Metabolismo e Bioenergetica

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1 Metabolismo e Bioenergetica

2 Una cellula è in grado di eseguire centinaia di reazioni simultaneamente, controllando ogni sequenza di reazioni in modo tale da impedire accumuli indesiderati o carenze di metaboliti intermedi o prodotti finali. Metabolismo = Catabolismo + Anabolismo Catabolismo: processi che riguardano la degradazione di sostanze complesse (reazioni di natura ossidativa, producono energia). Anabolismo: processi che riguardano soprattutto la sintesi di sostanze organiche complesse (reazioni di natura riduttiva, richiedono energia).

3 Iprocessicatabolici sono quantitativamente prevalenti: il 90% del metabolismo è inteso a produrre energia. Sia le vie cataboliche che quelle anaboliche avvengono a 3 stadi di complessità. Stadio 1: interconversione dei polimeri e dei lipidi complessi negli intermedi monomerici. Stadio 2: interconversione o degli zuccheri monomerici, o degli aminoacidi e dei lipidi in composti organici ancora più semplici. Stadio 3: degradazione finale a composti organici semplici tra cui CO 2, H 2 O e NH 3, oppure la sintesi a partire da tali composti.

4 I processi catabolici procedono verso il basso e quelli anabolici verso l alto: esiste una regolazione reciproca (la stimolazione di una via anabolica inibisce la corrispondente via catabolica e viceversa). Catabolismo e metabolismo sono processi complementari: i prodotti del catabolismo (come l ATP) vengono utilizzati dai processi anabolici e viceversa (ADP).

5 Metabolismo intermedio: biosintesi, utilizzo e degradazione dei composti a basso peso molecolare (metaboliti). Metabolismo energetico: parte del metabolismo intermedio che consiste nell insieme di quelle vie che immagazzinano e generano energia metabolica. Vie metaboliche centrali: responsabili della manipolazione di quantità di materia e di energia metabolica.

6 Tutti i processi metabolici progrediscono a tappe: 1. Possibilità di utilizzare in vari modi i metaboliti intermedi (variabilità); 2. Possibilità di controllare i processi metabolici a vari livelli (regolazione); 3. Possibilità di catturare energia liberata dalle reazioni cataboliche e di rifornire di energia le reazioni anaboliche (efficienza). NB: Ogni via metabolica risulta dall attività sequenziale di una serie di enzimi che operano a catena.

7 La maggior parte degli organismi ricava sia il materiale grezzo che l energia per la biosintesi, da molecole organiche come il glucosio. Le vie centrali del metabolismo comportano l ossidazione i di queste molecole l e la sintesi i di piccole biomolecole dai frammenti che ne risultano; queste vie sono presenti in tutti gli organismi aerobi (in presenza di ossigeno). Esiste una distinzione all interno degli organismi per l origine delle molecole da cui viene tratta energia: autotrofi ed eterotrofi. Organismi autotrofi (che si nutrono da sé): possono sintetizzare il glucosio, ed i loro composti organici, da carbonio inorganico (CO 2 )(Piante: fissazione fotosintetica della CO 2 ). Organismi eterotrofi (che si nutrono a spese di altri): possono sintetizzare i loro metaboliti organici solo da altri composti organici di cui si devono nutrire (Animali: si nutrono di piante o di altri animali).

8 Le vie degradative e quelle biosintetiche devono essere regolate separatamente per evitare cicli futili. Es.: Che cosa accadrebbe se sintesi e degradazione di acidi grassi avvenissero nello stesso compartimento cellulare in condizioni non controllate? Le unità a due atomi di carbonio rilasciate durante l ossidazione verrebbero immediatamente utilizzate nella biosintesi (= ciclo futile). ) NB: Il ciclo futile non compie alcun lavoro utile ed il risultato netto è semplicemente il consumo di ATP,, utilizzato nelle reazioni endoergoniche della sintesi degli acidi grassi.

9 Modalità di produzione di energia metabolica Una reazione termodinamicamente non favorita (endoergonica) potràprocedere senza difficoltà nella direzione non favorita solo se può essere accoppiata ad una reazione termodinamicamente favorita (esoergonica). La maggior parte di energia libera richiesta per promuovere le reazioni biochimiche deriva dall ossidazione dei substrati organici. Ossigeno: accettore finale di elettroni negli organismi aerobici, è un potente ossidante; possiede una spiccata tendenza ad attrarre elettroni e di conseguenza a ridursi. NB: Nelleossidazioni biologiche, le reazioni di ossidazione intrappolano energia g, pp g sotto forma di energia chimica (ATP).

10 La bioenergetica descrive come gli organismi ottengono, indirizzano, ed usano l energia. Basandosi sui principi della termodinamica e sul concetto di energia libera (G), misura la possibilità di una reazione di procedere da un punto di vista energetico e predice la spontaneità di un processo.

11 L energia libera di Gibbs (G): indicailversonel quale una reazione chimica procede spontaneamente ΔG = variazione di energia libera ΔG = variazione di energia libera standard, reagenti e prodotti si trovano alla concentrazione di 1 mol/l Entalpia ΔH: (Variazione energetica) calore che viene prodotto in una reazione a pressione costante Entropia ΔS: misura della casualità o disordine di un sistema Perché i processi chimici e fisici hanno una direzione termodinamicamente favorita? 1 spiegazione: i sistemi tendono sempre al più basso stato di energia. 2 spiegazione: i sistemi di molecole tendono naturalmente al disordine

12 La variazione di energia libera ΔG predice il verso di una reazione a temperatura e pressione costanti Trasformazioni esoergoniche: variazioni negative dell energia libera (ΔG < 0). ) Perdita netta di energia: reazione spontanea. Trasformazioni endoergoniche: variazioni positive dell energia libera (ΔG > 0). Guadagno netto di energia: reazione NON spontanea, richiede energia dall esterno. In condizioni di equilibrio ΔG = 0 (ΔH = TΔS), la trasformazione è reversibile.

13 Le reazioni termodinamicamente sfavorite possono diventare favorite se accoppiate a reazioni altamente esoergoniche (ΔG <0). I composti del fosfato ad alto contenuto energetico hanno energie libere di idrolisi altamente negative. ATP consiste in una molecola di adenosina (adenina + ribosio) alla quale sono uniti 3 gruppi fosfato. L energia libera di idrolisi dell ATP è pari a circa cal/mol per ciascuno dei gruppi fosfato terminali. ΔG grande e negativo = composto ad alta energia

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15 Occorre sottolineare che i valori di ΔG dell ATP non rappresentano i valori reali di ΔG che si riscontrano in condizioni biologiche, perché: 1. IlΔGdipende dalla temperatura e diversi organismi vivono a temperature diverse; 2. AncheseilΔG èdefinitoaph 7.0, il ph può variare da 6.5 a 8.0 nelle diverse cellule; 3. Gli ioni bivalenti, come Mg 2+, hanno affinità con i reagenti ed i prodotti dell idrolisi dell ATP (il legame con il Mg 2+ introduce una distorsione della molecola di ATP che favorisce l idrolisi). Variando il livello di Mg 2+ il ΔG varierà in modo complesso; 4. Leconcentrazioni cellulari effettive di ATP, ADP e P i sono molto diverse dal valore standard d di 1 M (in una cellula l batterica sono rispettivamente t di 8, 1 e 8 mm). L effettivo valore di ΔG potrebbe essere di 50 kj/mol!).

16 L idrolisi di ATP nelle condizioni cellulari L idrolisi Lidrolisididi ATP può procedere in due direzioni: per produrre adenosina difosfato (ADP) e ortofosfato (P i ); oppure, se la rottura avviene a livello del secondo legame fosfodiesterico per produrre adenosina monofosfato (AMP) e pirofosfato (PP i ). NB: La prima reazione è più frequente in vivo, ma la resa energetica èlastessain entrambe le direzioni. La scissione del pirofosfato permetteun ulterioreidrolisidel composto con liberazione di energia. L AMP non è una molecola ad alto contenuto energetico, se idrolizzata produce 1 molecola di adenosina non carica.

17 L ATP come moneta di scambio dell energia L energia di legame fosforico ( P) è conservata nel legame γ dell ATP. L energia chimica immagazzinata nei legami fosfoanidridici dell ATP può essere convertita in altre forme di energia. NB: Non esistono evidenti ragioni g chimiche per cui altri nucleosidi trifosfati non possano avere lo stesso ruolo dell ATP; il GTP fornisce energia durante la sintesi delle proteine.

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19 Molecole ad alta energia diverse dall ATP: il fosfoelonpiruvato (PEP)

20 1,3-bisfosfoglicerato

21 Fosfocreatina

22 Acetil-coenzima A

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24 Le concentrazioni di ATP intracellulari oscillano tra 2e5mM(nei batteri anche 8 mm, più alte degli altri nucleosidi trifosfati). L ATP èmoltopiù abbondante di ADP e AMP. Per questi motivi, esiste una forte tendenza termodinamica che spinge alla conversione dell ATP in ADP e AMP ealrilascio di energia che viene usata per la sintesi di altri composti ad alta energia.

25 Principali meccanismi di controllo del metabolismo 1. Controllo dell attività enzimatica (concentrazione del substrato, regolazione allosterica, modificazioni covalenti); 2. Controllo della concentrazione di un enzima (regolazione della sintesi e della degradazione); d 3. La compartimentazione (il destino di un metabolita è regolato dal suo flusso attraverso la membrana). 4. Ormoni (messaggeri chimici).

26 Accanto al trasferimento dei gruppi fosforici, sono anche di cruciale importanza per il metabolismo le reazioni di trasferimento degli elettroni. Queste reazioni di ossidoriduzione implicano la perdita di elettroni da una specie chimica, che si ossida, e l acquisizione di elettroni da parte di un altra specie chimica, che si riduce. Negli organismi non fotosintetici i donatori di elettroni sono le sostanze nutrienti in forma ridotta.

27 Negli organismi viventi la maggior parte dell energiaenergia libera richiesta per le reazioni biochimiche deriva dall ossidazione dei substrati organici. L ossigeno è un potente ossidante con una spiccata tendenza ad attrarre elettroni e ridursi. La maggior parte delle ossidazioni biologiche non comporta trasferimento diretto di elettroni da un substrato ridotto all ossigeno, ma si verifica una serie di reazioni accoppiate di ossidoriduzione in cui gli elettroni vengono trasferiti attraverso una serie di trasportatori intermedi e poi trasferiti all O 2 Questa sequenza di reazioni viene detta la catena di trasporto degli elettroni o catena respiratoria, mentre l O 2 è detto accettore finale di elettroni.

28 Tra due specie chimiche con una diversa affinità per gli elettroni, si crea un flusso di elettroni che procede spontaneamente da una all altraaltra guidato dalla forza elettromotrice (fem) La fonte di elettroni può essere una molecola ridotta; quando attraverso una reazione enzimatica questa molecola viene ossidata, gli elettroni rilasciati fluiscono spontaneamente attraverso una serie di trasportatori intermedi fino a raggiungere g una specie chimica con elevata affinità per gli elettroni come l ossigeno. Questo processo è spontaneo ed esoergonico

29 Nei sistemi i biologici i i l ossidazione i è spesso sinonimo i di deidrogenazione. Molti enzimi che catalizzano le reazioni di ossidazione sono chiamati deidrogenasi. Le molecole più ridotte sono più ricche di atomi di idrogeno che di ossigeno, mentre quelle più ossidate possiedono più atomi di ossigeno che di idrogeno.

30 Si possono descrivere 4 modi diversi in cui gli elettroni vengono trasferiti da una molecola donatore ad una accettore: 1. Direttamente come elettroni Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu + 2. Sotto forma di atomi di idrogeno AH 2 A + 2 e- + 2 H + 3. Sotto forma di ioni idruro (:H - ) che contiene 2 elettroni 4. In una combinazione diretta di un riducente organico con l ossigeno (idrocarburo donatore di elettroni e ossigeno accettore) R-CH 3 + ½ O 2 R-CH 2 -OH Si definisce equivalente riducente un singolo elettrone che partecipa ad una reazione di ossidoriduzione, in qualsiasi forma esso si trovi.

31 Un modo per esprimere il grado di ossidazione di un substrato è la valutazione di equivalenti riducenti. Equivalente riducente = 1molediatomidiidrogeno (un protone ed un elettrone per ogni atomo di idrogeno). NB: La demolizione delle sostanze organiche complesse produce sia energia che equivalenti di riduzione, la biosintesi di questi composti richiede entrambi. Gli enzimi che catalizzano le reazioni di ossidoriduzione trasferiscono gli elettroni grazie alla presenza di cofattori che agiscono da trasportatori andando incontro ad ossidazioni e riduzioni reversibili in moltissime reazioni del metabolismo I nucleotidi piridinici NAD + enadp + si spostano rapidamente da un enzima all altro, mentre i nucleotidi flavinici FMN e FAD sono legati ad enzimi chiamati flavoproteine in cui agiscono da gruppi prostetici. i Tutti hanno la tendenza termodinamica ad accettare elettroni.

32 Trasportatori solubili di e - 1)Nucleotidi o coenzimi piridinici : NAD +,NADP + Derivano dalle Vitamine: niacina e nicotinamide Le deidrogenasi piridiniche: appartengono alle ossidoreduttasi, sono più di 200 catalizzano le seguenti reazioni: AH 2 + NAD + A + NADH + H + A + NADPH + H + AH 2 + NADP +

33 Niacina (acido nicotinico) Viene sintetizzata dall amminoacidoamminoacido triptofano. L attività coenzimatica viene svolta dai derivati nicotinammide adenin dinucleotide (NAD +, nella forma ossidata) ed il suo analogo fosforilato (NADP + ). Questo composti vengono anche indicati come nucleotidi piridinici, perché l anello nicotinammidico ricorda la piridina. Entrambi i coenzimi possono subire una riduzione reversibile dell anello nicotinammidico durante Entrambi i coenzimi possono subire una riduzione reversibile dell anello nicotinammidico durante una reazione di ossidoriduzione.

34 [NAD + +NADH]=~10-5 M in tutti i tessuti [NADP + +NADPH]=~10-6 M in tutti i tessuti Specializzazione del ruolo metabolico dei nucleotidi piridinici: NAD + per le vie cataboliche (ossidative)* NADP + per le vie biosintetiche (riduttive)* *[NAD + /NADH] è in genere elevato e favorisce il trasferimento di uno ione idruro (:H -,un atomo di idrogeno con due elettroni e un protone) da un donatore al NAD + per formare NADH *[NADPH/NADP] è in genere elevato e favorisce il trasferimento di uno ione idruro (:H - ) dal NADPH ad un accettore

35 Quando una molecola di substrato va incontro ad una ossidazione perdendo 2 atomi di H, la forma ossidata del coenzima accetta uno ione idruro (:H -,atomo di idrogeno + un elettrone). Il secondo H + rimosso dal substrato viene rilasciato nel solvente acquoso. Le forme ridotte sono NADH e NADPH La semi-reazione per ciascun coenzima è quindi: NAD + + 2e - + 2H + NADH + H + NADP + + 2e - + 2H + NADPH + H + La concentrazione totale di NAD + e di NADH nelle cellule è circa 10 volte maggiore rispetto a quella di NADP + e NADPH. Anche la concentrazione tra la forma ossidata e quella ridotta è variabile.

36 Harper's. Biochimica illustrata. Ed.EMSI 2011

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38 Le deidrogenasi piridiniche (ossidoreduttasi) (specificità 5 x 10 7 volte)

39 In genere, tra gli enzimi che utilizzano i nucleotidi della nicotinamide quelli che ossidano i substrati (le deidrogenasi) i) normalmente utilizzano NAD +,mentrequelli che riducono isubstrati(leriduttasi) di solito utilizzano il NADPH.

40 Trasportatori solubili di e - 2) Nucleotidi o coenzimi flavinici: FAD,FMN Derivano dalla Vitamina: riboflavina AH 2 + FAD (FMN) A + FADH 2 (FMNH 2 ) Le flavoproteine completamente ridotte sono incolori (λ max 360 nm) parzialmente ridotte (λ max 450 nm) completamente ossidate (λ max tra 370 e 440 nm) Harper's. Biochimica illustrata. Ed.EMSI 2011

41 Riboflavina (vitamina B2) I derivati con attività coenzimatica sono i nucleotidi flavinici flavina mononucleotide (FMN) e flavina adenina dinucleotide (FAD), che possono fungere da accettori reversibili di due atomi di idrogeno formando le forme ridotte FMNH 2 ed il FADH 2 Il FAD si forma in seguito al trasferimento al FMN di un ADP derivante da una molecola di ATP. FMN e FAD sono in genere legati ad enzimi chiamati flavoproteine che catalizzano reazioni di FMN e FAD sono in genere legati ad enzimi chiamati flavoproteine che catalizzano reazioni di ossidazione o riduzione di un substrato.

42 I nucleotidi flavinici accettano da un substrato riducente uno o due equivalenti riducenti nella forma di uno o due atomi di idrogeno Se il FAD o il FMN accettano un solo atomo di idrogeno si forma un intermedio radicale libero stabile, il semichinone (FADH o FMNH ) Le flavoproteine trasportano gli elettroni trattenendo temporaneamente equivalenti riducenti mentre ne catalizzano il trasferimento da un substrato donatore ad uno accettore.

43 Gli intermedi metabolici delle reazioni che portano alla formazione di CO 2 ed H 2 O a partire da molecole complesse possono donare elettroni a specifici coenzimi.

44 Le vie metaboliche centrali e il metabolismo energetico

45 Glicolisi: via metabolica dello stadio 2 che catabolizza i carboidrati sia nelle cellule aerobie che anaerobie. Il glucosio deriva da polisaccaridi di immagazzinamento di energia o da carboidrati introdotti con la dieta. Questa via porta alla formazione di piruvato e di chetoacidi a tre atomidicarbonio. Fermentazione: gli organismi anaerobi riducono il piruvato in una serie di composti tra cui l etanolo e la CO 2.

46 Metabolismo ossidativo: comprende l ossidazione del piruvato, il ciclo dell acido citrico, il trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa. L ossidazione del piruvato fornisce il gruppo acetilico all acetil-coenzima acetil A (acetil-coa) necessario per il ciclo dell acido citrico (ciclo di Krebs). Negli organismi aerobici, il ciclo di Krebs è la principale via dello stadio 3, e riceve composti semplici del carbonio derivati non solo dai carboidrati ma anche dai lipidi e dalle proteine (per formare CO 2 e ).

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48 Le reazioni ossidative del ciclo di Krebs producono trasportatorit t ridotti di elettroni la cui riossidazione promuove la biosintesi di ATP tramite la catena di trasporto mitocondriale: il trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa. La membrana mitocondriale utilizza l energia lenergia ossidativa per mantenere un gradiente transmembrana di concentrazione di idrogenioni, ela carica di questa energia osmotica è accoppiata alla sintesi di ATP e ADP.

49 Altre vie dello stadio 2, oltre alla glicolisi, portano carburante al ciclo dell acido citrico. L acetil-coa non deriva solo dall ossidazione i del piruvato ma anche dalla demolizione degli acidi grassi mediante β ossidazione e..

50 . da alcune vie ossidative degli aminoacidi. Gli aminoacidi riforniscono di carburante il ciclo dell acido citrico attraverso diverse vie metaboliche e vengono anche utilizzati nella biosintesi dei nucleotidi edimolti altri metaboliti.

51 Se i due atomi di carbonio dell acetil-coa non vengono ossidati nel ciclo di Krebs possono procedere nella direzione anabolica (blu) fornendo substrati per la sintesi degli acidi grassi e steroidi. Questi ed altri processi biosintetici utilizzano un trasportatore di elettroni ridotto: il NDPH.

52 L anabolismo dei carboidrati: la biosintesi dei carboidrati comprende la gluconeogenesi e la sintesi dei polisaccaridi. Gluconeogenesi: sintesi del glucosio da precursori non saccaridici. Biosintesi dei polisaccaridi: in particolare a la biosintesi bos del glicogeno gcogeonelle ee cellule animali.

53 Fotosintesi: le piante verdi catturano l energia luminosa per produrre energia (ATP) e potere riducente (NADPH), entrambi utilizzati per la sintesi dei carboidrati.