Introduzione al metabolismo
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Funzioni del metabolismo
1- Ottenere energia chimica
2- Convertire le molecole
3-Polimerizzare i precursori monomerici
4- Sintetizzare e degradare le biomolecole
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Il metabolismo è tradizionalmente
diviso in due parti:
1) Il catabolismo, o degradazione
2) L’anabolismo, o biosintesi
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Catabolismo:
Sostanze nutrienti
CO2 + H2O + Energia utilizzabile
Anabolismo:
Energia utilizzabile + piccole molecole
Molecole complesse
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In base all’agente ossidante utilizzato:
1. Aerobi obbligati
2. Anaerobi
3. Aerobi facoltativi
4. Anaerobi obbligati
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Strategie trofiche
In base all fonte di energia libera:
1. Autotrofi (in
grado di sintetizzare tutti i loro costituenti a partire
da molecole più semplici come H2O, CO2)
chemiolitotrofi ( attraverso
come NH3, H2S )
fotoautotrofi ( mediante
2. Eterotrofi ( ottengono
l’ossidazione di composti inorganici
fotosintesi
)
energia dall’ossidazione di composti organici
come carboidrati, lipidi e proteine
)
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Ruoli dell’ATP e del NADP+ nel metabolismo
(acetil CoA)
L’ATP e il NADPH sintetizzati mediante la degradazione
di metaboliti complessi sono la fonte di energia libera
per le reazioni di biosintesi e per altre reazioni.
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SGUARDO GENERALE AL CATABOLISMO
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Nella cellula le vie metaboliche hanno localizzazioni
specifiche.
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Negli organismi multicellulari
esiste una compartimentazione
a livello di tessuti e organi.
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Specializzazione dei tessuti:
ISOENZIMI
Catalizzano la stessa reazione
Sono codificati da geni diversi
Hanno proprietà cinetiche e regolatorie differenti
LDH tipo M e tipo H
COO-
NADH + H+
COO-
NAD+
O
HO
CH3
Acido piruvico
lattico deidrogenasi
H
CH3
Acido lattico
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Energia, vita e
prima legge della termodinamica
lavoro meccanico, che muove una cellula, un organello
o un qualsiasi oggetto contro una forza gravitazionale
o frizionale;
lavoro di gradiente, che crea gradienti di
concentrazione e gradienti elettrici attraverso una
membrana;
lavoro di sintesi, che contempla la formazione e la
rottura di legami e la produzione di nuovi composti.
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Prima legge della termodinamica
Durante una modificazione chimica o fisica,
l'energia non viene né creata né distrutta; la
quantità totale di energia resta costante e
può essere convertita in forme diverse.
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Energia libera ed equilibrio
L'energia libera di un composto viene definita
come la variazione di energia che è associata alla
formazione di quel composto a partire da
elementi puri.
La variazione di energia libera (DG) di una
reazione chimica corrisponde all'energia libera
posseduta dai prodotti (G, prodotti) sottratta
dell'energia libera dei reagenti (G, reagenti):
DG = G prodotti – G reagenti
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Quando il sistema si modifica verso uno stato che
possiede meno energia (G prodotti inferiore a G
reagenti), DG ha valore negativo e la reazione è detta
esoergonica perché libera energia. Questa reazione
procede spontaneamente.
DG = G prodotti – G reagenti
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Quando invece è necessario fornire energia
per fare avvenire una reazione che
altrimenti non avverrebbe,
DG ha valore positivo e la reazione è detta
endoergonica. Questa reazione non procede
spontaneamente.
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DG = G prodotti – G reagenti
I processi spontanei hanno DG negativo e
sono detti
esoergonici.
I processi non spontanei hanno DG positivo
e sono detti
endoergonici.
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19
Energia libera ed equilibrio
All'energia libera (abbreviata con G, che sta per energia
libera di Gibbs) di qualsiasi elemento puro nella sua
forma più stabile alla temperatura di 298 K (25°C) e alla
pressione di 101,3 kPa (1 atm) viene assegnato il valore
O.
L'energia libera di un composto viene definita come la
variazione di energia che è associata alla formazione di
quel composto a partire da elementi puri.
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La variazione di energia libera (DG) di una reazione chimica
corrisponde all'energia libera posseduta
dai prodotti (G, prodotti)
sottratta dell'energia libera
dei reagenti (G, reagenti):
DG = G prodotti – G reagenti
Il DG di una reazione è una misura della quantità teorica massima
di lavoro che una reazione può generare a temperatura e pressione
costanti.
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La maggior parte dei lavori meccanici, dei lavori di
gradiente e del lavoro di sintesi che vengono prodotti
dagli organismi viventi sono generati dalle reazioni
chimiche, in cui i prodotti possiedono una quantità di
energia libera sostanzialmente più bassa di quella dei
reagenti, e quindi il valore di DG risulta
significativamente grande e negativo.
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Considerazioni termodinamiche
Il DG di una reazione può essere calcolato
A+B D C+D
DG = DG° + RT In [C][D]
[A] [B]
DG= variazione dell’energia libera
DG°= variazione dell’energia libera standard
R = costante dei gas (8,315 J/mole . K)
(K) e Keq è la costante di equilibrio.
T = temperatura assoluta (K)
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Le misure termodinamiche sono basate sulla definizione di
uno stato standard in cui le concentrazioni dei reagenti e
dei prodotti sono fissate a 1 Molare .
Le energie libere standard DG° sono calcolate per reazioni
che avvengono a 25°C.
Per le reazioni che avvengono nei sistemi biologici il
cambiamento di energia libera DG°’ è misurato a pH 7.0
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Termine costante
D G è correlata
che dipende soltanto dal tipo di reazione
che ha luogo.
Termine variabile
che dipende dalla concentrazione dei
reagenti e dei prodotti, dalla stechiometria
della reazione e dalla temperatura.
D G = DG° + RT ln [C][D]
[A] [B]
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Il concetto di equilibrio
aA+bB D cC+dD
La composizione di un sistema che sta reagendo
tende a cambiare continuamente fino a che non
viene raggiunto l’equilibrio.
Keq = _______
[C]C [D]d
[A]a [B]b
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Quando i reagenti sono presenti a concentrazioni vicine
ai valori caratteristici della situazione all’equilibrio:
[C][D]/[A][B]= Keq
e DG=0
REAZIONI VICINE ALL’EQUILIBRIO
A+B D C+D
Poiché DG è vicino a zero è possibile cambiare la direzione della
reazione modificando il rapporto dei prodotti rispetto ai reagenti.
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DG0 di una reazione dipende dalla Keq quando DG=0
D G = DG° + RT ln [C][D]
[A] [B]
DG0 = - RT ln Keq
R = costante dei gas (8,315 J/mole . K)
T = temperatura assoluta (K)
Keq = costante di equilibrio
NB.: bisogna sempre assumere che
di una reazione è 298 K (25 C°).
la temperatura
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REAZIONI VICINE ALL’EQUILIBRIO
A+B D C+D
Gli enzimi che catalizzano queste reazioni tendono ad
agire velocemente per ripristinare le concentrazioni
all’equilibrio.
La velocità della reazione è regolata dalle concentrazioni
dei reagenti e dei prodotti
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REAZIONI IRREVERSIBILI
reazioni metaboliche che funzionano in
condizioni molto lontane dall’equilibrio.
L’enzima che catalizza queste reazioni ha
un’attività insufficiente per consentire il
raggiungimento dell’equilibrio.
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REAZIONI IRREVERSIBILI
A+B
C+D
[C][D]/[A][B]=inferiore a zero
e DG negativo
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In una via metabolica la maggior parte degli enzimi
operano in condizioni vicine all’equilibrio (la velocità
della reazione varia in funzione della concentrazione dei
substrati).
Alcuni enzimi che operano in condizioni lontane
dall’equilibrio sono localizzati, nelle vie metaboliche, in
posizione startegica.
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Considerazioni termodinamiche
1. Le vie metaboliche sono irreversibili.
2. Ogni via metabolica ha una prima tappa di
comando.
3. Le vie cataboliche e le vie anaboliche sono
differenti.
A
1
2
X
Y
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Controllo del flusso metabolico
Il flusso degli intermedi lungo una via metabolica in uno
stato stazionario è costante ed è determinato dalla
tappa che limita la velocità dell’intera via.
1. È la reazione più lenta
2. Il suo prodotto viene rimosso
3. Funziona in una condizione lontana dall’equilibrio
4. Possiede DG negativo
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Alcuni meccanismi possono controllare il flusso
attraverso la reazione che limita la velocità di una via:
Controllo allosterico
Modificazione covalente (interconversione
enzimatica)
Cicli del substrato
Controllo genetico
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Controllo allosterico.
A
B
C
P
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Modificazione covalente o interconversione
enzimatica
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Se vr e vf rappresentano le velocità di
due reazioni opposte, ma non
all’equilibrio, catalizzate de enzimi
diversi, vr e vf possono essere modificate
in modo indipendente.
Il flusso (vr -vf ) per esempio può essere
aumentato non soltanto aumentando la
reazione diretta ma anche rallentando
ma anche rallentando la reazione inversa.
Cicli del substrato
A
B
r
f
C
Il flusso lungo un tale ciclo del substrato
è più sensibile alla concentrazione di
effettori allosterici rispetto al flusso
attraverso una singola reazione non
all’equilibrio che non sia accoppiata alla
reazione inversa.
D
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Controllo genetico
La concentrazione degli enzimi, e quindi l'attività
enzimatica, può essere modificata dalla sintesi
della proteina in risposta alle necessità metaboliche
Si tratta di un meccanismo di controllo a lungo termine.
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Composti ad alta energia
C6H12O6 + 6 O2  CO2 + 6 H2O
produzione di una notevole quantità di energia
(DG = - 2850 kj x mole-1).
C16H3202 + 23 O2
16 CO2 + 16 H2O
(DG°’= - 9781 kJ. mole-1).
L’energia rilasciata può essere recuperata
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ATP e trasferimento del gruppo fosforico
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L’importanza biologica dell’ATP risiede nella grande
quantità di energia che si libera durante la rottura dei
suoi legami fosfoanidridici.
ATP + H2O
ADP + Pi
ATP + H2O
AMP + PPi
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La conoscenza dell’energia libera di
idrolisi di alcuni composti fosforici ci fa
capire la tendenza che essi hanno a
trasferire i loro gruppi fosforici agli
altri accettori.
Tali valori negativi sono chiamati
potenziali di trasferimento del gruppo
fosforico
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Possono trasferire
un gruppo P all’ADP
Potenziale di
trasferimento
intermedio
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Reazioni accoppiate - Le reazioni esoergoniche dei composti ad alta energia
possono essere accoppiate a processi endoergonici per portarli a
completamento
(a)
Semi-reazione endoergonica 1
Semi-reazione esoergonica
Reazione complessiva accoppiata
(b)
Semi-reazione esoergonica 1
Semi-reazione endoergonica
Reazione complessiva accoppiata
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ROTTURA PIROFOSFORICA NELLA SINTESI DI UN
AMMINOACIL-t-RNA
L’idrolisi altamente esoergonica del pirofosfato (-33,5 kJ mole1) spinge la reazione totale verso il suo compimento.
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Posizione dell’ATP rispetto a composti
fosforici ad “alta energia” e a “bassa
energia”
L’ATP è continuamente
idrolizzato e rigenerato.
Nella gerarchia termodinamica
l’ATP occupa una posizione
intermedia.
Fosforilazione a livello di
substrato: ADP + PEP
Fosforilazione ossidativa
ATP + glucosio (chinasi)
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Composti ad alto potenziale di trasferimento
del gruppo fosforico
49
Fonti di ATP durante l’esercizio fisico
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La fosfocreatina
costituisce una riserva ad alta
energia per la formazione di ATP
ATP + creatina
Fosfocreatina + ADP
In condizioni di riposo
Intensa attività metabolica
Fosfocreatina = “tampone” dell’ATP in cellule che contengono
creatina chinasi
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Il ciclo
ATP-ADP
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I combustibili più importanti
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I nucleosidi trifosfati si possono convertire
l’uno nell’altro
ATP + NDP
ADP + NTP
Nucleoside difosfato chinasi.
Per la sintesi delle proteine, sintesi degli acidi nucleici
AMP + ATP
2 ADP
Cambiamenti conformazionali dell’adenilato
chinasi in conseguenza del legame con il
substrato
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Struttura
chimica
dell’acetil CoA
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L’acetil CoA è un composto ad alta energia.
L’idrolisi del suo legame tioestere è -31,5
kJ mole -1
(reazione leggermente più esoergonica
dell’idrolisii dell’ATP)
La formazione di un legame tioestere in un
intermedio metabolico conserva una parte di
energia
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Reazioni di ossidoriduzione
1. Quando avviene l'ossidazione a CO2 dei carburanti
metabolici, gli elettroni vengono trasferiti su
trasportatori molecolari che, negli organismi aerobici, li
trasferiscono all'ossigeno molecolare.
2. Il processo di trasporto degli elettroni causa la
formazione di un gradiente di concentrazione protonica
transmembrana che promuove la sintesi di ATP
(fosforilazione ossidativa).
3. Le reazioni di ossido-riduzione (chiamate anche reazioni
redox) forniscono agli esseri viventi la maggior parte
della loro energia libera che viene conservata durante le
reazioni d’ossidazione dei substrati.
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NAD+ e FAD
Riduzione reversibile
in modo da poter accettare gli elettroni, passarli
su altri trasportatori di elettroni e quindi essere
rigenerati per partecipare ad altri cicli di
ossidazione e di riduzione.
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Riduzione del NAD+ a NADH
59
Riduzione del
FAD
a FADH2
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Vitamina B2:
La vitamina B2, è un complesso di varie vitamine:
riboflavina, folato, nicotinato e pantotenato.
Riboflavina: è un componente dei gruppi prostetici
flavina mononucleotide (FMN) e flavina adenina
dinucleotide (FAD).
O
N
O
N
N
CH3
N
CH3
CH2
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
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Ossidazioni e riduzioni
Ossidazione = perdita di elettroni
Riduzione = acquisto di elettroni.
I due processi sono sempre accoppiati
Donatore di elettroni D e- + accettore di elettroni
Accettore di elettroni + e- D donatore di elettroni
A forma ossidata + B forma ridotta D A forma ridotta + B
forma ossidata
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Durante le reazioni redox, gli elettroni trasferiti possono
passare direttamente dai donatori agli accettori:
Fe2+ + Cu2+ D Fe3+ + Cu+
In alternativa, gli elettroni possono essere trasferiti da un
donatore a un accettore mediante un trasportatore di
elettroni:
XH2 + Y D X +Y H2
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Un atomo di idrogeno neutro è in grado di
trasferire un singolo elettrone:
H D e- + H+
Lo ione negativo idruro (H-) è invece in grado di
trasferire due elettroni:
H- D 2e- + H+
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L’ossidazione biologica completa di sostanze organiche
nutrienti crea un flusso di elettroni che procede verso
l’ossigeno mediante una serie di trasportatori di
elettroni intermedi che si comportano come un ponte a
cestelli:
reazione redox esoergonica: gli elettroni passano
spontaneamente da un trasportatore a bassa affinità per
gli elettroni ad un altro con affinità maggiore e così via. La
reazione complessiva è:
sostanza organica + O2 D CO2 + H2O + energia
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Potenziali di riduzione
donatore(1) D e- + accettore(1)
e- + accettore (2) D donatore (2)
Reazione complessiva = donatore (1) + accettore (2)
D accettore (1) + donatore (2)
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Il potenziale di riduzione standard (E0) è una
misura quantitativa dell'affinità di un accettore
per gli elettroni in una semi-reazione.
Per convenzione internazionale, alla semi-reazione
H+ + e- D 1/2H2
viene assegnato un potenziale di riduzione
standard pari a zero, quando la concentrazione di
ioni H+ è 1 M e H2 è presente alla pressione
parziale di 101,3 kPa.
Questa
semi-reazione
viene
usata
come
riferimento per la determinazione dei potenziali
delle altre semi-reazioni.
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Il più forte agente
ossidante cioè ha
elevata affinità per
gli elettroni
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Le reazioni di trasferimento degli elettroni
hanno una grande importanza biologica.
Nella catena di trasporto degli elettroni, gli
elettroni vengono trasferiti dal NADH lungo
una serie di accettori di elettroni con
potenziali di riduzione crescenti fino all’O2.
Questo porta alla sintesi di ATP.
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Tecniche di perturbazione di una via
metabolica.
1.Uso di inibitori metabolici
2.Difetti genetici (mancanza di specifici
enzimi)
3.Manipolazione genetica
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