Introduzione al Metabolismo e Biosegnalazione Copyright 2013 Zanichelli editore S.p.A.
Il Metabolismo e la sua Regolazione
La biosfera: flusso di energia in un sistema aperto
Una panoramica del metabolismo ConceG chiave Organismi diversi u6lizzano strategie differen6 per ca9urare l'energia libera dell'ambiente che li circonda e possono essere classifica6 a seconda della loro richiesta di ossigeno. La nutrizione dei mammiferi comprende l'assunzione di macronutrien6 (proteine, carboidra6 e lipidi) e di micronutrien6 (vitamine e minerali). Una via metabolica è una serie di reazioni catalizzate da enzimi spesso localizzata in uno specifico compar6mento della cellula. Il flusso del materiale a9raverso una via metabolica varia in funzione delle afvità degli enzimi che catalizzano le reazioni irreversibili. Gli enzimi che controllano il flusso delle vie metaboliche sono regola6 con meccanismi di 6po allosterico, modificazioni covalen6, cicli del substrato e variazioni dell'espressione genica.
Le vie degradaive e quelle biosinteiche sono in relazione tra loro
Bioenerge6ca e Termodinamica ConceG chiave L'energia si conserva e può presentarsi in forme differen6. Nella maggior parte dei sistemi biochimici l'entalpia equivale al calore. L'entropia, una misura del disordine presente in un sistema, tende ad aumentare. La variazione di energia libera di un sistema è determinata dalla variazione di entalpia ed entropia. Un processo spontaneo avviene con diminuzione di energia libera. La variazione di energia libera di una reazione può essere calcolata a par6re da temperatura, concentrazione e stechiometria di reagen6 e prodof. I biochimici definiscono standard le condizioni corrisponden6 ad una temperatura di 25 C, una pressione di 1 atm e un ph di 7,0. Gli organismi sono sistemi aper6, non all'equilibrio, che scambiano costantemente materia ed energia con l'ambiente circostante.
BIOENERGETICA La bioenergeica è lo studio quanitaivo delle trasduzioni energeiche, cioè dei cambiameni di energia da una forma ad un altra Le trasformazioni biologiche dell energia seguono le due leggi fondamentali della termodinamica: a) Primo principio (legge di conservazione dell energia) In qualsiasi modificazione chimica o fisica, la quanità totale di energia nell Universo resta costante L energia può cambiare forma od essere trasferita da una zona ad un altra, ma non può essere né creata né distruva b) Secondo principio In tug i processi naturali, l entropia dell Universo tende ad aumentare (in altre parole, l Universo tende ad essere sempre più disordinato) (Il principio zero della termodinamica afferma che due corpi, ciascuno in equilibrio termico con un terzo, sono in equilibrio termico fra loro Il terzo principio, invece, afferma che l entropia assoluta di un solido cristallino alla temperatura di 0 K è 0)
Le tre enità termodinamiche che descrivono le variazioni di energia che avvengono in una reazione chimica sono: a) L energia libera di Gibbs (G) Essa esprime la quanità di energia in grado di produrre lavoro durante una reazione a temperatura e pressione costani Reazioni con ΔG > 0 sono endoergoniche Reazioni con ΔG < 0 sono esoergoniche b) L entalpia (H) [dal greco ἐν-, dentro, e θάλπειν, bruciare ] Essa rappresenta il contenuto termico del sistema che sta reagendo e rifleve il numero ed il Ipo di legami chimici dei reageni e dei prodog Reazioni con ΔH > 0 sono endotermiche Reazioni con ΔH < 0 sono esotermiche c) L entropia (S) [dal greco ἐν-, dentro, e τροπή, trasformazione ] Essa è un espressione quanitaiva della casualità e del disordine del sistema
In effeg, possiamo definire l entropia secondo il principio di Boltzmann come S=klnW dove k è la costante di Boltzmann e W è la misura dell'insieme di tuve le possibili disposizioni (o probabilità a livello macroscopico) dei livelli molecolari Nelle condizioni esisteni nei sistemi biologici (temperatura e pressione costani), le variazioni di G, H ed S del sistema che sta reagendo sono tra loro correlate, secondo l equazione: ΔG = ΔH - TΔS dove T è la temperatura assoluta (in gradi Kelvin) Nei processi spontanei, ΔS ha segno posiivo e ΔH ha segno negaivo, quindi ΔG ha un valore negaivo Le cellule (sistemi isotermici) hanno bisogno di foni di energia libera per compiere lavoro
La biosfera: flusso di energia in un sistema aperto
Panoramica del catabolismo
Gli stai di ossidazione del carbonio
Gli stai di ossidazione del carbonio
Gli stai di ossidazione del carbonio
Funzioni metaboliche degli organelli eucarioici
Le vie cataboliche e quelle anaboliche sono diverse tra loro
La regolazione retroagva negaiva (feedback negaivo)
I cicli del substrato
Una panoramica del metabolismo Punto di verifica Descrivete le differenze tra autotrofi ed eterotrofi. U6lizzate i termini obbligato, facolta6vo, aerobico, anaerobico, autotrofo ed eterotrofo per descrivere il metabolismo degli esseri umani, delle querce, dell'e. coli e del Methanococcus jannaschii (un organismo che vive nei sedimen6 anossici delle acque profonde). Elencate quali sono le categorie di macronutrien6 e di micronutrien6 necessari al metabolismo dei mammiferi e fate un esempio per ciascuna categoria. Qual è la relazione tra coenzimi e vitamine? Spiegate i ruoli dell'atp e del NADPH nelle reazioni anaboliche e cataboliche.
Una panoramica del metabolismo Punto di verifica Spiegate perché gli enzimi sono necessari per fare procedere le vie metaboliche. Perché tessu6 differen6 potrebbero esprimere diversi isozimi? Che relazione c'è tra le variazioni di energia libera e le costan6 di equilibrio? Spiegate il significato metabolico delle reazioni che avvengono vicino all'equilibrio e di quelle che avvengono lontano dalle condizioni di equilibrio. Discutete i meccanismi tramite i quali può essere controllato il flusso a9raverso una via metabolica. Quali sono i meccanismi in grado di alterare rapidamente il flusso?
I compos6 ad alta energia ConceG chiave Gli organismi ca9urano l'energia libera rilasciata dalla degradazione delle sostanze nutrien6 so9o forma di compos6 ad alta energia quali l'atp, la cui successiva idrolisi è u6lizzata per alimentare le reazioni endoergoniche. L alta energia dell'atp è correlata all'ampia variazione nega6va in energia libera dovuta all'idrolisi dei suoi legami fosfoanidridici. L'idrolisi dell'atp può essere accoppiata a una reazione endoergonica in modo che la reazione complessiva sia favorita. I gruppi fosforici sono trasferi6 dai compos6 a elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosforico a quelli con basso potenziale. Il legame 6oestere nell'ace6l- CoA è un legame ad alta energia.
ATP, ADP, AMP e adenosina
Potenziali di trasferimento del gruppo fosforico e idrolisi del fosfato
Risonanza e stabilizzazione elevrostaica
Reazioni endoergoniche accoppiate all'idrolisi dell'atp
Reazioni accoppiate alla scissione del pirofosfato
Potenziali di trasferimento del gruppo fosforico
ComposI fosforilai ad alta energia
ComposI fosforilai a bassa energia
L'aceIl- CoA
I compos6 ad alta energia Punto di verifica Che 6po di molecole sono u6lizzate dalle cellule come moneta di scambio energe6co? Perché l'atp è un composto ad alta energia? Descrivete come un processo esoergonico può favorire un processo endoergonico. Perché l'afvità della pirofosfatasi inorganica è metabolicamente indispensabile? Quali sono i ruoli della nucleoside difosfato chinasi e dell'adenilato chinasi nella cellula? Perché il legame 6oestere è un legame ad alta energia?
Le reazioni di ossidoriduzione ConceG chiave 14.3 I trasportatori di ele9roni NAD + e FAD acce9ano ele9roni dai metaboli6 ridof e li trasferiscono ad altri compos6. L'equazione di Nernst descrive la termodinamica delle reazioni di ossidoriduzione. Il potenziale di riduzione descrive la tendenza che ha un composto ossidato di acce9are ele9roni (di ridursi); La variazione del potenziale di riduzione di una reazione descrive la tendenza di un dato composto ossidato di acce9are ele9roni da un dato composto rido9o. L'energia libera e il potenziale di riduzione sono nega6vamente correla6: più è elevato il potenziale di riduzione, più nega6va è l'energia libera e più favorita è la reazione.
Riduzione del NAD + a NADH
Flavin adenina dinucleoide (FAD)
Una cella elevrochimica
Potenziali di riduzione standard
Rapporto tra ΔG e ΔE 0 di una reazione di ossidoriduzione 1/2 O 2 + 2H + + 2e - H 2 O E 0 = + 0.82 V NAD + + H + + 2e - NADH E 0 = - 0.32 V 1/2 O 2 + NADH + H + H 2 O + NAD + ΔE 0 = +1.14 ΔG = - nfδe 0 ΔG = - 2 x 96.48 kj mol - 1 V - 1 x 1.14 V = - 220 kj mol - 1
Le reazioni di ossidoriduzione Punto di verifica Quali sono i ruoli metabolici dei coenzimi NAD + e FAD? Spiegate perché il NADH e il FADH 2 sono un 6po di moneta di scambio energe6co nella cellula. Spiegate i termini dell'equazione di Nernst. Quando due semireazioni si combinano, come è possibile predire quale composto verrà ossidato e quale invece verrà rido9o? In che modo il ΔE è correlato al ΔG?