-O.
Nei tioesteri le maggiori dimensioni dell’S riducono il grado di
delocalizzazione, risulta quindi ridotto il grado di stabilizzazione per
risonanza→ ∆G di idrolisi maggiore.
TIOESTERE
O
C H3
C
S
R
Stabilizzazione
dell’estere per
risonanza
∆G di idrolisi
del tioestere
C H3
ESTERE NORMALE
O
C H3
C
O
R
Stabilizzazione per risonanza
∆G di idrolisi
dell’estere normale
O
-
C
O
-
Acetil-CoA + H2O
Acetil-CoA
acetato + CoA + H+ (∆G°= -32,2 kJ/mole)
O
CH3
C
SCoA
H2O
IDROLISI
CoASH
O
Acido Acetico
CH3
C
OH
H+
O
Acetato
CH3
C
-
O
Stabilizzazione per risonanza
IONIZZAZIONE
I composti fosforilati presenti nelle cellule possono essere
distinti in due gruppi in base alla loro energia libera di idrolisi:
A BASSA ENERGIA (∆G < -25 kj/mole)
A ALTA ENERGIA (∆G > -30 kj/mole)
MOLECOLE AD ALTA ENERGIA E RELATIVI ∆G
COMPOSTO FOSFORILATO
kJ/mole
Fosfoenolpiruvato
-61.9
1,3bifosfoglicerato (→3fosfoglicerato +Pi)
-49.3
fosfocreatina
ADP (→AMP+ Pi)
-43.0
ATP(→ADP+ Pi)
-30.5
AMP (→adenosina+ Pi)
-14.2
ATP(→AMP+ PPi)
-32.2
PPi(→2Pi)
-33.4
Glucosio-1-P
-20.9
Fruttosio-6-P
-15.9
Glucosio-6-P
-13.8
Glicerolo-1-P
-9.2
Acetil-CoA
-31.4
Il PEP, quando viene idrolizzato, genera piruvato che esiste in due forme
tautomeriche (enolica e chetonica) molto più stabili del substrato iniziale.
PEP3- + H2O
O- O
O
-
C
C
CH2
PEP
O
piruvato + Pi (∆G°= -61,9 kJ/mole)
O
P
O
H2 O
-
PI
O
O
idrolisi
-
C
C
O
OH
O
-
tautomerizzazione
CH2
PIRUVATO
forma enolica
C
O
C
CH3
PIRUVATO
forma chetonica
ATP: adenosina trifosfato
Un discorso speciale merita la
molecola di ATP che pur avendo un
∆G di idrolisi meno negativo è il
composto
ad
alta
energia
universalmente
utilizzato
nei
sistemi biologici per le reazioni
accoppiate, le biosintesi, il lavoro
meccanico, osmotico, etc…
ATP 4- + H2O
ADP3- + Pi2- + H+
O
O
-
O
P
O
O
P
-
O
O
O
-
P
O
O
OH
-
Stabilizzazione
per risonanza
-
O
-
-
3
O
O
P
O
-
P
O
O
O
O
-
P HO
P
O
-
O
P
O
O
+
O
Ad e nina ADP
Rib
2-
-
ionizzazione
O
-
Ad e nina
Rib
O
-
H
O
ATP 4-
Idrolisi con rimozione della
repulsione tra le cariche
H2 O
O
(∆G° = -30,5 kJ/mole)
H+
O
-
P
O
O
O
P
O
Rib
Ad e nina
ADP 3-
O-
La reazione di idrolisi del legame fosfoanidridico genera due prodotti: ADP e Pi.
Il primo si ionizza rilasciando un protone, il secondo si stabilizza per risonanza.
∆G TEORICO E REALE
I ∆G di idrolisi delle molecole considerate differiscono dai ∆G reali
perché all’interno della cellula la concentrazione di ATP, ADP e Pi sono
molto inferiori alla concentrazione standard 1M rispetto alla quale il
∆G° è calcolato.
Anche il pH può non essere 7 e la temperatura può non essere 25°C,
tali valori dipendono in genere dalla specie considerata.
Equazione che descrive il ∆G reale di idrolisi dell’ATP, considerando il
pH=7:
∆G = ∆G° + RT ln [ADP] [Pi ] / [ATP]
Anche ammettendo pH 7 e T=25°C la ∆G reale in base alle
concentrazioni passa da -30.5 kj/mole a -51.8 kj/mole nel globulo
rosso.
Pertanto il ∆Greale varia da una cellula all’altra e nel tempo in base alle
condizioni metaboliche.
Se poi si corregono T, pH e presenza di ioni si hanno ulteriori
fluttuazioni: nel caso dell’ATP, ad es., il Mg++ può mascherare
cariche negative, modificando dei gruppi fosforici.
∆Greale per ATP: -50 kj/mole
-65 kj/mole
Mg ATP2-
O
O
P
O
O
P
O
O
O
Mg
P
O
R ib
A d e n in a
O
++
O
O
O
P
Mg ADP-
O
O
P
O
O
Mg
++
O
R ib
A d e n in a
Generalmente l’idrolisi dell’ATP nelle reazioni accoppiate
comprende 2 fasi:
1.a) trasferimento del gruppo Pi sul substrato o dell’AMP
sul substrato o enzima.
(caso I)
ATP
ADP + Pi
ATP
AMP + PPi (caso II)
1.b) conseguente aumento di E libera (∆G) di substrato o
enzima.
2. Rilascio Pi o AMP.
Esistono tuttavia casi in cui la scissione dell’ATP in sè
fornisce l’energia atta a far cambiare conformazione ad es.
ad una proteina carrier.
caso I
C OO -
NH3
+
ATP
CH
C OO -
ADP P I
NH3 +
NH3
Glutammina sintetasi
C H2
C H2
C H2
C H2
C
O
CH
C
O
-
glutammato ATP
ADP
NH3 +
L’ATP fosforila il Cδ del
glutammato formando così
un’anidride tra il gruppo
carbossilico e l’acido fosforico,
che subisce un attacco
nucleofilo da parte dell’N
O
dell’ammoniaca dando origine al
prodotto ammidico: la
glutammina.
O
PI
C OO -
NH2
glutammina
NH3
CH
C H2
C H2
δ
C
O
O
P
O-
O-
Glutammil fosfato
caso II
CICLO DELLA BIOLUMINESCENZA DELLE LUCCIOLE
N
OH
S
H
COO
H
H
N
S
Luciferina delle lucciole
OH
N
OH
S
N
S
H
C
H
H
O
O
P
O
Adenina
O
Luciferina adenilato
AMP
Luciferina
adenilato
La transizione da
luciferina-adenilato a
ossi-luciferina consente
l’emissione di fotoni.
Rib
PP I
O2
Luce
CO2 + AMP
ATP
Ossiluciferina
Luciferina
reazioni di rigenerazione
COMPOSTI FOSFORILATI A BASSA ENERGIA
I composti fosforilati a potenziale più negativo possono trasferire il
gruppo fosforico all’ADP per dare ATP il quale può trasferirlo ai
prodotti di idrolisi (es.fruttosio) dei composti a ∆G meno negativo
(es. a dare F6P).
I composti fosforilati a “bassa energia” sono tali perché i loro
prodotti di idrolisi non possono avere stabilizzazioni per risonanza
(sono alcooli).
-CH2OPi
CH2
OH
In questo contesto l’ATP si comporta come una moneta di scambio
universale.
∆G
-70
1,3-bifosfoglicerato
-60
-50
O
O
fosfoenolpiruvato
COO-
P
C
C
CHOH
CH2
CH2
O
P
fosfocreatina
O P
P CREATINA
-40
-30
ADENINA
Rib
P
P
P
Composti
ad alta
energia
ATP
-20
-10
GliceroloP
Glucosio6P
Pi
Composti
ad bassa
energia