Introduzione al metabolismo

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1 Introduzione al metabolismo 1

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3 Funzioni del metabolismo 1- Ottenere energia chimica 2- Convertire le molecole 3-Polimerizzare i precursori monomerici 4- Sintetizzare e degradare le biomolecole

4 Il metabolismo è tradizionalmente diviso in due parti: 1)Il catabolismo, o degradazione 2)L anabolismo, o biosintesi

5 Catabolismo: Sostanze nutrienti CO 2 + H 2 O + Energia utilizzabile Anabolismo: Energia utilizzabile + piccole molecole Molecole complesse

6 In base all agente agente ossidante utilizzato: 1. Aerobi obbligati 2. Anaerobi 3. Aerobi facoltativi 4. Anaerobi obbligati 6

7 Strategie trofiche In base alla fonte di energia libera: 1. Autotrofi ( Autotrofi (in grado di sintetizzare tutti i loro costituenti a partire da molecole più semplici come H 2 O, CO 2 ) chemiolitotrofi ( attraverso l come NH 3, H 2 S ) fotoautotrofi ( mediante fotosintesi ) attraverso l ossidazione di composti inorganici 2. Eterotrofi ( ottengono energia dall ottengono energia dall ossidazione di composti organici come carboidrati, lipidi e proteine ) 7

8 Ruoli dell ATP e del NADP + nel metabolismo (acetil CoA) L ATP e il NADPH sintetizzati mediante la degradazione di metaboliti complessi sono la fonte di energia libera per le reazioni di biosintesi e per altre reazioni.

9 SGUARDO GENERALE AL CATABOLISMO

10 Nella cellula le vie metaboliche hanno localizzazioni specifiche.

11 Specializzazione dei tessuti: ISOENZIMI Catalizzano la stessa reazione Sono codificati da geni diversi Hanno proprietà cinetiche e regolatorie differenti LDH tipo M e tipo H O CH 3 NADH + H + NAD + lattico deidrogenasi HO COO- COO- CH 3 H Acido piruvico Acido lattico 11

12 Energia, vita e prima legge della termodinamica lavoro meccanico,, che muove una cellula, un organello o un qualsiasi oggetto contro una forza gravitazionale o frizionale. lavoro di gradiente,, che crea gradienti di concentrazione e gradienti elettrici attraverso una membrana. lavoro di, sintesi che contempla la formazione e la rottura di legami e la produzione di nuovi composti. 12

13 Prima legge della termodinamica Durante una modificazione chimica o fisica, l'energia non viene nén creata nén distrutta; la quantità totale di energia resta costante e può essere convertita in forme diverse. 13

14 Energia libera ed equilibrio L'energia libera di un composto viene definita come la variazione di energia che è associata alla formazione di quel composto a partire da elementi puri. La variazione di energia libera (DG) di una reazione chimica corrisponde all'energia libera posseduta dai prodotti (G, prodotti) sottratta l'energia libera dei reagenti (G, reagenti). DG G = G prodotti G reagenti 14

15 Quando il sistema si modifica verso uno stato che possiede meno energia (G prodotti inferiore a G reagenti), G G ha valore negativo e la reazione è detta esoergonica perché libera energia. Questa reazione procede spontaneamente

16 Quando invece è necessario fornire energia per fare avvenire una reazione che altrimenti non avverrebbe, G ha valore positivo e la reazione è detta endoergonica. Questa reazione non procede spontaneamente. 16

17 I processi spontanei hanno G G negativo e sono detti esoergonici I processi non spontanei hanno G G positivo e sono detti endoergonici

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19 Energia libera ed equilibrio All'energia libera (abbreviata con G, che sta per energia libera di Gibbs) ) di qualsiasi elemento puro nella sua forma più stabile alla temperatura di 298 K (25 C) e alla pressione di 101,3 kpa (1 atm) ) viene assegnato il valore O. L'energia libera di un composto viene definita come la variazione di energia che è associata alla formazione di quel composto a partire da elementi puri. 19

20 La variazione di energia libera ( G) di una reazione chimica corrisponde all'energia libera posseduta dai prodotti (G, prodotti) sottratta dell'energia libera dei reagenti (G, reagenti): G = G prodotti G reagenti Il G di una reazione è una misura della quantità teorica massima di lavoro che una reazione può generare a temperatura e pressione costanti.

21 La maggior parte dei lavori meccanici dei lavori di gradiente del lavoro di sintesi che vengono prodotti dagli organismi viventi sono generati dalle reazioni chimiche, in cui i prodotti possiedono una quantità di energia libera sostanzialmente più bassa di quella dei reagenti, e quindi il valore di G risulta significativamente grande e negativo.

22 Considerazioni termodinamiche Il G G di una reazione può essere calcolato A+B C+D G = G + RT In [C][D] [A] [B] G= variazione dell energia energia libera G = = variazione dell energia energia libera standard R = costante dei gas (8,315 J/mole.K mole.k) T = temperatura assoluta (K) 22

23 Le misure termodinamiche sono basate sulla definizione di uno stato standard in cui le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti sono fissate a 1 Molare. Le energie libere standard G sono calcolate per reazioni che avvengono a 25 C. Per le reazioni che avvengono nei sistemi biologici il cambiamento di energia libera G è misurato a ph

24 G è correlata Termine costante che dipende soltanto dal tipo di reazione che ha luogo. Termine variabile che dipende dalla concentrazione dei reagenti e dei prodotti, dalla stechiometria della reazione e dalla temperatura. 24

25 Il concetto di equilibrio aa+bb cc+dd La composizione di un sistema che sta reagendo tende a cambiare continuamente fino a che non viene raggiunto l equilibrio. Keq = [C] C [D] d [A] a [B] b 25

26 Quando i reagenti sono presenti a concentrazioni vicine ai valori caratteristici della situazione all equilibrio: [C][D]/[A][B]= Keq G=0 REAZIONI VICINE ALL EQUILIBRIO A+B C+D Poiché G è vicino a zero è possibile cambiare la direzione della reazione modificando il rapporto dei prodotti rispetto ai reagenti. 26

27 REAZIONI VICINE ALL EQUILIBRIO A+B C+D Gli enzimi che catalizzano queste reazioni tendono ad agire velocemente per ripristinare le concentrazioni vicine all equilibrio equilibrio. La velocità della reazione è regolata dalle concentrazioni dei reagenti e dei prodotti 27

28 REAZIONI IRREVERSIBILI reazioni metaboliche che funzionano in condizioni molto lontane dall equilibrio. L enzima che catalizza queste reazioni ha un attivit attività insufficiente per consentire il raggiungimento dell equilibrio equilibrio. 28

29 REAZIONI IRREVERSIBILI A+B C+D [C][D]/[A][B]=inferiore a zero e DG G negativo 29

30 In una via metabolica la maggior parte degli enzimi operano in condizioni vicine all equilibrio, La velocità della reazione varia in funzione della concentrazione dei substrati. Alcuni enzimi che operano in condizioni lontane dall equilibrio sono localizzati, nelle vie metaboliche, in posizione startegica. 30

31 Reazione irreversibile Esochinasi La molecola del glucosio induce un cambiamento conformazionale nell esochinasi.

32 II tappa di utilizzo dell ATP (reazione irreversibile) Fosfofruttochinasi Svolge un ruolo centrale nel controllo della glicolisi

33 Controllo del flusso metabolico Il flusso degli intermedi lungo una via metabolica in uno stato stazionario è costante ed è determinato dalla tappa che limita la velocità dell intera via. 1. È la reazione più lenta 2. Il suo prodotto viene rimosso 3. Funziona in una condizione lontana dall equilibrio 4. Possiede G G negativo 33

34 1. Le vie metaboliche sono irreversibili. Una reazione fortemente esoergonica (una reazione con un G G < O) è irreversibile, cioè raggiunge il completamento. Se una reazione di questo genere è parte di una via metabolica costituita da più tappe, essa conferisce una direzione precisa a tutta la via; rende cioè irreversibile l'intera via metabolica. 2. Ogni via metabolica ha una prima tappa di comando. Anche se la maggior parte delle reazioni di una via metabolica operano in condizioni vicine all'equilibrio, di solito vi è una reazione irreversibile (esoergonica( esoergonica) ) nella prima parte della via metabolica che «comanda» al suo prodotto di continuare lungo la via, (così come l'acqua che ha superato una diga non può tornare indietro). 3. Le vie cataboliche e le vie anaboliche sono differenti. Se un metabolita viene convertito in un altro metabolita mediante un processo esoergonico, è necessario fornire energia libera per convertire il secondo metabolita indietro nel primo. Questo processo energeticamente «in salita» richiede una diversa via per almeno alcune delle tappe di reazione.

35 L'esistenza di vie di interconversione indipendenti è un'importante proprietà delle vie metaboliche perché consente il controllo indipendente dei due processi. Se la cellula richiede il metabolita 2, è necessario «spegnere» la via che porta da 2 a 1 e nello stesso tempo «accendere» la via da 1 a 2. A 1 2 X Y Questo tipo di controllo indipendente non sarebbe possibile se non fossero presenti vie metaboliche diverse.

36 Controllo del flusso metabolico Il flusso degli intermedi lungo una via metabolica in uno stato stazionario è più o meno costante: la velocità di sintesi e di demolizione di ogni intermedio in ogni via metabolica ne mantiene costante la concentrazione. Il flusso attraverso una via che si trova nello stato stazionario è costante e viene determinato dalla tappa (o dalle tappe) che determina la velocità dell'intera via. La tappa che limita la velocità di una via metabolica funziona in una condizione lontana dall'equilibrio e possiede una grande variazione negativa di energia libera.

37 Alcuni meccanismi possono controllare il flusso attraverso la reazione che limita la velocità di una via: Controllo allosterico Modificazione covalente (interconversione enzimatica) Cicli del substrato Controllo genetico 37

38 Controllo allosterico. A B C P

39 Modificazione covalente o interconversione enzimatica 39

40 Cicli del substrato A Due reazioni inverse accoppiate: B la velocità può essere aumentata è più sensibile a effettori allosterici r C f D

41 Controllo genetico La concentrazione degli enzimi, e quindi l'attività enzimatica, può essere modificata dalla sintesi della proteina in risposta alle necessità metaboliche Si tratta di un meccanismo di controllo a lungo termine.

42 Composti ad alta energia glucosio C 6 H 12 O O 2 CO H 2 O produzione di una notevole quantità di energia ( G = kj x mole -1 ). palmitato C 16 H O 2 16 CO H 2 O (DG = kj.. mole - 1 ). L energia rilasciata può essere recuperata

43 ATP e trasferimento del gruppo fosforico 43

44 L importanza biologica dell ATP risiede nella grande quantità di energia che si libera durante la rottura dei suoi legami fosfoanidridici. ATP + H 2 O ADP + Pi ATP + H 2 O AMP + PPi 44

45 La conoscenza dell energia energia libera di idrolisi di alcuni composti fosforici ci fa capire la tendenza che essi hanno a trasferire i loro gruppi fosforici agli altri accettori. Tali valori negativi sono chiamati potenziali di trasferimento del gruppo fosforico 45

46 Possono trasferire un gruppo P all ADP Potenziale di trasferimento intermedio 46

47 Reazioni accoppiate - Le reazioni Le reazioni esoergoniche dei composti ad alta energia possono essere accoppiate a processi endoergonici per portarli a completamento Semi-reazione endoergonica Semi-reazione esoergonica Reazione complessiva accoppiata (a) (b) Semi-reazione esoergonica Semi-reazione endoergonica Reazione complessiva accoppiata

48 ROTTURA PIROFOSFORICA NELLA SINTESI DI UN AMMINOACIL-t-RNA L idrolisi altamente esoergonica del pirofosfato (-33,5 kj mole-1) spinge la reazione totale verso il suo compimento.

49 Posizione dell ATP rispetto a composti fosforici ad alta energia e a bassa energia L ATP è continuamente idrolizzato e rigenerato. Nella gerarchia termodinamica l ATP occupa una posizione intermedia. Fosforilazione a livello di substrato: ADP + PEP Fosforilazione ossidativa ATP + glucosio (chinasi)

50 Composti ad alto potenziale di trasferimento del gruppo fosforico 50

51 Fonti di ATP durante l esercizio l fisico

52 La fosfocreatina fosfocreatina costituisce una riserva ad alta energia per la formazione di ATP ATP + creatina Fosfocreatina + ADP In condizioni di riposo Intensa attività metabolica Fosfocreatina = tampone dell ATP in cellule che contengono creatina chinasi

53 Il ciclo ATP-ADP ADP

54 I combustibili più importanti

55 I nucleosidi trifosfati si possono convertire l uno nell altro ATP + NDP ADP + NTP Nucleoside difosfato chinasi. Per la sintesi delle proteine, sintesi degli acidi nucleici AMP + ATP 2 ADP Cambiamenti conformazionali dell adenilato chinasi in conseguenza del legame con il substrato

56 Struttura chimica dell acetil CoA

57 L acetil CoA è un composto ad alta energia. L idrolisi del suo legame tioestere è -31,5 kj mole -1 (reazione leggermente più esoergonica dell idrolisii dell ATP ) La formazione di un legame tioestere in un intermedio metabolico conserva una parte di energia

58 Reazioni di ossidoriduzione 1. Quando avviene l'ossidazione a CO 2 dei carburanti metabolici, gli elettroni vengono trasferiti su trasportatori molecolari che, negli organismi aerobici, li trasferiscono all'ossigeno molecolare. 2. Il processo di trasporto degli elettroni causa la formazione di un gradiente di concentrazione protonica transmembrana che promuove la sintesi di ATP (fosforilazione ossidativa). 3. Le reazioni di ossido-riduzione (chiamate anche reazioni redox) ) forniscono agli esseri viventi la maggior parte della loro energia libera che viene conservata durante le reazioni d ossidazione d dei substrati.

59 NAD + e FAD Riduzione reversibile in modo da poter accettare gli elettroni, passarli su altri trasportatori di elettroni e quindi essere rigenerati per partecipare ad altri cicli di ossidazione e di riduzione.

60 Riduzione del NAD + a NADH

61 Riduzione del FAD a FADH 2

62 Vitamina B 2 : La vitamina B 2, è un complesso di varie vitamine: Riboflavina Folato Nicotinato Pantotenato Riboflavina: è un componente dei gruppi prostetici flavina mononucleotide (FMN) e flavina adenina dinucleotide (FAD). N O N CH 3 O N N CH 3 H H H CH 2 OH OH OH CH 2 OH

63 Ossidazioni e riduzioni Ossidazione = perdita di elettroni Riduzione = acquisto di elettroni. I due processi sono sempre accoppiati Donatore di elettroni e- + accettore di elettroni Accettore di elettroni + e- donatore di elettroni A forma ossidata + B forma ridotta A forma ridotta + B forma ossidata

64 Durante le reazioni redox,, gli elettroni trasferiti possono passare direttamente dai donatori agli accettori: Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu + In alternativa, gli elettroni possono essere trasferiti da un donatore a un accettore mediante un trasportatore di elettroni: X +Y XH 2 + Y H 2

65 Un atomo di idrogeno neutro è in grado di trasferire un singolo elettrone: H e- + H + Lo ione negativo idruro (H - ) è invece in grado di trasferire due elettroni: H - 2e- + H +

66 L ossidazione biologica completa di sostanze organiche nutrienti crea un flusso di elettroni che procede verso l ossigeno mediante una serie di trasportatori di elettroni intermedi che si comportano come un ponte a cestelli: reazione redox esoergonica: gli elettroni passano spontaneamente da un trasportatore a bassa affinità per gli elettroni ad un altro con affinità maggiore e così via. La reazione complessiva è: sostanza organica + O 2 CO 2 + H 2 O + energia

67 Potenziali di riduzione donatore(1) e- + accettore(1) e- + accettore (2) donatore (2) Reazione complessiva = donatore (1) + accettore (2) accettore (1) + donatore (2)

68 Il potenziale di riduzione standard (E 0 ) è una misura quantitativa dell'affinità di un accettore per gli elettroni in una semi-reazione. Per convenzione internazionale, alla semi-reazione H + + e-e 1/2H 2 viene assegnato un potenziale di riduzione standard pari a zero, quando la concentrazione di ioni H + è 1 M e H 2 è presente alla pressione parziale di 101,3 kpa. Questa semi-reazione viene usata come riferimento per la determinazione dei potenziali delle altre semi-reazioni.

69 Il più forte agente ossidante cioè ha elevata affinità per gli elettroni

70 Le reazioni di trasferimento degli elettroni hanno una grande importanza biologica. Nella catena di trasporto degli elettroni, gli elettroni vengono trasferiti dal NADH lungo una serie di accettori di elettroni con potenziali di riduzione crescenti fino all O 2. Questo porta alla sintesi di ATP