Introduzione al Metabolismo

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

2 Metabolismo Metabolismo l insieme dei processi attraverso cui gli esseri viventi ricavano ed utilizzano l energia libera necessaria per svolgere le loro funzioni biologiche dal punto di vista bioenergetico il metabolismo si divide in: Catabolismo (o degradazione ) i nutrienti ed i costituenti cellulari sono degradati per operazioni di riciclo dei loro costituenti e/o per generare energia processi esoergonici; produce energia libera Anabolismo (o biosintesi ) sintesi di biomolecole a partire da composti semplici processi (che di per sé sarebbero) endoergonici; consuma energia libera.

3 Metabolismo Metabolismo - le reazioni cataboliche si svolgono con ossidazione esoergonica di molecole nutrienti l energia libera rilasciata viene utilizzata per portare avanti processi endoergonici (reazioni anaboliche, lavoro meccanico, trasporto attivo contro gradienti di concentrazione) - i processi eso- ed endo-ergonici sono spesso accoppiati mediante sintesi intermedia di un composto ad alta energia come l ATP

4 Metabolismo Metabolismo - i principi generali alla base del metabolismo sono gli stessi in tutti gli organismi viventi - molte delle reazioni metaboliche sono le stesse in tutti gli organismi - l organizzazione generale del metabolismo di un organismo dipende soprattutto dalla natura della sua fonte di energia - organismi autotrofi - organismi eterotrofi

5 Metabolismo Organismi autotrofi possono sintetizzare tutti i loro costituenti cellulari a partire da semplici molecole quali (H 2 O, CO 2, NH 3, H 2 S) 2 fonti di energia: Chemiolitotrofi: ottengono energia libera attraverso l ossidazione di composti inorganici quali NH 3, H 2 S, Fe 2+ Fotoautotrofi: ottengono energia libera attraverso la fotosintesi, un processo in cui l energia della luce permette il trasferimento di elettroni da donatori inorganici alla CO 2 per sintetizzare carboidrati (CH 2 O) n che poi sono ossidati al fine di produrre energia libera Organismi eterotrofi ottengono energia libera attraverso l ossidazione di composti organici (carboidrati, lipidi e proteine) e quindi dipendono in ultimo dagli organismi autotrofi per la produzione di questi composti

6 Metabolismo 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 obbligatoria ossigeno Anaerobi: usano solfato o nitrato come agente ossidante Anaerobi facoltativi: come l Escherichia coli, possono vivere sia in presenza come in assenza di ossigeno Anaerobi obbligati: non vivono in presenza di ossigeno (metabolismo simile a quello degli organismi più primitivi)

7 Vie Metaboliche Vie metaboliche - vie metaboliche: serie di reazioni, catalizzate da enzimi, che a partire da specifici reagenti producono specifici prodotti - le vie metaboliche possono essere: lineari, ramificate o cicliche - le vie metaboliche sono sempre interconnesse tra loro (e la scelta di estrapolare una via metabolica dall insieme del metabolismo è sempre in parte arbitraria) - reagenti, intermedi, prodotti delle vie metaboliche sono detti metaboliti

8 Vie Metaboliche Complessità delle vie metaboliche - in una data cellula diversi tipi di enzimi e metaboliti variano a seconda del tipo di organismo, del tipo cellulare, dello stato nutrizionale e dello sviluppo -i punti rappresentano i metaboliti, le linee che li uniscono rappresentano i singoli passaggi metabolici - la stessa logica chimica è comune a vie metaboliche diverse: passaggi chimicamente simili si osservano spesso in vie diverse - trasformazioni complesse sono realizzate con molti passaggi semplici

9 Vie Metaboliche Reazioni metaboliche e catalisi enzimatica - le reazioni metaboliche sono in genere caratterizzate da piccole variazioni di energia libera (ΔG ) ma elevate energie di attivazione (ΔG ) richiedono quindi la catalisi da parte di enzimi per poter avvenire con velocità adeguate a bassa temperatura ciò garantisce che esclusivamente determinate reazioni possano avvenire nel metabolismo (quelle catalizzate da enzimi) - gli enzimi possono essere regolati, fornendo punti di controllo metabolico - il metabolismo di una cellula è determinato dal corredo di enzimi che quella cellula possiede, a sua volta definito dal suo genoma: in questo modo il metabolismo è sotto controllo genetico - gli enzimi permettono l accoppiamento tra reazioni (accoppiamento reazioni endoergoniche, che non avverrebbero da sole con reazioni energeticamente favorevoli)

10 Vie Metaboliche Accoppiamento reazioni metaboliche - se una reazione può essere considerata la somma di due reazioni, allora il valore di ΔG della reazione complessiva sarà pari alla somma dei valori di ΔG delle due reazioni (lo stesso principio si applica alla variazione di qualsiasi altra funzione di stato)

11 Vie Metaboliche Accoppiamento reazioni metaboliche - nel metabolismo, reazioni sfavorevoli possono procedere perché: 1. i loro prodotti vengono efficientemente rimossi da una reazione successiva, favorevole; 2. sono accoppiate ad altre reazioni, favorevoli A B B C A C A B C D A + C B + D ΔG = +10 kj/mol ΔG = -30 kj/mol ΔG = -20 kj/mol ΔG = +10 kj/mol ΔG = -30 kj/mol ΔG = -20 kj/mol A B C A + C B + D

12 Vie Metaboliche Accoppiamento reazioni metaboliche - analogia meccanica

13 Vie Metaboliche Reazioni metaboliche e catalisi enzimatica formazione e rottura di legami C-C

14 Vie Metaboliche Metabolismo: principi base - le vie cataboliche e anaboliche sono tra loro in relazione -le vie cataboliche partono da un gran numero di sostanze complesse diverse (carboidrati, proteine, lipidi) e portano a pochi prodotti semplici reazioni esoergoniche -nellevie anaboliche i prodotti del catabolismo sono usati come materiale di partenza per un gran numero di prodotti complessi reazioni endoergoniche - l energia libera prodotta viene conservata mediante sintesi di ATP da ADP + P i o mediante riduzione di NAD(P) + a NAD(P)H - ATP e NADPH sono le principali fonti di energia libera per le reazioni anaboliche

15 Vie Metaboliche Catabolismo convergente, anabolismo divergente

16 Vie Metaboliche Catabolismo: quadro generale -le vie del catabolismo di molte sostanze (carboidrati, lipidi, proteine) convergono verso la sintesi di pochi intermedi comuni che sono poi metabolizzati in una via ossidativa centrale - trasformazione in acetil-coa - ossidazione dei carboni del gruppo acetile a CO 2 con riduzione di NAD + e FAD (ciclo acido citrico) - riossidazione di NADH e FADH 2 che trasferiscono elettroni ad O 2 con formazione di H 2 O (fosforilazione ossidativa) -nelle vie biosintetiche pochi metaboliti servono come materiale di partenza per la produzione di una grande varietà di prodotti

17 Vie Metaboliche Compartimentalizzazione cellulare

18 Vie Metaboliche Compartimentalizzazione cellulare -negli eucarioti le vie metaboliche hanno in genere una localizzazione subcellulare specifica - la sintesi di metaboliti in uno specifico compartimento necessita di meccanismi di trasporto (proteine di trasporto) per trasportarli in altri compartimenti Es: spostare l ATP dai mitocondri (sintesi) al citoplasma (consumo) - assenza di organelli nei procarioti: diverse vie metaboliche operano in aree particolari del citoplasma Organismi multicellulari: compartimentalizzazione a livello di tessuti ed organi

19 Vie Metaboliche Compartimentalizzazione cellulare

20 Aspetti termodinamici Equilibri chimici e stati standard in un processo spontaneo ΔH - T ΔS 0 a T e P costanti se G = H - TS energia libera (di Gibbs) (funzione di stato) ΔG 0processi esoergonici ΔG > 0 processi endoergonici (processi non spontanei) ΔG = 0 processi all equilibrio - la velocità di una reazione è indipendente da ΔG ΔG = ΔH - T ΔS 0 - l entropia aumenta all aumentare del volume e quindi varia in funzione della concentrazione della soluzione anche l energia libera dipende dalla concentrazione - in una reazione chimica la ΔG dipende dalle concentrazioni dei reagenti e dei prodotti

21 Aspetti termodinamici Equilibri chimici e stati standard - la relazione tra concentrazione ed energia libera di una sostanza A è G A -G A0 = RT ln [A] indica quantità relativa a 1 mole G A = G A0 = energia libera parziale molare o potenziale chimico energia libera parziale molare di A nello stato standard R = J \ K mol (costante dei gas) - un soluto è nella sua condizione standard quando: T = 25 C, P = 1atm, attività = 1 attività = concentrazione (corretta per comportamenti non ideali che la soluzione può presentare a concentrazioni > della diluizione all ) nelle reazioni biochimiche la concentrazione di reagenti e prodotti è bassa (mm) attività = concentrazione

22 Aspetti termodinamici convenzione biochimica: Equilibri chimici e stati standard - attività di H 2 O pura = 1 anche se [H 2 O] = 55.5 M semplifica l espressione dell energia libera quando H 2 O si comporta come reagente in reazioni tra soluzioni diluite (il termine [H 2 O] viene ignorato) - attività ione H + = 1 a ph = 7 anche se [H + ] = 10-7 M - specie ionizzabili: lo stato standard è definito in base alla concentrazione totale delle specie ioniche presenti a ph 7 - ΔG 0 = ΔG 0 se la reazione non comprende H 2 O, H + o specie ionizzabili

23 Aspetti termodinamici data una reazione generale: Equilibri chimici e stati standard aa + bb cc + dd la variazione di energia libera sarà: ΔG = cg C + dg D - ag A - bg B ma ΔG 0 = cg C0 + dg D0 - ag A0 - bg 0 B G A -G A0 = RT ln [A] [C] ΔG = ΔG 0 + RT ln c [D] d [A] a [B] b termine costante che dipende dal tipo di reazione (condizioni standard) termine variabile che dipende dallle concentrazioni di reagenti e prodotti, dalla stechiometria e da T

24 Aspetti termodinamici Equilibri chimici e stati standard per una reazione all equilibrio: [C] c [D] d ΔG = ΔG 0 + RT ln [A] a [B] b = 0 quindi ΔG 0 = - RT ln [C] c eq [D] d eq [A] a eq [B] b eq = - RT ln K eq [C] c eq [D] d eq dove K eq = costante di equilibrio della reazione [A] a eq [B] b eq da cui K eq = exp (-ΔG 0 /RT) la costante di equilibrio di una reazione può essere determinata dai valori di energia libera standard e viceversa

25 Aspetti termodinamici Equilibri chimici e stati standard -lak eq è una funzione esponenziale di ΔG - ogni aumento del ΔG di 5.7 kj/mol (a 25 C) comporta una diminuzione della K eq di un fattore 10

26 Aspetti termodinamici Reazioni vicine all equilibrio data una reazione generale: [C] [D] se ΔG ~ 0 e K eq ~ [A] [B] A + B C + D è possibile cambiare facilmente la direzione della reazione variando il rapporto dei prodotti rispetto ai reagenti - reagenti in eccesso (rispetto a [] eq ) reazione netta in direzione della reazione diretta fino a che l eccesso di reagenti non è stato convertito in prodotto ripristino equilibrio - prodotti in eccesso reazione netta in direzione inversa

27 Aspetti termodinamici Reazioni metaboliche molte reazioni metaboliche sono reazioni vicino all equilibrio - gli enzimi che catalizzano reazioni vicino all equilibrio tendono ad agire velocemente per ripristinare le concentrazioni all equilibrio - le velocità nette delle reazioni sono regolate in modo efficace dalle concentrazioni relative di substrati e prodotti alcune reazioni metaboliche sono reazioni lontano dall equilibrio ΔG << 0 reazioni irreversibili - gli enzimi che catalizzano reazioni lontano dall equilibrio sono sostanzialmente saturati, cioè ha attività insufficiente per consentire il raggiungimento dell equilibrio (accumulo substrato, effetto diga) - variazioni di concentrazione dei substrati hanno scarso effetto sulle velocità delle reazioni (solo variazioni della attività dell enzima hanno influenza. Esempio: regolazione allosterica)

28 Aspetti termodinamici in una via metabolica: Reazioni metaboliche - la maggior parte degli enzimi opera in condizioni vicine all equilibrio (velocità nette di reazione che dipendono dalle conc. dei substrati) - alcuni enzimi, in posizioni strategiche lungo la via, operano in condizioni lontane dall equilibrio analogo idraulico di via metabolica

29 Aspetti termodinamici Reazioni metaboliche Implicazioni 1) le vie metaboliche sono irreversibili 2) ogni via metabolica ha una prima tappa di comando (reazione esoergonica di solito nella prima parte della via) passaggio obbligato (committed step) che obbliga il il prodotto di quella reazione a proseguire lungo la via metabolica 3) le vie cataboliche ed anaboliche sono differenti controllo indipendente dei due processi A 1 2 Y X

30 Aspetti termodinamici Flusso metabolico e suo controllo - gli organismi viventi sono sistemi termodinamicamente aperti (scambiano energia e materia con l ambiente) che tendono a mantenere uno stato stazionario, piuttosto che a raggiungere un equilibrio (sistema chiuso) - stato stazionario: tutti i flussi nel sistema rimangono costanti - data una via metabolica (serie di reazioni enzimatiche) J = il flusso dei metaboliti attraverso ogni tappa di reazione v f = velocità reazione diretta v i = velocità reazione inversa J = v f -v i - in uno stato stazionario, il flusso degli intermedi di una via metabolica è costante (la velocità di sintesi e demolizione di ogni intermedio ne mantiene costante la concentrazione)

31 Aspetti termodinamici Flusso metabolico e suo controllo J = v f -v i - J è determinato dalla/e tappa/e che determina la velocità dell intera via, cioè dalla reazione più lenta (il cui prodotto viene rimosso prima che possa equilibrarsi coi reagenti) - la tappa che limita la velocità di una via metabolica funziona in una condizione lontana dall equilibrio e possiede una ΔG << 0 - il flusso energetico negli organismi viventi è sempre verso il basso (ΔG < 0) - gli organismi utilizzano catalizzatori biochimici per accelerare la velocità con cui una reazione si avvicina all equilibrio (senza alterare la ΔG che deve rimanere 0) - l energia libera può essere raccolta, conservata, utilizzata per produrre lavoro cellulare, trasferita ad altre molecole

32 Aspetti termodinamici Flusso metabolico e suo controllo J = v f -v i - reazioni all equilibrio: J = 0 flusso netto è nullo (anche se v f -v i possono essere elevate) - reazioni lontane dall equilibrio: v f >> v i J ~ v f - variazioni nella velocità delle reazioni lontane dall equilibrio alterano il flusso di materiale attraverso la via di uno o più ordini di grandezza - meccanismo di controllo di J di una via metabolica attraverso la reazione che limita la velocità della via: (a) controllo allosterico (b) modificazione covalente controllo a breve termine (sec/min) (c) cicli del substrato (d) controllo genico controllo a lungo termine (ore/giorni)

33 Aspetti termodinamici Flusso metabolico e suo controllo (a) controllo allosterico: regolazione da parte di effettori (substrati, prodotti,coenzimi della via, ma non necessariamente dell enzima in esame) Es: regolazione a feedback negativo (b) modificazione covalente: processi essi stessi sottoposti a controllo Es: fosforilazione/defosforilazione enzimatica

34 Aspetti termodinamici (c) cicli del substrato: Flusso metabolico e suo controllo reazioni opposte non all equilibrio catalizzate da enzimi differenti (con velocità v f e v i ) che possono essere modificate in modo indipendente J = v f -v i può essere aumentato sia aumentando v f che diminuendo v i (d) controllo genico: modifica della sintesi proteica degli enzimi in risposta alla necessità metabolica più tappe non all equilibrio il flusso del materiale lungo la via dipende da molteplici fattori che riflettono i bisogni metabolici in quel dato momento