Negli organismi viventi la maggior parte dell energia libera richiesta per promuovere le reazioni biochimiche deriva dall ossidazione dei substrati organici. L ossigeno, l accettore finale degli elettroni negli organismi aerobici, è un potente ossidante possiede cioè una spiccata tendenza a ridursi. A causa di questa tendenza e per l abbondanza di ossigeno nella biosfera, non sorprende il fatto che gli organismi viventi abbiano evoluto la capacità di ricavare energia dall ossidazione dei componenti organici. LA CHIMICA DELLE REAZIONI REDOX È SOTTO MOLTI ASPETTI SIMILE ALLE REAZIONI ACIDO-BASE acido (donatore di protoni) D base coniugata - + H + Analogamente in una reazione redox: Composto ridotto (donatore di e - ) D composto ossidato + e - Fe 2+ D Fe 3+ + e - SEMIREAZIONI DI EQUILIBRIO: ACIDO-BASE E REDOX H H + - - - - : : H-Cl + H-N: H-N-H + : Cl : H H - REAZIONE ACIDO-BASE 1
Cu + + Fe 3+ D Cu 2+ + Fe 2+ Riducente + ossidante D riducente ossidato + ossidante ridotto COPPIE REDOX Trasferimento di densità elettronica da un atomo ad un altro. OSSIDAZIONE = perdita di elettroni RIDUZIONE = acquisto di elettroni Elettronegatività è una misura dell attrazione relativa che un atomo ha per gli elettroni di legame 2
Il numero di ossidazione è la carica che un atomo in un composto avrebbe se le coppie elettroniche di legame venissero considerate come appartenenti agli atomi più elettronegativi. H:Cl -1 Andamento dell elettronegatività +1 REAZIONI DI OSSIDO RIDUZIONE COPPIE REDOX Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu + Due semireazioni: Fe 2+ Fe 3+ + e - Cu 2+ + e - Cu + Ossidazioni biologiche comportano spesso deidrogenazioni 3
Trasferimento di elettroni in organica e Numero di ossidazione - + RIDUCENTE C H Più ridotta Numero di ossidazione: È la carica che un atomo in un composto avrebbe se le coppie elettroniche di legame venissero considerate interamente come appartenenti all atomo più elettronegativo In organica si guarda lo stato di ossidazione del carbonio CO 2 O=C=O n.o. = +4 CH 4 Alcani n.o. = -4 4
La forma più ossidata lega più ossigeno La forma più ridotta lega più idrogeno DIVERSI STATI DI OSSIDAZIONE PER IL CARBONIO Forma più ossidata OSSIDANTE Il flusso degli e - nelle reazioni di ossido-riduzione è responsabile, direttamente o indirettamente, di tutto il lavoro prodotto dagli organismi viventi. Le cellule contengono una grande varietà di molecole che si comportano da TRASDUTTORI ENERGETICI Sostanza meno affine e - Forza elettromotrice fem Sostanza più affine 5
OSSIDAZIONI BIOLOGICHE POTENZIALE REDOX PRODUZIONE DI ENERGIA VARIAZIONE DI ENERGIA LIBERA Come si calcola il ΔG ottenibile da una reazione REDOX? E 0 Misura la tendenza di un riducente a perdere elettroni Misurare la tendenza di un riducente a perdere elettroni Una molecola è riducente solo se esiste un ossidante capace di prendere gli elettroni Capace? Quanto capace? La capacità è sempre la stessa per ogni coppia che si ossida? La capacità è sempre la stessa per ogni coppia che si riduce? Come si misura questa capacità? 6
H 2 H + 1M Cella di riferimento Cella contenente il campione da testare Per Per convenzione CONVENZIONE diremo che diremo : che STANDARD DI RIFERIMENTO Fe 2+ Fe 3+ 1M ELETTRODO STANDARD AD IDROGENO Poiché l IDROGENO cede più facilmente gli elettroni al ferro Gli elettroni passano attraverso l elettrodo dalla semicella di riferimento a quella campione H 2 Fem positivo H + si ossida H 2 H + si ossida Fe 3+ Fe 2+ si riduce H 2 Fem negativo H + si riduce La tendenza di un donatore di elettroni a ridurre il suo accettore coniugato è chiamata: POTENZIALE DI OSSIDORIDUZIONE, E. In condizioni standard (25 C, conc. 1M) diventa: POTENZIALE STANDARD DI OSSIDORIDUZIONE E. In condizioni standard ( 25 C, 1M, ph = 0) E 0 dell elettrodo ad idrogeno è = 0 Qualsiasi coppia redox che tenda a cedere elettroni all elettrodo ad idrogeno E 0 negativo coppia redox riducente Qualsiasi coppia redox che tenda ad acquistare elettroni dall elettrodo ad idrogeno E 0 positivo coppia redox ossidante 7
Facilità a cedere elettroni Facilità ad acquistare elettroni OSSIDAZIONI BIOLOGICHE PRODUZIONE DI ENERGIA Misura della tendenza di un riducente a perdere elettroni Negli organismi il carburante da cui ricavare energia, da bruciare, è l alimento sottoforma di carboidrati, lipidi e proteine 8
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O Molte ossidazioni biologiche possono aver luogo senza la partecipazione di ossigeno: DEIDROGENASI In Biochimica gli elettroni prima di essere passati all ossigeno per essere ridotto ad acqua sono passati, attraverso una serie di reazioni, a d u e m o l e c o l e coenzimatiche L ossidazione del glucosio a CO 2 e H 2 O non avviene nelle cellule in una singola reazione C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O ΔG 0 = -2840 KJ/mole Gli elettroni rimossi nelle diverse reazioni di ossidazione vengono trasferiti a molecole specializzate (coenzimi) per il trasporto degli elettroni. NAD + + 2e - + 2H + NADH + H + NADP + + 2e - + 2H + NADPH + H + FMN + H 2 FMNH 2 FAD + H 2 FADH 2 9
IONE IODURO :H - Anello nicotinamidico deriva dalla vitamina niacina o vitamina PP Pellagra Preventive Factor NICOTINAMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE Spettri di assorbimento della luce Uv del NAD + e del NADH 10
IL NAD + è legato all enzima attraverso legami elettrostatici 11
LEGATO ALL ENZIMA DA FORZE ELETTROSTATICHE DEBOLI FLAVIN ADENIN DINUCLEOTIDE FLAVIN MONONUCLEOTIDE Vitamina RIBOFLAVINA vitamina B2 Il FAD è legato covalentemente all enzima 12
Il FAD è legato covalentemente all enzima, che ne determina la capacità ossido riduttiva (potenziale Redox) 13
INTERCONVERSIONE DEI COENZIMI PIRIDINICI La maggior parte delle reazioni BIOLOGICHE di OSSIDO-RIDUZIONE sono processi BIMOLECOLARI cioè reazioni a due substrati uno dei quali è l OSSIDANTE l altro il RIDUCENTE Agenti OSSIDANTI e RIDUCENTI NAD + (NADP + ) Nicotinamide Adenin Dinucleotide (fosfato) FAD Flavina Adenina Dinucleotide NADH (NADPH) FADH 2 14
Ione idruro.. I processi ossido-riduttivi interessano solo la porzione NICOTINAMIDE del NAD e quella FLANINICA del FAD PORZIONE CHE DERIVA DALLA VITAMINA Il potenziale di riduzione del NADH è sempre 220 KJ/mole. Quello del FADH 2 o dell FMNH 2, è minore e, varia perché il suo valore è legato alla struttura della proteina DEIDROGENASI Non possono usare l ossigeno come accettore d idrogeno ma 1.trasferiscono l idrogeno da un substrato all altro 2.Sono componenti della catena respiratoria per il trasporto degli elettroni all ossigeno 15
La vita degli animali evoluti è dipendente dalla presenza di ossigeno RESPIRAZIONE, processo tramite il quale le cellule producono energia libera, sottoforma di ATP, dalla reazione controllata dell idrogeno con l ossigeno per formare acqua. DEIDROGENASI Rimuovono l idrogeno da un substrato per darlo ad un altro substrato OSSIDASI Rimuovono l idrogeno da un substrato per darlo all ossigeno IDROPEROSSIDASI La glutatione perossidasi, contenente selenio come gruppo prostetico, catalizza la decomposizione dell idroperossido e di perossidi lipidici convertendo il glutatione ridotto nella sua forma ossidata Utilizzano come substrato il perossido d idrogeno o un perossido organico H 2 O 2 + AH 2 perossidasi 2H 2 O + A catalasi 2 H 2 O 2 2H 2 O + O 2 La catalasi ha la funzione di degradare il perossido d idrogeno che si genera dall azione delle perossidasi. I perossisomi, che si trovano in molti tessuti sono ricchi di ossidasi e catalasi 16
OSSIGENASI L incorporazione dell ossigeno al substrato avviene i n d u e t a p p e : prima l ossigeno viene legato all enzima poi al substrato Catalizzano il trasferimento e l incorporazione dell ossigeno sul substrato Le DIOOSSIGENASI incorporano entrambi gli atomi di ossigeno A + O 2 AO 2 le MONOOSSIGENASI incorporano solo un atomo di ossigeno nel substrato e l altro atomo è ridotto ad acqua A-H + O 2 + ZH 2 A-OH + H 2 O + Z I citocromi P450 sono monoosssigenasi importanti per la detossificazione di molti farmaci e l ossidrilazione di molti steroidi La superossido dismutasi SOD protegge gli organismi aerobi dalla tossicità dell ossigeno poiché il trasferimento di un singolo elettrone all ossigeno.- genera il radicale libero anione superossido (O 2 ) L enzima è responsabile della rimozione di questo dannoso elemento 17