Prof. Giorgio Sartor Nucleotidi e coenzimi Copyright © 2001-2012 by Giorgio Sartor. All rights reserved. Versione 1.6.2 – apr 2012 Basi azotate • Le basi azotate coinvolte nella formazione di nucleotidi e coenzimi appartengono a due famiglie principali: 6 – Purine 5 N1 N 7 3 2 8 9 N 4 N H 4 – Pirimidine N 2 V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 5 3 1 N Nucleotidi e coenzimi 6 -2- Purine • Le basi puriniche sono: NH2 6 Adenina - A N N 6-amminopurina N N H OH 6 Guanina - G 6-idrossi-2-aminopurina H2 N V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N 2 N Nucleotidi e coenzimi N N H -3- Purine • La struttura delle basi puriniche è legata alla tautomeria cheto-enolica: H H3C O H3C CH3 CH3 H3C H O CH3 Guanina - G OH N N H2N V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N O O N H N HN H2N N Nucleotidi e coenzimi N H N HN HN N H N H -4- Pirimidine • Le basi pirimidiniche sono: Timina - T O CH3 HN 2,4-diidrossi-5-metilpirimidina O N H NH2 Citosina – C N 2-idrossi-4-amminopirimidina O N H O Uracile - U 2,4-diidrossipirimidina V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 HN O Nucleotidi e coenzimi N H -5- Pirimidine • Anche la struttura delle basi puriniche è legata alla tautomeria cheto-enolica: H Timina (Uracile) H3C O H3C CH3 CH3 OH HO O CH3 HN HO N Citosina O N N H NH2 N N HO CH3 HN NH2 V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 CH3 O CH3 N H H3C O N Nucleotidi e coenzimi O N H -6- Solubilità • Le basi azotate sono insolubili in acqua, la loro solubilità è aumentata dal legame con molecole molto idrosolubili: CH2OH O • ribosio OH HO OH HO O • 2-deossiribosio HO HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi O OH CH2OH OH O OH OH OH OH -7- Ribosio e 2-deossiribosio -ribosio CH2OH O OH V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 2-deossi--ribosio CH2OH OH O OH OH OH Nucleotidi e coenzimi -8- Nucleosidi • Il legame si forma tra il C1 dello zucchero e con l’atomo di azoto non coinvolto nella tautomeria. • Si formano i nucleosidi, in questo caso l’adenosina. NH2 N N N N N N 5' NH2 H CH2OH OH O N N 3' OH V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N O O HO NH2 N CH2OH 1' 4' OH OH N N 2' OH OH OH Nucleotidi e coenzimi -9- Nucleotidi • La funzione alcolica primaria rimasta libera può essere esterificata con l’acido fosforico (fosfoestere), per esempio con l’adenosina, si ottiene una molecola idrosolubile e carica. Adenosinmonofosfato (AMP) NH2 N N P O O HO O 4' 5' O O N 3' 2' OH Nucleotidi e coenzimi N O 5' O 1' OH V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 P O N N O N N O NH2 1' 3' OH OH - 10 - Nucleotidi • Più in generale: O P O O BASE AZOTATA O --O3PO 5' O OH 5' O 1' 1' 3' 3' V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 BASE AZOTATA OH Nucleotidi e coenzimi OH OH - 11 - Deossinucleotidi • Più in generale: O P O O V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 BASE AZOTATA O BASE AZOTATA --O3PO 5' O 5' O 1' 3' 3' OH OH Nucleotidi e coenzimi 1' - 12 - Nucleotidi ciclici • Anche la funzione alcolica in 3’ può essere esterificata con una funzione acida libera dello stesso acido fosforico, si ottengono i nucleotidi ciclici: cAMP NH2 N N N O O P O 5' N O 3' O V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 OH Nucleotidi e coenzimi - 13 - Nucleotidi e acidi nucleici • Il legame può anche avvenire tra nucleotidi diversi attraverso esterificazioni in 3’ e 5’ per formare catene polinucleotidiche (acidi nucleici). NH NH 2 Nucleotide O P N O 5' O O O O P P O O N O NH2 O P O O 3' Nucleotide O Acido ribonucleico (RNA) V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N O OH P N O 3' O N N N O O O N O N N 5' NH2 OH N O N N N N 2 Deossinucleotide N Nucleotidi e coenzimi O O P Deossinucleotide O Acido deossiribonucleico (DNA) - 14 - Nucleotidi e acidi nucleici RNA V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 DNA Nucleotidi e coenzimi - 15 - Nucleotidi liberi O P O • I monofosfonucleotidi hanno la possibilità di essere ulteriormente fosforilati per formare i difosfonucleotidi (ADP) e i trifosfonucleotidi (ATP) NH2 O O P O N N N N O O 5' O 1' 3' OH OH NH2 O P O O O O P O O O P O N N N N O 5' O 1' 3' OH V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi OH - 16 - Nucleotidi liberi • I monofosfonucleotidi hanno la possibilità di essere ulteriormente fosforilati per formare i difosfonucleotidi (ADP) e i trifosfonucleotidi (ATP) V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 17 - Nucleotidi liberi • I legami che tengono insieme i residui di fosfato sono legami di tipo anidridico. NH2 O P O O O P O N N N N O O 5 O 1 3 OH O O P P O V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 O OH O + 3H2O O Nucleotidi e coenzimi 2 P O OH + 4 H+ O - 18 - ADP e ATP • Legami di tipo anidridico • Legami di tipo fosfoestereo NH2 O P O O N P O N N O NH2 N O O O O OH O O P P O O O P O O OH N N O O OH ADP V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 O N N OH ATP Nucleotidi e coenzimi - 19 - A cosa servono i nucleotidi • Trasporto di energia – ATP (GTP), ADP, AMP, • Segnali intracellulari – cAMP • Trasporto di equivalenti ridotti – NAD+/NADH, NADP+/NADPH – FAD/FADH2 • Trasporto di acili – CoA • … V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 20 - V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 21 - Energia O • ATP O P O O O O P P O O O O N O NH2 N HO N N OH G0’ = -7.3 kcal·mole-1 O • ADP O P O O P O O O N O HO NH2 N N N OH G0’ = -15.3 kcal·mole-1 O • AMP O P O O HO • GTP O O P O O O P O N O NH2 N OH N N O O P O N O O HO O N OH N NH NH2 V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 22 - Trasporto di energia ATP + H2O ADP + PO43G°’ = -7.3 kcal·mole-1 (-30.6 kJ·mole-1) a pH 7 G° = -10 kcal·mole-1 (-42 kJ·mole-1) a pH 9 O P O H .. O O O O P O O P O O O HO H O O O P O O + O P O N O OH N N O O P O O Nucleotidi e coenzimi N O HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 NH2 N NH2 N OH N N - 23 - G°’ • Il valore di G°’ dipende da: – Forza ionica – Concentrazione di Mg++ – Concentrazione di Ca++ • Nelle normali condiziono cellulari vale circa: -12 kcal·mole-1 • I nucleotidi sono contemporaneamente: – – – – Stabili Solubili Carichi Reattivi V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 24 - G°’ • Altre molecole fosforilate hanno G°’ negativo O O H .. O P O O O P O O O O H P O N O O HO NH2 N N N OH O O P O + O P O O O O P O O N O HO NH2 N OH N N G°’ = -7.3 kcal·mole-1 O H HO H H H H HO OH G°’ = -3.3 kcal·mole-1 P O H .. O OH H H O O H H HO OH HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 O H O OH O + O P O O OH H Nucleotidi e coenzimi - 25 - Perché il G°’ dell’ATP vale -30.6 kJ·mole-1? • Repulsione tra cariche – Maggiore in ATP che in ADP O O O O P P P O O O O O O P P O O HO O O NH2 N N N OH N O HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N O O O O NH2 N OH Nucleotidi e coenzimi N N - 26 - Perché il G°’ dell’ATP vale –7.3 kcal·mole-1? • Stabilizzazione per risonanza – Del fosfato O O P O 3-, H+ O O O P O O O = O O O P O V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 O O P O 3-, H+ O P O O O Nucleotidi e coenzimi - 27 - Trasporto di energia ATP + H2O AMP + P2O74- 2PO43G0’ = -7.3 kcal·mole-1 G0’ = -8 kcal·mole-1 O O O O P P P O O H O .. O O O O O HO H N NH2 N OH N N O P O O O N O HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 NH2 N OH N N O + O P O O O O Nucleotidi e coenzimi P O O 2 O P O O - 28 - ATP e Mg++ • Nella cellula l’ATP è spesso complessato con lo ione Mg++ O O O O P P P O O O O Mg++ O N O O HO NH2 N OH N N • Per formare un complesso ibridizzato … V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 29 - Altre molecole “energetiche” • Hanno G0’ negativo nella reazione di idrolisi del gruppo fosfato. G°’= -14.8 kcal·mole-1 G°’= -10.3 kcal·mole-1 O O P O H3C O O H N O O H H G°’= -10.3 kcal·mole-1 O Fosfoenolpiruvato V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 O P O P O Acetilfosfato Nucleotidi e coenzimi O O O NH2+ N H O O Fosfocreatina - 30 - Come si fa a “ricaricare” l’ADP per formare ATP • Attraverso la catalisi di un enzima (piruvato chinasi) ADP PEP O O P O O O P O + O O O P O O N O O H H HO O O O P P O O O NH2 N OH N N O P O O O O NH2 N OH N O OH N O HO N ATP V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 piruvato chinasi + O H H EP Nucleotidi e coenzimi O O H H H O Piruvato - 31 - Reazioni accoppiate • L’idrolisi del fosfato permette, attraverso l’accoppiamento, ad altre reazioni NON SPONTANEE di avvenire ugualmente. • L’ATP viene in genere usato dalla cellula come trasportatore di fosfati e come donatore di energia (sottoforma di G). • Per produrre ATP un modo consiste nell’accoppiarne la sintesi (da ADP e Pi) all’idrolisi di molecole con G di idrolisi maggiore (in valore assoluto). • Tutto ciò avviene attraverso… V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 32 - …gli V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 ENZIMI Nucleotidi e coenzimi - 33 - Enzimi • Permettono l’accoppiamento di reazioni chimiche: –Nello stesso posto –Nello stesso momento V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 34 - Reazioni accoppiate • Consideriamo l’equilibrio A Keq = B [B]eq [A]eq = 10 - G°' = 4 kcal mole-1 G°' RT = 1.15 10-3 (a 25°C) • Se la reazione è accoppiata all’idrolisi di ATP attraverso un enzima: A + ATP + H2O Keq = [B]eq [ADP]eq [Pi]eq [B]eq [A]eq V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 B + ADP + Pi + H+ [A]eq [ATP]eq = [ATP]eq [ADP]eq [Pi]eq G°' = -3.3 kcal mole-1 = 2.67 10 2 Keq Nucleotidi e coenzimi - 35 - Reazioni accoppiate • Nella cellula il rapporto: [ATP] [ADP] [Pi] [B]eq [A]eq ~ 500 = 2.67 102 x 500 = 1.34 105 1.34 105 ~108 1.15 10-3 • In presenza di idrolisi di ATP la Keq di una reazione può aumentare di 108 volte; • Se l’idrolisi di una mole di ATP (-7.3 kcal) non bastano più moli di ATP possono essere impiegate. V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 36 - Reazioni accoppiate AeB • Non sono necessariamente due composti chimici ma possono essere: – differenti conformazioni di una molecola; – differenti concentrazioni di uno ione ai lati di una membrana, – ecc… – … stati iniziali e finali di una TRASFORMAZIONE! V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 37 - Trasporto di elettroni NAD+ nicotinamide adenindinucleotide Acido nicotinico O O OH NH2 N Nicotinamide N O H NH2 O + N O O HO O P O O P O O N O OH HO Nicotinamide NH2 N OH N N Adenina Dinucleotide V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 38 - Trasporto di elettroni Come funziona il NAD+ O H NH2 + N Stato ossidato O O HO O O P P O O NAD+ O O HO H H N O OH NH2 N N N OH + H+ + 2e(H-) O NH2 Stato ridotto N O O HO O O P P O O NADH O O HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi N O OH NH2 N OH N N - 39 - Trasporto di elettroni Come funziona il NAD+ Stato ossidato V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Stato ridotto Nucleotidi e coenzimi - 40 - Trasporto di elettroni H O H NH2 + N + H+ + H O NH2 2eN (H-) R R NAD+ NADH • Trasporta DUE elettroni per molecola • Reazione catalizzata dalle DEIDROGENASI V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 41 - Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12) H come H H 3-fosfogliceraldeide GAP H Intermedio tioacetalico NAD+ G°' = +6.3 kJ mol-1 S O R O 2 OH CH2OPO3-- B 3 + NADH NAD+ HPO4-NAD+ H Complesso H S H O Enzima-substrato O Intermedio aciltioestere R S R H B NAD H H+ --O3P O H O 4 1 + NADH GAP NAD+ NAD+ OH CH2OPO3-- 1,3-bifosfoglicerato 1,3BPG B S O NAD+ 5 O O S H P O OH R B PO3-O O + H+ H B + R 1,3BPG V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 42 - Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12) NAD+ Cys carbossimetilata V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 43 - Trasporto di elettroni NADP+ nicotinamide adenindinucleotide fosfato O H NH2 N O + O O HO O P O O P O O N O OH HO NH2 N N O O P N O O Adenina Fosfato Nicotinamide Dinucleotide V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 44 - Trasporto di elettroni FAD (flavinadenindinucleotide) (Forma ossidata) O H3C N H3C N Base di Shiff ridotta Ribosio in forma aperta NH N H H HO O H H OH H HO O O O P O O P O O N O HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 NH2 N OH N Nucleotidi e coenzimi N - 45 - Trasporto di elettroni FAD (flavinadenindinucleotide) (Forma ossidata) O H3C N H3C N Base di Shiff ridotta Ribosio in forma aperta NH N H H HO O H H OH H HO O O O P O O P O O N O HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 NH2 N OH N Nucleotidi e coenzimi N - 46 - Trasporto di elettroni Come funziona il FAD O H3C H3C N N H H NH N R O + H R H3C N H NH N H O H R' R H + R FADHz (ridotto) FAD (ossidato) V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 N R' H3C H O Nucleotidi e coenzimi - 47 - Trasporto di elettroni Il FAD è legato alle proteine, (in questo caso la alcolvanillilico ossidasi) H H OH O H O OH CH3 Alcool Vanillico V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 O OH CH3 Aldeide Vanillica (Vanillina) Nucleotidi e coenzimi - 48 - Coenzima A • Gli acili e • gli acetili O R H3 C O • Vengono trasportati dal coenzima A (CoA) acido pantotenico HS H H N N O ADP O H OH O O H3C CH3 P O O O P O O N O -mercaptoetilamina O HO P O NH2 N OH N N O V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 49 - Trasporto di acili • Attraverso la formazione di un legame tioestere R O S H H N N O O H OH O O H3C CH3 O P O P O O O Legame tioestere O O P O N O NH2 N OH N N O V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 50 - Proteina acil-CoA • Complesso tra la proteina legante acil-CoA, Coa e palmitoile V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 51 - Coenzimi • Molecole non proteiche legate che permetto a proteine di svolgere attività enzimatiche: – – – – – – – – – Tiamina (Vit. B1) Tiamina pirofosfato Riboflavina (Vit. B2) FAD e FMN Acido Nicotinico (niacina; Vit. B3) NAD+ e NADP+ Piridossina, piridossale, piridossamina (Vit. B6) Piridossalfosfato Acido pantotenico Coenzima A Biotina legata alla carbossilasi Acido folico Tetraidrofolato Cobalamina (Vit. B12) coenzimi a cobamide Acido ascorbico (Vit. C) antiossidante V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 52 - Tiamina (Vit. B1) H + N N H3C N S OH NH2 CH 3 O H + N N H3C N NH2 CH 3 V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 O S P P O O O O O Nucleotidi e coenzimi - 53 - Piridossina, piridossale, piridossamina Piridossalfosfato (Vit. B6) H OH H OH HO + N H H O H OH HO + N CH3 CH3 O O P H OH HO + N CH3 H H H NH2 O O OH O + N CH3 H V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 54 - Piridossina, piridossale, piridossamina Piridossalfosfato V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 55 - Biotina OH S O CH3 H3C NH HN O V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 56 - Acido folico e acido tetraidrofolico O N N H2 N N N H H2 N N N H V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 H O O OH OH N H N N OH H N O O OH N O H O N H H O H H H Nucleotidi e coenzimi - 57 - Cobalamina (Vit. B12) H2N O NH2 O H3C H2N N H H3C N H2N O N 3+ H Co HN R CH3 CH3 CH3 CH3 O NH2 O CH3 H3C O HO HO N NH2 N OH N N CH3 CN- HN O H3C HO O P H2N HN O O OH N O CH3 CH3 O HO V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 58 - Acido ascorbico (Vit. C) OH O H HO OH H O H O H + H V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 59 - V.1.6.2 © gsartor 2001-2012 Nucleotidi e coenzimi - 60 - Crediti e autorizzazioni all’utilizzo • Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica: – CHAMPE Pamela , HARVEY Richard , FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BIOCHIMICA [ISBN 9788808-17030-9] – Zanichelli – NELSON David L. , COX Michael M. I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER - Zanichelli – GARRETT Reginald H., GRISHAM Charles M. BIOCHIMICA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli – VOET Donald , VOET Judith G , PRATT Charlotte W FONDAMENTI DI BIOCHIMICA [ISBN 9788808-06879-8] - Zanichelli • E dalla – – – – consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali: Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes http://www.genome.ad.jp/kegg/ Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/ Protein Data Bank: http://www.rcsb.org/pdb/ Rensselaer Polytechnic Institute: http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/MB1index.html • Il materiale è stato inoltre rivisto e corretto dalla Prof. Giancarla Orlandini dell’Università di Parma alla quale va il mio sentito ringraziamento. Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: http://www.ambra.unibo.it/giorgio.sartor/ oppure da http://www. gsartor.org/ Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l’autore usando questa frase: Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor Università di Bologna a Ravenna Giorgio Sartor - [email protected]