Modulo 12 : Il metabolismo: concetti di base

Modulo 12 : Il metabolismo:

concetti di base

Il metabolismo

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Il metabolismo è l’insieme di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono nelle cellule (ed in ultima analisi negli organismi) per adempiere a queste funzioni principali:

1. Ottenere energia chimica dall’ambiente

2. Convertire le molecole delle sostanze nutrienti in molecole caratteristiche delle cellule stesse.

3. Sintetizzare i precursori monomerici delle macromolecole e le macromolecole stesse caratteristiche di ogni specie vivente.

Le vie

metaboliche

Classificazione degli organismi in base al tipo di metabolismo

Le principali vie metaboliche sono molto simili in tutti gli organismi viventi.

Esempio: glicolisi è presente in tutte le cellule, prima della comparsa dell’ossigeno nell’atmosfera.

Organismi diversi hanno però differenti strategie per ottenere 1) la fonte di carbonio, 2) una fonte di energia

Il metabolismo (chemoeterotrofi) consiste di una fase degradativa ed una fase biosintetica

prodotti finali semplici Le reazioni anaboliche necessitano di energia fornita sotto forma di ATP e potere riducente

Le vie cataboliche convergono verso pochi intermedi comuni

Il catabolismo aerobico dei chemioeterotrofi consiste di tre fasi:

Fase 1: i nutrienti sono degradati ad amminoacidi, monosaccaridi, glicerolo ed acidi grassi

Fase 2: i metaboliti prodotti nella fase 1 vengono convertiti in pochi intermedi comuni: acetil-Coa, intermedi del ciclo dell’acido citrico.

Fase 3: la combustione dei gruppi acetili a CO₂ and H₂O attraverso il ciclo dell’acido citrico e la fosforilazione ossidativa portano alla conservazione di energia sotto forma di ATP.

Vie corrispodenti del catabolismo e dell’anabolismo differiscono tra loro

Compartimentalizzazione intracellulare negli eucarioti (citosol, mitocondri, reticolo endoplasmico ecc) consente la separazione fisica delle vie metaboliche.

Vie metaboliche che hanno in comune gli stessi composti di partenza e prodotti finali hanno almeno una delle reazioni catalizzata da enzimi diversi. Es cat.

glucosio, acidi grassi etc.

Regolazione indipendente.

Vie indipendenti

Vie con un passaggio indipendente

Una via metabolica deve essere termodinamicamente favorita (DG < 0).

La spontaneità delle reazioni chimiche

Energia libera (di Gibbs) G è una funzione di stato utile per esprimere la direzione verso cui procede spontaneamente una reazione. Determina il lavoro utile ottenibile a T e P costanti

Combina Entalpia (H) e Entropia (S) del sistema

G= H-TS a T costante ΔG= ΔH-TΔS

ΔG< 0 processo spontaneo (reazione esoergonica)

ΔG> 0 processo non spontaneo (reazione endoergonica); ΔG= 0 processo all’equilibrio.

Entalpia (H): funzione di stato, contenuto termico del sistema riflette il n e tipo di legami. Se P e V costanti, ΔH equivale al calore scambiato dal sistema con l'ambiente esterno, ha valore negativo nelle reazione esotermiche.

Entropia (S): funzione di stato che indica il grado di casualità e disordine di un sistema.

Nelle reazioni chimiche riflette il numero di molecole e il loro stato (liquido/gas). ΔS>0 nelle reazioni in cui c’e’ aumento di molecole (disordine).

ΔG e ΔH espressi in joule/mole (1 cal = 4,184 J); ΔS espresso in J/mole*K)

La variazione di energia libera determina la direzione delle reazioni

ΔG= ΔH-TΔS

Se ΔH>0 e ΔS >0 2 casi: ǀT ΔSǀ > ΔH allora ΔG <0 opp.: ǀT ΔSǀ < ΔH allora ΔG >0 Se ΔH<0 e ΔS<0 2 casi: ǀT ΔSǀ > ΔH allora ΔG>0

opp.: ǀT ΔSǀ < ΔH allora ΔG<0

ΔH<0 e ΔS>0

ΔG <0

Molte reazioni endotermiche avvengono spontaneamente (ΔG <0), come pure reazioni in cui S del sistema diminuisce:

Il valore di DG dipende dalle concentrazioni dei reagenti e dei prodotti

Il valore di ΔG dipende dal ΔG°’ e dalla concentrazione iniziale dei reagenti e dei prodotti.

Il valore di ΔG è misura di quanto il sistema è lontano dall’equilibrio:

Quando ΔG=0

ΔG°’= - RT ln = - 2,3RT log₁₀K’_eq Che viene riordinata in:

per una reazione A

+ B

K’eq. = 10-ΔG°’/2,3RT = 10^{-ΔG°’/5,69} [C]_eq[D]_eq

[A]_eq[B] _eq

ΔG = ΔG°’ + RT ln [C] [D]

[A] [B]

ΔG^o' = variazione di energia standard (in condizione standard: pH=7, tutti i reagenti 1M) R = costante dei gas (8,31 J/mole*K); T = temperatura (298K )

La variazione dell’energia libera standard di una reazione è in relazione con la costante di equilibrio della reazione.

All’equilibrio il rapporto tra GAP e DHAP è 0,0475 a 25° (298K) e a pH 7 K’eq =0,0475

ΔG°’= -RT ln K’eq allora = -8,315 ✕ 10^-3 ✕ 298 ✕ln (0,0475)

= +7,53 kJ mol^-1 (+1,80 kcal mol ^-1) ENDOERGONICA Poniamo che [DHAP] = 2 ✕ 10^-4 M

[GAP] = 3 ✕ 10^-6 M

ΔG = 7,53 kJ mol^-1 + RT ln 3 ✕ 10^-6 M/2 ✕ 10^-4 M = Q= azione di massa

= 7,53 kJ mol^-1 – 10,42 kJ mol^-1

= -2,89 kJ mol^-1 (-0,69 kcal mol^-1) ESOERGONICA

Le variazioni di energia libera si possono sommare

I cambiamenti di energia libera delle reazioni accoppiate sono addittivi

I valori di DG di una serie di reazioni (cioè che hanno un intermedio in comune) è uguale alla somma delle variazioni delle energie libere delle singole reazioni

A D B + C DG₁ °’ = +20 kJ/mol B D D DG₂ °’ = - 35 kJ/mol

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ A D C + D DG_tot °’ = -15 kJ/mol

In condizioni standard A non può convertirsi in B + C ma la sua conversione in C + D ha un valore di energia complessivamente negativo.

Una reazione termodinamicamente sfavorita può procedere se accoppiata ad una seconda reazione termodinamicamente favorita (esoergonica) quando DG₁ °’ + DG₂ °’ < 0

Esempio di reazioni accoppiate

Nella reazione catalizzata dal 1° enzima glicolitico, la esochinasi, le due reazioni accoppiate sono:

P_i + glucosio D glucosio-6-P + H₂O ΔG^o' = +13,8 kJ/mol ATP + H₂O D ADP + P_i ΔG^o' = -30,5 kJ/mol Le due reazioni hanno in comune P_i e H₂0, la loro

somma è uguale a :

ATP + glucosio D ADP + glucosio-6-P ΔG^o' = -16,7 kJ/mol

La reazione complessiva è esoergonica.

L’ATP è il trasportatore universale di energia in tutti i sistemi biologici

DG di idrolisi dei legami fosfoanidridici ha una valore molto negativo, fa si che il trasferimento dei gruppi Pi sia favorito energeticamente (elevato potenziale di trasferimento).

I legami fosfoanidridici dell’ATP sono erroneamente detti “legami ad alta energia”.

ATP + H

O D ADP + P

DG°’ = -30,5 kJ mol

ATP + H

O D AMP + 2P

DG°’ = -45,6 kJ mol

Valore delle due idrolisi nelle condizioni intracellulari (tenuto conto delle concentrazioni reali) : 50 kJ mol^-1.

Anche se l’ idrolisi è esoergonica, l’ATP è cineticamente stabile: la sua idrolisi in assenza di un enzima, non avviene facilmente.

Le basi strutturali dell’elevato potenziale di

trasferimento del gruppo fosforico da parte dell’ATP

La variazione di energia libera che accompagna l’idrolisi dell’ ATP ha diverse ragioni che fanno si che i prodotti hanno un minor contenuto di energia libera rispetto i reagenti.

• Il prodotto di idrolisi è stabilizzato da alcune forme di risonanza (sopra).

• La repulsione elettrostatica tra gli atomi di O caricati negativamente è inferiore nei prodotti rispetto all’ATP che ha 4 cariche dello stesso segno strettamente associate.

• La minor energia di solvatazione della fosfoanidride in confronto a quella dei prodotti di idrolisi

L’accoppiamento delle reazioni con la demolizione dell’ATP non avviene per idrolisi ma per trasferimento

del gruppo fosforico

Il rilascio di energia da parte dell’ATP avviene attraverso la partecipazione covalente alla reazione che deve essere guidata o favorita, catalizzando il trasferimento del gruppo P_i che serve ad attivare la molecola reagente o a modificare la conformazione della proteina

(es fosforilazione, trasporto attivo, etc ) .

Esempio: la conversione di glu a gln, processo endoergonico, avviene con la formazione dell’intermedio glutamil-fosfato in grado di reagire poi con il gruppo amminico e formare glutammina.

A B

L’ATP ha un potenziale di trasferimento del gruppo fosforico intermedio.

Questa caratteristica lo rende un trasportatore ideale: l’ATP può donare gruppi P a molecole con potenziale di trasferimento inferiore, mentre quelle

molecole che hanno un

potenziale di trasferimento del gruppo P superiore (rG molto negativo) sono in grado di trasferirlo all’ADP per rigenerare ATP.

Altri composti fosforilati hanno elevati

potenziali di trasferimento del gruppo fosforico

DG°’= - 61,9 kJ mol^-1

DG°’= - 49,3 kJ mol^-1

DG°’= - 43 kJ mol^-1

Altri composti fosforilati con elevata energia di trasferimento di P

Idrolisi dell’1,3 bisfosfoglicerato Idrolisi del fosfoenolpiruvato (PEP)

L’ossidazione delle sostanze nutrienti è la fonte di energia cellulare

Il flusso di elettroni è responsabile di tutto il lavoro prodotto dagli organismi viventi.

Il carbonio delle molecole organiche viene ossidato a CO₂, mentre l’accettore ultimo di elettroni (org. aerobici) è l’O₂.

Quanto > ridotto è lo stato della molecola di partenza, > sarà l’energia ottenibile.

Stato ossidativo del carbonio crescente

Il sistema NAD+/NADH è un trasportatore di elettroni

Il NAD⁺, Nicotinamide Adenin Dinucleotide, è un accettore di elettroni nelle vie cataboliche.

Vengono accettati 2 e^- ed 1 H⁺ (equivalenti ione idruro H-) e si trasforma nella forma ridotta NADH.

NADP+/NADPH è simile, eccetto per il fosfato sul 2’ OH del ribosio. NADPH è il donatore di e^- nelle vie metaboliche biosintetiche.

Gli e^- estratti dalle sostanze nutrienti

non passano

direttamente all’O₂ ma vengono ceduti a dei trasportatori di elettroni: nucleotidi

piridinici e flavine. Reazione complessiva:

NAD⁺ + 2e- + H⁺ « NADH.

Il sistema FAD/FADH

è un trasportatore di elettroni legato alle flavoproteine

FAD (Flavin Adenin Dinucleotide), e FMN sono trasportatori di e^- come gruppi prostetici di enzimi (flavoproteine). La reazione di ossidoriduzione avviene a livello dell’anello isoallossazinico

FAD accetta 2 e^- + 2 H⁺ in due passaggi e si trasforma nel composto ridotto:

FAD + 2 e^- + 2 H⁺ « FADH₂

Il ciclo dell’ATP

L’ATP è una forma di immagazzinamento di energia libera a breve termine: nelle cellule viene normalmente consumato entro un minuto e riformato

Un adulto consuma in media 12000 kJ al giorno

(40 kg di ATP al giorno se non venisse riciclato in continuo)

La produzione di ATP è una delle funzioni principali del catabolismo.

I composti ad alto potenziale di trasferimento di P

possono accoppiare l’ossidazione del C alla sintesi di ATP

C C

CH₂OP O₃^2-

H O

H OH +

2 3 1

Gliceraldeide 3-fosfato

C C

CH2OP O32-

O O^-

H ₂ OH 3

1

-3-fosfoglicerato ossidazione

Il 10% dell’ATP viene prodotto per fosforilazione a livello di substrato

C C

CH₂OP O₃^2- O O^-

H OH

ADP ATP

2 3 1 Mg²⁺

Fosfoglicerato chinasi

C C

CH₂OP O₃^2-

H O

H OH

C C

CH₂OP O₃^2- O OP O₃^2-

H OH

+ P_i

+ H⁺

NAD⁺ NADH ₁

2 3

2 3 1

Gliceraldeide - 3-fosfato

Gliceraldeide -3-P deidrogenasi

L’ossidazione non avviene in modo diretto:

fosforilazione a livello di substrato

1,3 bisfosfoglicerato 3-fosfoglicerato

I gradienti ionici sono una forma di energia cellulare

il 90% dell’ATP cellulare viene prodotto attraverso l’influsso di protoni (H+) secondo gradiente elettrochimico (fosforilazione ossidativa e fotofosforilazione).

Il potenziale elettrochimico dei gradienti ionici (H+) viene prodotto dall’ossidazione delle sostanze combustibili o per fotosintesi.

Questo processo universale che si svolge nei batteri, cloroplasti e mitocondri è detto processo chemiosmotico.

fosforilazione ossidativa

Altri composti con elevato potenziale di trasferimento di gruppo: il coenzima A

Il gruppo sulfidrilico del Coenzima A (CoA-SH) è il sito reattivo per la formazione di tioesteri (acil Coa e acetil Coa).

L’elevata rG di idrolisi del legame tioestere (- 31,4 kJ mol^-1) permette al Coenzima A di avere un elevato potenziale di trasferimento di gruppo (acile). Il trasferimento dell’acetile (acile) è un processo esoergonico.

Il coenzima A è un trasportatore attivato di unità carboniose. Utilizzato in reazioni di transacilazione e di condensazione