La termodinamica studia i flussi/trasformazioni di energia. Bioenergetica: termodinamica applicata ai sistemi biologici

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1 LA CAPACITÀ DI USARE ENERGIA È CARATTERISTICA DEI SISTEMI VIVENTI Bisogni degli esseri viventi: Energia (luce, molecole organiche) Catalizzatori biologici (enzimi) La termodinamica studia i flussi/trasformazioni di energia Bioenergetica: termodinamica applicata ai sistemi biologici

2 Energia: capacità di compiere un lavoro o meglio Capacità di causare specifici cambiamenti 1. Lavoro di sintesi: cambiamenti nei legami chimici (turnover, crescita) 2. Lavoro meccanico: cambiamenti nella localizzazione o nell orientamento di una cellula o di una sua parte 3. Lavoro di concentrazione: movimento di molecole attraverso una membrana contro gradiente di concentrazione 4. Lavoro elettrico: movimento di ioni attraverso una membrana contro un gradiente elettrochimico. 5. Calore: aumento di temperatura (utile negli animali a sangue caldo,omeotermi). 6. Bioluminescenza: produzione di luce

3 Gli organismi viventi ottengono E dalla luce del sole (fototrofi) o dalle molecole organiche del cibo (chemiotrofi). ENTROPIA: disordine (S) ENTALPIA: calore (H) Flusso di energia attraverso la biosfera è unidirezionale: sole biosfera entropia universo Flusso di materia è ciclico Il nitrato ( inorganico ) è trasformato dalle piante in ammoniaca e lo usano per la sintesi di Aa, proteine, nucleotidi, ac. nucleici.

4 Tutte le forme di energia possono essere di due tipi: CINETICA o energia di movimento (movimento di elettroni, onde, atomi etc; es: E. elettrica, E. Termica, suono, velocità, ) POTENZIALE o energia di posizione (o energia immagazzinata; es energia chimica, nucleare, molla compressa, )

5 Concetto di sistema in termodinamica Sistema: porzione di universo considerato relativamente agli scambi di energia (sotto forma di calore o lavoro) con ambiente circostante. NB: Chiuso: scambia solo E Aperto: sia E che massa

6 Gli esseri viventi sono sistemi aperti!

7 I legge della termodinamica: Legge della conservazione dell E. L energia può essere convertita da una forma all altra, ma non può mai essere creata né distrutta. Nel caso delle reazioni e dei processi biologici si è maggiormente interessati al cambiamento di ENTALPIA o contenuto di calore (H). H = E + PV Nelle reazioni biologiche P e V = 0 Becker et al. H = H prodotti H reagenti H negativo : reazione esotermica; H positivo: reazione endotermica

8 II legge della termodinamica:aumento dell entropia S In ogni cambiamento chimico e fisico il disordine complessivo del sistema e dell ambiente (universo) aumenta sempre. In base al I e II principio della termodinamica Energia libera = G H = G + T S G = H T S Ogni reazione spontanea è caratterizzata da una diminuzione di E libera ( G sistema < 0) e da un aumento di entropia ( S universo > 0). Tutte le reazioni che avvengono spontaneamente hanno come conseguenza una diminuzione nel contenuto di Energia libera del sistema. Le reazioni esoergoniche liberano energia ( G negativo) spontanee Una reazione endoergonica richiede E ( G positivo) non spontanee

9 La variazione di energia libera ( G) indica se la reazione è spontanea G negativo spontanea G positivo non spontanea Nei viventi metabolismo include reazioni sia esoergoniche che endoergoniche Strategia dell accoppiamento delle reazioni! in modo che G complessivo<0

10 L accoppiamento tra 2 reazioni/processi in una cellula può avvenire: tra reazioni diverse ma con intermedio comune Formazione di proteina in stato/conformazione attivato (es proteine motrici) Uso di gradienti elettrochimici Es. energia potenziale sotto forma di gradiente di concentrazione

11 Luce solare Ossidazione nutrienti fototrofi chemiotrofi ATP L ATP è la molecola più usata dai viventi per accoppiare reazioni esoergoniche ed endoergoniche. ATP ha alta energia potenziale nei legami dei gruppi P la rimozione/idrolisi del P è fortemente esoergonica Cioè ha un alto potenziale di trasferimento del gruppo P

12 L ATP libera energia utile per le reazioni endoergoniche attraverso il trasferimento del gruppo fosfato. ATP Lavoro chimico Lavoro meccanico Lavoro di trasporto Membrana della proteina P + Proteina motrice P Soluto Reagenti P P P Prodotto Molecola formata Proteina mobile Soluto trasportato P ADP + P

13 Becker et al. Diminuzione della stabilizzazione per risonanza dei gruppi carbossilato e fosfato in seguito alla formazione di legami. (b) Un legame anidridico dà come risultato una maggiore delocalizzazione elettronica in entrambi i prodotti, quindi ha una maggiore energia di idrolisi

14 Becker et al. Perché l idrolisi dell ATP è tanto esoergonica? L idrolisi dell ATP a ADP + Pi è esoergonica a causa della -repulsione di carica tra gruppi fosfato e -della stabilizzazione per risonanza di entrambi i prodotti dell idrolisi. -Quindi il prodotto di reazione è + stabile e favorito termodinamicamente La vera struttura dei gruppi fosfato è in realtà la media delle strutture che vi contribuiscono, detta IBRIDO DI RISONANZA, nel quale gli e in eccesso sono delocalizzati su tutti i possibili legami

15 Becker et al. Importante: l ATP è un composto fosforilato ad E intermedia! La coppia ATP/ADP rappresenta un mezzo reversibile per conservare, trasferire e rilasciare E all interno della cellula. L E libera rilasciata al momento dell idrolisi dell ATP fornisce la forza per trascinare i numerosi processi necessari per la vita.

16 Ciclo dell ATP Catabolismo respirazione cellulare L ATP è continuamente consumata e rigenerata Lavoro cellulare (anabolismo, trasporto molecole, attivazione proteine,..)

17 Anche i coenzimi trasportatori di elettroni (NAD, FAD, NADP) sono molecole con alto contenuto di energia potenziale potenziale di trasf. di e-

18 In una reazione reversibile all equilibrio la tendenza a dare prodotti o reagenti è la stessa L equilibrio è influenzato dalla concentrazione di reagenti e prodotti Nei sistemi biologici le reazioni sono quasi sempre tenute lontane dall equlibrio! L energia libera associata al sistema è minima all equilibrio e aumenta quando ci si sposta dall equilibrio in una delle 2 direzioni! dg<0 reazione procede vs dx dg=0 reazione all equilibrio dg>0 reazione procede vs sx

19 R: costante dei gas T: 298Kelvin=25 C

20 G dice solo se una reazione può avvenire, ma non dice se avverrà (valore assoluto =energia scambiata; segno: spontaneità, direzione del processo). NB: le uniche reazioni che avvengono a velocità apprezzabile in una cellula sono quelle per le quali sono presenti e attivi i catalizzatori proteici (enzimi) o ad RNA (ribozimi) appropriati. Il ruolo di un catalizzatore è quello di abbassare l energia di attivazione (E a ) richiesta per fare avvenire una reazione. In questo modo la reazione è accelerata L accelerazione della velocità di reazione è detta CATALISI

21 L energia di attivazione (EA) è la quantità minima di E cinetica che le molecole di reagente devono possedere per consentire il verificarsi delle collisioni, che portano alla formazione del prodotto. Attivazione termica frazione molecole con alta energia (b) Il numero di molecole con sufficiente energia per superare la barriera dell (EA) e collidere può aumentare alzando la temperatura da T1 a T2. non realizzabile nei viventi Catalisi EA l Ea può essere abbassata da un catalizzatore, aumentando in tal modo il numero di molecole da N1 a N 2

22 Che cosa fa un catalizzatore? Legando i reagenti ad una sorta di superficie in modo da giustapporre le parti potenzialmente reattive di molecole adiacenti, è favorita la loro interazione ed effettivamente ridotta l E di attivazione. Fornire questa superficie reattiva è compito del CATALIZZATORE. NB: Il catalizzatore non è permanentemente modificato o consumato al procedere della reazione. Es di catalizzatori: enzimi, ribozimi, metalli UN CATALIZZATORE: 1) la velocità di una reazione ( volte) 2) Forma complessi transitori con le molecole di substrato, legandosi ad esse in modo da facilitarne interazione 3) Cambia solo la velocità con cui si raggiunge l equilibrio, ma non può in alcun modo far avvenire una reazione endoergonica.

23 Gli enzimi sono proteine che agiscono come catalizzatori biologici: accelerano la velocità delle reazioni senza alterare il G. Con la catalisi l enzima abbassa l Energia di attivazione richiesta affinchè la reazione inizi

24 Ogni enzima contiene un SITO ATTIVO che riconosce e lega specificamente il substrato e dove avviene l evento catalitico. Sito attivo: tasca molecolare in cui si inserisce specificamente il substrato

25 Gli aa del sito attivo generalmente non sono contigui lungo la sequenza primaria, ma vengono portati vicini col ripiegamento 3D della catena polipeptidica. Tipico è anche il coinvolgimento di Aa in posizioni distanti lungo la struttura primaria. Dei 20 Aa solo pochi sono implicati nei siti attivi: cisteina, istidina, serina, aspartato, glutammato, lisina. Alcuni enzimi includono componenti NON proteiche: i cofattori COFATTORI= piccole molecole organiche (coenzimi) oppure ioni metallici che spesso partecipano alla catalisi in modo determinante.

26 Grazie al sito attivo gli enzimi hanno un elevato grado di specificità di substrato. ENZIMI x sintesi o degradazione: specificità di gruppo ( più economico per la cellula).

27 Gli ENZIMI sono altamente specifici nell interazione col substrato e per il tipo di reazione catalizzata Ogni cellula possiede migliaia di enzimi specifici per diverse reazioni La catalisi avviene favorendo lo stato di transizione: 1. Portare vicine tra loro molecole dei reagenti 2. Orientarle come nello stato di transizione 3. Creare microambiente che ne agevola reazione Caratteri degli enzimi 1. Elevata specificità 2. Regolazione 3. Sensibilità a T, ph, forza ionica,..

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29 Interazione enzima-substrato a)modello chiave serratura- rigido b)modello adattam.indotto distorsione di enzima e substrato reazione favorita Le reazioni catalizzate da enzimi sono volte più veloci!

30 L attività degli enzimi è influenzata da temperatura e ph. T elevata denatura l enzima stomaco intestino La DIPENDENZA DAL PH è generalmente dovuta alla presenza di uno o più Aa carichi nel sito attivo e riflette l ambiente fisiologico in cui l enzima opera. Sensibilità ad altri fattori: substrati alternativi Ambiente ionico.

31 a) V reazione aumenta con aumento di enzima (eccesso di substrato) b) V reazione aumenta fino ad un MAX se la conc. di enzima è costante saturazione

32 Inibizione degli enzimi Inibizione reversibile e irreversibile a) Inib revers. competitiva b) Inib revers. non competitiva

33 Inibitori enzimatici come farmaci specifici e selettivi Es. Sulfonammidi, antibiotici, farmaci antitumorali,

34 Regolazione allosterica L Enzima esiste in due forme attiva /non attiva, determinate dal legame con effettore allosterico (positivo o negativo) su sito allosterico (diverso dal sito attivo) Enzimi multimerici; subunità catalitiche e regolatorie; cooperatività

35 Inibitori e/o effettori allosterici possono regolare l attività enzimatica Es: inibizione a feed-back (o da prodotto finale). Un prodotto metabolico inibisce uno degli enzimi coinvolti nella catena metabolica che porta alla sintesi del prodotto.

36 Oltre alla regolazione allosterica molti E sono anche soggetti a controllo mediante modificazione chimica. A) Aggiunta/rimozione di gruppi P a) Fosforilazione ad opera delle protein- chinasi: trasferimento di un gruppo fosfato dall ATP al gruppo OH di una serina, treonina o tirosina. b) Defosforilazione ad opera delle protein-fosfatasi Es: glicogeno fosforilasi regolata mediante fosforilazione/defosforilazione

37 B) Taglio proteolitico Es: proteasi pancreatiche sintetizzate come precursori inattivi

38 Non tutti gli enzimi sono proteine! Ribozima Auto-excisione e splicing dell introne dal pre-rrna: Una molecola precursore di rrna di Tetraymena contiene un introne in grado di catalizzare la propria excisione dalla molecola di pre.rrna. Altri es.: ribonucleasi P, ribosomi

39 A seguito del preciso adattamento chimico tra il sito attivo di un enzima e i suoi substrati, gli enzimi sono molto efficaci quali catalizzatori. Le reazioni catalizzate da enzimi sono volte più veloci.

40 Attivazione del substrato. Il ruolo del sito attivo non è solo quello di riconoscere e legare l opportuno substrato, ma è anche quello di attivare il substrato. 1) Il cambiamento nella conformazione dell enzima, indotto dal legame iniziale del substrato al sito attivo, causa non solo una migliore complementarietà e un più stretto adattamento E-S, ma anche distorce 1 o più legami del substrato indebolendoli e rendendoli più suscettibili all attacco catalitico. 2) L Enzima può anche accettare o donare protoni, aumentando la reattività chimica del substrato. 3) Gli Enzimi possono anche accettare o donare e -, formando in tal modo legami covalenti temporanei tra E e S.