MPSTI AD ALTA ENERGIA
ENTALPIA: misura della variazione di energia di una reazione condotta a pressione costante H = E + P V ENTRPIA: misura del grado di disordine S = k lnw (k=cos di Boltzmann, cioè la cost dei gas R/n. di Avogadro; W numero di sottostati di uguale energia)
L ENERGIA LIBERA DI GIBBS G = H-TS Questa funzione di stato tiene conto sia del termine entalpico (H), che misura la variazione di energia a pressione costante, sia di quello entropico (S), che valuta l importanza del grado di disordine. Per una variazione di ENERGIA LIBERA ( G) in un sistema a temperatura e pressione costante possiamo scrivere: G = H - T S Una diminuzione di energia ( H negativo) e/o un aumento di entropia ( S positivo) sono tipici delle trasformazioni favorite, e entrambe queste condizioni tenderanno a rendere il G negativo. Un processo in un sistema isolato a pressione e temperatura costanti è favorito se il G è NEGATIV!!!
Le trasformazioni accompagnate da variazioni negative dell energia libera si dicono ESERGNIHE e sono termodinamicamente favorite, mentre le trasformazioni accompagnate da variazioni positive dell energia libera si dicono ENDERGNIHE e sono termodinamicamente sfavorite (è favorita la reazione inversa). Se H = T S allora G = 0 Allora la trasformazione non è favorita né in un senso né nell altro: il sistema è all equilibrio. In questa condizione la reazione è reversibile, cioè, può essere spostata in qualsiasi direzione da una spinta infinitesimale in un senso o nell altro. Il segno del G di un processo indica se questo processo, oppure il suo contrario, sia termodinamicamente favorito. Il valore assoluto del G è indicazione di quanto il processo sia lontano dall equilibrio.
Molte reazioni necessarie per la vita sono ENDERGNIHE (ad es. trasporto contro gradiente di concentrazione), tali reazioni intrinsecamente sfavorite possono essere rese termodinamicamente favorite accoppiandole a reazioni fortemente esoergoniche. A B G = + 10 kj/mole D G = -30 kj/mole se la cellula riuscirà ad accoppiare queste due reazioni il G per il processo complessivo sarà dato dalla somma algebrica dei singoli valori : A B G = + 10 kj/mole D G = -30 kj/mole A + B + D G = -20 kj/mole L equilibrio del processo complessivo risulta ora molto spostato a destra. B risulta quindi efficientemente prodotto a partire da A.
Il composto : MPSTI AD ALTA ENERGIA A B G = + 10 kj/mole D G = -30 kj/mole Alcune molecole hanno un energia standard di idrolisi fortemente negativa ( G), ossia i prodotti di reazione hanno contenuto energetico molto minore di quello del substrato di partenza. Il composto in sé non ha più energia, né il legame è un legame speciale (anzi la rottura di un legame costa sempre energia). E il G di idrolisi ad essere altamente esoergonico.
FATTRI HE NTRIBUISN A RENDERE negative LE G DI IDRLISI DEI MPSTI A ALTA ENERGIA 1. Delocalizzazione degli elettroni del legame -P: la stabilizzazione per risonanza del P i comporta che i prodotti siano + stabili dei reagenti, cioè a uno stato energetico inferiore. Le diverse forme di risonanza (W) fanno aumentare l entropia del sistema (S = k lnw) che influisce sul G ( G = H - T S) facendolo aumentare. 2. Ulteriore idratazione dei prodotti di idrolisi: il rilascio del P i aumenta le possibilità di idratazione, specialmente quando i prodotti sono carichi. Tale idratazione è uno stato energeticamente favorito. 3. Repulsione elettrostatica tra prodotti carichi: nella maggior parte dei casi l idrolisi di tali molecole a alta energia genera prodotti carichi, la repulsione tra questi prodotti ionici favorisce fortemente la reazione di idrolisi. 4. Aumento di stabilizzazione per risonanza delle molecole prodotte: in alcuni casi non è solo il P i che si stabilizza per risonanza ma anche la restante parte della molecola (PEP piruvato).
Le categorie di composti ad alta energia più importanti sono due: TIESTERI MPSTI FSFRILATI
I tioesteri rispetto agli esteri normali hanno un livello energetico più alto. Negli esteri normali vi è una delocalizzazione degli elettroni π, che conferisce carattere di parziale doppio legame al -. Nei tioesteri le maggiori dimensioni dell S riducono il grado di delocalizzazione, risulta quindi ridotto il grado di stabilizzazione per risonanza G di idrolisi maggiore. H 3 TIESTERE S R G di idrolisi del tioestere Stabilizzazione dell estere per risonanza H 3 ESTERE NRMALE R H 3 Stabilizzazione per risonanza - - G di idrolisi dell estere normale
Acetil-oA + H 2 acetato + oa + H + ( G = -32,2 kj/mole) Acetil-oA H 3 SoA H 2 oash IDRLISI Acido Acetico H 3 H H + INIZZAZINE Acetato H 3 - Stabilizzazione per risonanza
I composti fosforilati presenti nelle cellule possono essere distinti in due gruppi in base alla loro energia libera di idrolisi: A BASSA ENERGIA ( G < -25 kj/mole) A ALTA ENERGIA ( G > -30 kj/mole)
MLELE AD ALTA ENERGIA E RELATIVI G MPST FSFRILAT kj/mole Fosfoenolpiruvato -61.9 1,3bifosfoglicerato ( 3fosfoglicerato +P i ) -49.3 fosfocreatina -43.0 ADP ( AMP+ P i ) ATP( ADP+ P i ) -30.5 ATP( AMP+ PP i ) -32.2 AMP ( adenosina+ P i ) -14.2 PP i ( 2P i ) -33.4 Glucosio-1-P -20.9 Fruttosio-6-P -15.9 Glucosio-6-P -13.8 Glicerolo-1-P -9.2 Acetil-oA -31.4
Il PEP, quando viene idrolizzato, genera piruvato che esiste in due forme tautomeriche (enolica e chetonica) molto più stabili del substrato iniziale. PEP 3- + H 2 piruvato + P i ( G = -61,9 kj/mole) - - - H 2 P - H 2 P I idrolisi - - H tautomerizzazione H 2 H 3 PEP PIRUVAT forma enolica PIRUVAT forma chetonica
Un discorso speciale merita la molecola di ATP che pur avendo un G di idrolisi meno negativo è il composto ad alta energia universalmente utilizzato nei sistemi biologici per le reazioni accoppiate, le biosintesi, il lavoro meccanico, osmotico, etc ATP: adenosina trifosfato
ATP 4- + H 2 ADP 3- + P i 2- + H + ( G = -30,5 kj/mole) - P - H 2 P P Rib Ade nina - Idrolisi con rimozione della repulsione tra le cariche ATP 4- - - P - P H - Stabilizzazione per risonanza - 3 - - - H + P H - H + P - P P Rib Ade nina ADP 2- - ionizzazione P Rib Ade nina ADP 3- - La reazione di idrolisi del legame fosfoanidridico genera due prodotti: ADP e Pi. Il primo si ionizza rilasciando un protone, il secondo si stabilizza per risonanza.
G TERI E REALE I G di idrolisi delle molecole considerate differiscono dai G reali perché all interno della cellula la concentrazione di ATP, ADP e P i sono molto inferiori alla concentrazione standard 1M rispetto alla quale il G ècalcolato. Anche il ph può non essere 7 e la temperatura può non essere 25, tali valori dipendono in genere dalla specie considerata. Equazione che descrive il G reale di idrolisi dell ATP, considerando il ph=7: G = G + RT ln [ADP] [Pi ] / [ATP] Anche ammettendo ph 7 e T=25 la G reale in base alle concentrazioni passa da -30.5 kj/mole a -51.8 kj/mole nel globulo rosso. Pertanto il G reale varia da una cellula all altra e nel tempo in base alle condizioni metaboliche.
Se poi si corregono T, ph e presenza di ioni si hanno ulteriori fluttuazioni: nel caso dell ATP, ad es., il Mg ++ può mascherare cariche negative, modificando dei gruppi fosforici. G reale per ATP: -50 kj/mole -65 kj/mole P P Mg ATP 2- P R ib Adenina Mg ++ P P R ib Mg ADP - Adenina Mg ++
Generalmente l idrolisi dell ATP nelle reazioni accoppiate comprende 2 fasi: 1.a) trasferimento del gruppo P i sul substrato o dell AMP sul substrato o enzima. ATP ADP + P i (caso I) ATP AMP + PP i (caso II) 1.b) conseguente aumento di E libera ( G) di substrato o enzima. 2. Rilascio P i o AMP. Esistono tuttavia casi in cui la scissione dell ATP in sè fornisce l energia atta a far cambiare conformazione ad es. ad una proteina carrier.
caso I NH 3 + - H NH 3 ATP ADP P I - NH 3 + H H 2 Glutammina sintetasi H 2 H 2 H 2 - glutammato ATP P I NH 2 glutammina L ATP fosforila il δ del glutammato formando così un anidride tra il gruppo carbossilico e l acido fosforico, che subisce un attacco nucleofilo da parte dell N dell ammoniaca dando origine al prodotto ammidico: la glutammina. ADP NH 3 + - H H 2 H 2 δ P - - NH 3 Glutammil fosfato
caso II IL DELLA BILUMINESENZA DELLE LUILE N N H - H S S H H Luciferina delle lucciole H N S N S H H H H P Rib Adenina Luciferina adenilato AMP Luciferina adenilato 2 La transizione da luciferina-adenilato a ossi-luciferina consente l emissione di fotoni. PP I ATP ssiluciferina Luce 2 + AMP Luciferina reazioni di rigenerazione
MPSTI FSFRILATI A BASSA ENERGIA I composti fosforilati a potenziale più negativo possono trasferire il gruppo fosforico all ADP per dare ATP il quale può trasferirlo ai prodotti di idrolisi (es.fruttosio) dei composti a G meno negativo (es. a dare F6P). I composti fosforilati a bassa energia sono tali perché i loro prodotti di idrolisi non possono avere stabilizzazioni per risonanza (sono alcooli). -H 2 P i H 2 H In questo contesto l ATP si comporta come una moneta di scambio universale.
G -70-60 -50-40 1,3-bifosfoglicerato P HH H 2 P fosfoenolpiruvato - H 2 P P fosfocreatina REATINA -30 ADENINA Rib P P P ATP omposti ad alta energia -20-10 Glucosio 6P GliceroloP omposti ad bassa energia P i