ENERGIA LIBERA DI GIBBS (G)

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1 METABOLISMO: Descrive tutte le numerose reazioni con cui le molecole biologiche sono sintetizzate e degradate, e che permettono di ricavare, accumulare e utilizzare energia Ogni reazione metabolica comporta un trasferimento sia di materia sia di energia. BIOENERGETICA: Studia i cambiamenti energetici che si verificano durante le reazioni metaboliche. Tutte le molecole in soluzione hanno una certa energia che dipende dalla temperatura, dalla pressione, dalla concentrazione, dal ph. Questa è chiamata: ENERGIA LIBERA DI GIBBS (G) Durante una reazione in cui un certo reagente è trasformato in un prodotto si verifica una variazione di energia libera che è chiamata ΔG ed è uguale alla differenza fra l energia libera del prodotto e quella del reagente.

2 La variazione di energia libera di Gibbs è stata misurata in condizioni standard per le diverse reazioni metaboliche. ΔG 0 = variazione di energia libera in condizioni STANDARD Pressione 1 atm Temperatura 25 C = 298 K ph = 7.0 Concentrazione di ogni reagente e prodotto = 1M

3 La variazione di energia libera ΔG associata ad un processo può essere: ΔG < 0 (negativa) = processo SPONTANEO, avviene senza richiedere energia dall esterno, anzi libera energia (ESOERGONICO). idrolisi di ATP ATP ADP + P i ΔG ΔG > 0 (positiva) = processo NON SPONTANEO, richiede energia dall esterno (ENDOERGONICO). fosforilazione del glucosio Glu + P i Glu-6-P KJ/mol coordinata di reazione KJ/mol coordinata di reazione ΔG = 0 = processo all equilibrio, in ogni processo, quando reagenti e prodotti raggiungono concentrazioni tali che la reazione diretta e quella inversa procedono alla stessa velocità, allora viene raggiunto un equilibrio e non si verifica una variazione netta dei reagenti in prodotti e viceversa.

4 Energia libera, G Una reazione termodinamicamente sfavorita può esser resa favorita accoppiandola ad una seconda reazione sufficientemente esoergonica. Le variazioni di energia libera sono additive Reazione esoergonica Reazioni accoppiate Reazione endoergonica KJ/mol KJ/mol Coordinata di reazione ΔG 3 = KJ/mol + (-30.5 KJ/mol) = KJ/mol Fosforilazione del glucosio

5 L idrolisi di ATP è accoppiata nei processi metabolici a reazioni di sintesi di diversi metaboliti, reazioni che nell ambiente cellulare sono endoergoniche. L energia liberata dall idrolisi dell ATP è la forza trainante della reazione, garantisce un ΔG < 0 all intero processo. ATP: Trasportatore di energia metabolica, è un donatore di energia e, nel contempo, un donatore di gruppi fosforici e adenilici

6 Fattori che contribuiscono a rendere esoergonica l idrolisi di ATP: 1) Nei prodotti di idrolisi si ottiene una maggiore neutralizzazione delle cariche negative dei gruppi fosfoanidridici da parte degli ioni Mg 2+ (diminuzione della repulsione elettrostatica) 2) I prodotti di idrolisi (ADP, AMP, P i ) sono meglio solvatati che non l ATP stesso. La sfera di solvatazione aiuta a schermare le cariche negative.

7 γ β α Idrolisi legame fosfoanidridico in γ con liberazione di fosfato e ADP 3) I prodotti di idrolisi (ADP, AMP, P i ) sono più stabili dell ATP. La stabilizzazione si ha per risonanza: gli elettroni sugli atomi di ossigeno terminali sono maggiormente delocalizzati che non sugli ossigeni che fanno da ponte nei legami fosfoanidridici. ADP (adenosina 5 -difosfato)

8 Glutammina-sintetasi: sintetizza glutammina a partire da glutammato + H 2 O se dovesse catalizzare la trasformazione del Glu in Gln in questo modo il processo sarebbe sfavorito: ΔG 0 = KJ/mol Occorre una spesa energetica: per mandare avanti la reazione è necessario accoppiarla all idrolisi di ATP :NH 3 ATP + H 2 O ΔG 0 = KJ/mol ADP + P i Legame anidridico Glutammil-fosfato Glutammato + NH 3 + ATP glutammina + ADP + P i ΔG 0 TOT = KJ/mol + ( KJ/mol) = KJ/mol REAZIONE ESOERGONICA

9 COMPOSTI METABOLICI AD ALTO CONTENUTO ENERGETICO: COMPOSTI LA CUI IDROLISI LIBERA ENERGIA UTILE A MANDARE AVANTI I PROCESSI METABOLICI Fosfoenolpiruvato 1,3-bisfosfoglicerato Fosfocreatina ADP AMP + P i ATP ADP + P i ATP AMP + PP i AMP adenosina + P i PP i 2 P i Glucosio 3-fosfato Fruttosio 6-fosfato Glucosio 6-fosfato Glicerolo 3-fosfato Acetil-CoA

10 FOSFOENOLPIRUVATO Stabilizzazione per tautomerizzazione Idrolisi dell estere enolico PIRUVATO (FORMA ENOLICA) PIRUVATO (FORMA CHETONICA) Fosforilazione a livello del substrato KJ/mol

11 Legame fosfoanidridico 1,3-bisfosfoglicerato Prodotto stabilizzato per risonanza 1,3-bisfosfoglicerato 3-fosfoglicerato 3-fosfoglicerato G = Kj/mol La sua idrolisi libera energia sufficiente a sintetizzare ATP a partire da ADP?

12 Fosfocreatina Legame fosfoammidico Stabilizzazione per risonanza G = Kj/mol Posso utilizzare questa energia per sintetizzare ATP trasferendo il gruppo fosfato dalla fosfocreatina all ADP.

13 ACETIL-COENZIMA A Legame tioestere G = Kj/mol

14 In una reazione biochimica che avviene all interno di un organismo vivente le condizioni di reazione non sono quelle standard e la variazione reale di energia libera (e quindi la spontaneità della reazione) dipende dal rapporto fra le concentrazioni di reagenti e prodotti presenti nell ambiente cellulare. [C] [D] A + B C + D ΔG reaz = ΔG 0 reaz + RT In [A] [B] R = cost. universale dei gas (8.315 J/K mol) T = temperatura in Kelvin Quando le concentrazioni di reagenti e prodotti sono lontane dall equilibrio: ΔG > 0 reazione non favorita ΔG < 0 reazione favorita Se la reazione metabolica raggiunge l equilibrio: il rapporto di concentrazioni è uguale alla costante di equilibrio e la variazione di energia libera della reazione è nulla (la reazione è facilmente reversibile) [C eq ] [D eq ] [A eq ] [B eq ] = K eq ΔG reaz = ΔG 0 reaz + RT In K eq e quindi: ΔG = 0 ΔG 0 = - RT In K eq

15 Isomerizzazione del glucosio-6-fosfato fruttosio-6-fosfato Se le concentrazioni sono all equilibrio: ΔG = 0 le due reazioni procedono alla stessa velocità nei due sensi

16 Se [G6P] > [G6P]eq [F6P] < [F6P]eq ΔG < 0 È favorita la formazione di fruttosio 6-P (reazione diretta) Se [G6P] < [G6P]eq [F6P] > [F6P]eq ΔG > 0 È favorita la formazione di glucosio 6-P (reazione inversa)

17 Variazione di energia libera nelle reazioni metaboliche di ossidoriduzione È ASSOCIATA AL FLUSSO DI ELETTRONI SCAMBIATI TRA GLI INTERMEDI METABOLICI. Il flusso di elettroni è spontaneo quando sono trasferiti da un donatore a basso potenziale di riduzione (bassa affinità per gli e ) ad un accettore ad alto potenziale di riduzione (alta affinità per gli e ). SE IL FLUSSO DI ELETTRONI E SPONTANEO LA REAZIONE E ESOERGONICA

18 LE REAZIONI DI OSSIDORIDUZIONE CHE AVVENGONO NEI SISTEMI BIOLOGICI PREVEDONO: 1) trasferimento diretto di elettroni: Fe e - Fe 2+ (centri ferro/zolfo; citocromi) 2) trasferimento di 1 atomo di idrogeno: 1 H e - (FAD; Ubichinone) 3) trasferimento di 1 ione idruro: H: - (1 protone e 2 elettroni) (NAD + ) 4) incorporazione di ossigeno come OH o COOH da parte di ossigenasi

19 CALCOLO DEL G 0 DI UNA REAZIONE DI OSSIDORIDUZIONE IN CONDIZIONI STANDARD G 0 = - n F E 0 n = n di elettroni scambiati F = costante di Farady (96.5 kj/v mole) E 0 = differenza fra i potenziali di riduzione standard delle coppie redox E 0 = E 0 ossidante - E 0 riducente Specie che nella reazione si riduce (accetta elettroni) Specie chenella reazione si ossida (dona elettroni) acetaldeide + NADH + H + etanolo + NAD +

20 Acetaldeide (forma ossidata) >> si deve ridurre ad etanolo CH 3 C H O + NADH forma ridotta >> si deve ossidare H + L ossigeno acquista un protone (1H + ) dal mezzo Il NADH cede 2 e - e 1H + (ione idruro H: - ) al C carbonilico dell acetaldeide, CH 3 - CH 2 - OH + Etanolo (forma ridotta) NAD + NAD +, forma ossidata R La reazione è reversibile, l etanolo può essere ossidato nuovamente ad acetaldeide e il NAD + può essere ridotto nuovamente a NADH

21 Per calcolarmi il E 0 considero le due semirezioni di riduzione e i relativi potenziali di riduzione standard delle due coppie redox: Acetaldeide + 2e H + etanolo E 0 = V NAD + + 2e - + H + NADH E 0 = V Accettore di e - nella reazione da noi considerata Donatore di e - nella reazione da noi considerata E 0 = E 0 (Acet/Etan) - E 0 (NAD + /NADH) = ( ) = = V G 0 = - n F E 0 = - 2 x (96.5 Kj/V mole) x ( V) = Kj/mole In condizioni standard la reazione redox considerata è favorita dal punto di vista energetico: stiamo trasferendo elettroni da una coppia redox a più basso potenziale di riduzione (NAD + /NADH) ad una a più alto potenziale di riduzione (Acetaldeide/etanolo).