Chimica Biologica A.A Bioenergetica. Marco Nardini Dipartimento di Scienze Biomolecolari e Biotecnologie Università di Milano

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1 Chimica Biologica A.A Marco Nardini Dipartimento di Scienze Biomolecolari e Biotecnologie Università di Milano

2 e Metabolismo - nel metabolismo, reazioni in sé non spontanee (endoergoniche) possono essere rese spontanee accoppiandole a reazioni altamente esoergoniche che interessano speciali biomolecole che per questa ragione sono dette trasportatori di energia - in generale, nelle reazioni metaboliche i trasferimenti di energia sono realizzati attraverso il trasferimento di gruppi fosforici (o gruppi fosfato) - i composti fosforici hanno elevate energie libere di idrolisi Esempi di composti fosforici ad alto contenuto di energia libera Adenosina trifosfato (ATP) Fosfoenolpiruvato (PEP) Fosfocreatina (CP)

3 Composti ad alta energia - i composti fosforici hanno energie libere di idrolisi fortemente negative - i legami che vengono idrolizzati di questi composti sono legami fosfoestere o fosfoanidride

4 Adenosina trifosfato (ATP) - adenosina = adenina + ribosio - 3 gruppi fosforici ( PO 3 2- ) - 1 legame fosfoestere - 2 legami fosfoanidridici (pirofosforili) importanza biologica ATP correlata con la elevata quantità di energia libera rilasciata dalla rottura dei legami fosfoanidridici trasferimento gruppo fosforico ad altro composto Idrolisi dell ATP (nel caso in cui l accettore sia H 2 O) ATP + H 2 O ADP + P i P i = PO 3 2- ATP + H 2 O AMP + PP i PP i = P 2 O 7 4- (pirofosfato)

5 Adenosina trifosfato (ATP) - di solito la maggior parte delle reazioni necessitano di un accettore H 2 O idrolisi calcolo del potenziale di trasferimento del gruppo fosforico differenza di energia libera di idrolisi tra donatore ed accettore valori negativi: tendenza dei gruppi fosforilati a trasferire i loro gruppi fosforici all H 2 O - ATP ha un valore intermedio (ΔG 0 = kj/mole)

6 Adenosina trifosfato (ATP) - in condizioni standard, composti con potenziali di trasferimento meno negativi dell ATP possono ricevere dall ATP un gruppo P i - viceversa composti con potenziali più negativi dell ATP possono trasferire spontaneamente un gruppo P i all ADP e formare ATP - una variazione favorevole di energia libera per una reazione non indica la velocità di tale reazione. Nonostante gli alti potenziali di trasferimento l ATP e relativi composti fosforilati sono cineticamente stabili - in assenza di un opportuno enzima, i legami fosfoanidridici sono cineticamente stabili (si idrolizzano lentamente a causa dei valori insolitamente alti delle energie libere di attivazione (ΔG ) idrolisi favorita termodinamicamente ma sfavorita cinematicamente

7 Legami ad alta energia - legami la cui idrolisi procede con una grande diminuzione di energia libera (ΔG 0 > -25 kj/mole, simbolo ~) Esempio: ATP AR P~P~P Perché le reazioni di trasferimento del gruppo fosforico dell ATP sono così esoergoniche? - la stabilizzazione per risonanza di un legame anidride è minore di quella dei suoi prodotti di idrolisi (competizione) - repulsione elettrostatica tra i gruppi carichi di una fosfoanidride maggiore rispetto ai prodotti di idrolisi - effetto destabilizzante dovuto ad una minor energia di solvatazione di una fosfoanidride fosfoanidride prodotti di idrolisi

8 Legami ad alta energia - il fosfato libero, meglio detto ortofosfato, HPO 4 2- (P i ), ha una struttura che è un ibrido di risonanza tra diverse strutture limite - gli elettroni del legame π sono delocalizzati - la stabilizzazione per risonanza è meno marcata quando il gruppo fosfato è legato ad altri gruppi.

9 Reazioni accoppiate Esempio: Tappa iniziale metabolismo glucosio ΔG 0 - nelle cellule la conversione di glucosio a glucosio-6-fosfato (G6P) (termodinamicamente sfavorita) è accoppiata all idrolisi esoergonica dell ATP - in realtà l esochinasi (enzima che catalizza la formazione di G6P) non catalizza l idrolisi dell ATP ma il trasferimento diretto di P i da ATP a glucosio

10 Idrolisi ATP Reazioni accoppiate - l energia libera derivante dalla rottura di legami fosfoanidridici di composti ad alta energia (come l ATP) può essere usata per guidare altre reazioni anche se non vi è trasferimento di un gruppo fosforico - funzionamento chaperoni molecolari - contrazione muscolare - trasporto attivo attraverso le membrane - le proteine subiscono cambi conformazionali in risposta al legame di ATP e l idrolisi esoergonica dell ATP in ADP e Pi rende tali cambi irreversibili e quindi guida in avanti tali processi

11 Altri composti fosforilati - altri composti ad alta energia (oltre all ATP) sono importanti per il metabolismo energetico, anche perché consentono di mantenere i livelli cellulari di ATP quasi costanti -l ATP è costantemente idrolizzato e rigenerato -emivita ATP varia da sec a min (a seconda del tipo di cellula e della attività metabolica) - a riposo una persona consuma e rigenera ~3 moli (1.5 kg) di ATP all ora (1 ordine di grandezza più veloce se sotto sforzo) -l ATP occupa una posizione intermedia sulla scala dei potenziali di trasferimento del gruppo fosforico (ΔG 0 = kj/mol)

12 Rigenerazione dell ATP -l ATP può essere rigenerato accoppiando la sua formazione ad un processo metabolico altamente esoergonico - fosforilazione a livello del substrato trasferimento diretto di P i ad ADP da parte di un composto ad alta energia (es: PEP) - rigenerazione indiretta usando energia derivante da gradienti di concentrazione protonica attraverso la membrana (fosforilazione ossidativa, fotofosforilazione)

13 Reazioni redox - forniscono agli esseri viventi la maggior parte della loro energia libera ossidazione dei carburanti metabolici a CO 2 gli e - vengono trasferiti su trasportatori molecolari i trasportatori molecolari trasferiscono gli e - ad O 2 (organismi aerobici) il trasporto di e - genera un gradiente protonico transmembrana che promuove la sintesi dell ATP (fosforilazione ossidativa) - negli anaerobi obbligati (non è presente la fosforilazione ossidativa), la sintesi dell ATP avviene per ossidazione dei substrati

14 Reazioni redox A ox + B red n = n di elettroni per mole di reagente trasferiti dal riducente B red all ossidante A ox - l energia libera della reazione può essere espressa da: ΔG = ΔG 0 + RT ln A red + B ox [A red ] [B ox ] [A ox ] [B red ] - qualsiasi reazione redox può essere divisa nelle sue semireazioni: A ox + n e - B ox + n e - A red B red per convenzione scritte come riduzioni - coppia redox coniugata: A red donatore di elettroni accettore coniugato di elettroni A ox

15 - le 2 semireazioni possono essere fisicamente separate in una cella elettrochimica -glie - passano da una semi-cella all altra attraverso un filo che collega 2 elettrodi (corrente) - un ponte salito chiude il circuito Reazioni redox cella elettrochimica ΔG = -w = -w el = - nfδe contiene un elettrolito e consente il passaggio di ioni necessario per mantenere le elettroneutralità delle 2 celle w = lavoro a P e V costanti w el = lavoro per trasferire 1 mole di e - attraverso una ddp ΔE F = 96,485 C/mol (faraday: carica di una mole di elettroni) n = n di moli di elettroni trasferiti per mole di reagente convertito

16 ΔG = ΔG 0 + RT ln Reazioni redox A ox + B red [A red ] [B ox ] [A ox ] [B red ] A red + B ox RT [A ΔE = ΔE 0 red ] [B ox ] - ln equazione di Nernst nf [A ox ] [B red ] ma ΔG = - nfδe ΔE = forza elettromotrice (descritta come pressione di e - esercitata da una cella elettrochimica) la variazione di energia libera di una reazione di ossidoriduzione può essere determinata direttamente misurando la variazione di potenziale di riduzione con un Voltmetro ΔE > 0 (ΔG < 0) indica una reazione spontanea che può compiere lavoro

17 Reazioni redox ΔE = ΔE 0 - RT nf ln [A red ] [B ox ] [A ox ] [B red ] A ox + n e - B ox + n e - A red B red E = potenziale di riduzione (tendenza di una sostanza a ridursi, cioè e prendere elettroni) E 0 = potenziale di riduzione standard (E 0 condizioni standard biochimiche) ΔE = E A - E B ΔE 0 = E 0 A - E 0 B (ΔE 0 = E 0 (accetttore e-) - E 0 (donatore e-) ) RT E A = E 0 A - ln [A red ] nf [A ox ] RT E B = E 0 B - ln [B red ] nf [B ox ]

18 Reazioni redox - i potenziali di riduzione vanno riferiti in rapporto ad uno standard di riferimento arbitrario semi-reazione dell idrogeno 2H e - H 2 (g) H + è in equilibrio con H 2 (g) che è in contatto con un elettrodo al Pt - a questa semi-reazione è associato un E 0 = 0 V (ph 0, T = 25 C, P = 1 atm) E 0 = forza elettromotrice generata a ph 7, T = 25 C, da una semi-cella campione (contenente 1M specie ossidata e 1M specie ridotta) rispetto ad una semicella di riferimento - una semicella a idrogeno misurata a ph 7 ha E 0 = V

19 Reazioni di ossido-riduzione - O 2 è l agente ossidante più forte - H 2 O è un debole agente riducente (lega saldamente i suoi elettroni) - e - passano spontaneamente da bassi ad alti E 0 (anche se tale reazione può necessitare di un enzima per avvenire a velocità significative) - la componente proteica degli enzimi che catalizzano le reazioni redox (trasferimento e - ) modula i potenziali di riduzione dei centri redox ad essi legati (Es: Fe 3+ diversi citocromi)

20 NAD + e FAD Trasportatori di elettroni coenzimi nucleotidici Nicotinamide Adenina Dinucleotide NAD + Flavina Adenina Dinucleotide FAD (1) subiscono riduzione reversibile in modo da accettare elettroni e (2) passarli ad altri trasportatori ed essere rigenerati

21 NAD + NADP + : nicotinamide adenina dinucleotide fosfato - riduzione sulla porzione nicotinamidica per trasferimento di uno ione idruro H: - - trasferimento catalizzato da enzimi chiamati deidrogenasi - C4 dell anello piridinico è il centro reattivo - N quaternario agisce come trappola di elettroni -NAD + e NADP + sono trasportatori di coppie di elettroni

22 Trasportatori di elettroni - NAD + e NADP + sono trasportatori di coppie di elettroni - negli organismi aerobici l accettore terminale degli elettroni è O 2 - O 2 può accettare solo elettroni non accoppiati gli elettroni devono essere trasferiti ad O 2 uno alla volta - gli elettroni rimossi da metaboliti a coppie (come quelli che riducono NAD + ) devono essere poi trasferiti ad altri trasportatori in grado di subire reazioni redox con 2 od 1 elettrone soltanto

23 - 3 stati redox FAD sistema ad anelli coniugati - riduzione per trasferimento di uno o due e - - FADH (radicale stabile detto semichinone) - FADH 2 (forma totalmente ridotta o idrochinone) vitamina B2: nell uomo introdotta con la dieta }isoallossazina

24 Reazioni di ossido-riduzione - catena di trasporto di elettroni nei mitocondri: gli e - sono passati dal NADH ad altri accettori di e - di potenziale di riduzione via via maggiore (incluso il FAD) fino ad O 2 (accettore terminale di e - ) - tali molecole hanno E 0 compreso tra quello della coppia NAD + /NADH ed O 2 /H 2 O la catena di trasporto riossida i coenzimi ed utilizza l energia libera per la sintesi dell ATP -l ATP è generato da ADP + P i accoppiando la sua sintesi a questa cascata - l ossidazione del NADH a NAD + da parte di O 2 fornisce energia libera ufficiente per la sintesi di 3 molecole di ATP