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Franca Esposito » 7.Bioenergetica


Bioenergetica

La bioenergetica studia i fenomeni termodinamici applicati alle reazioni biochimiche (trasduzioni cellulari di energia).

Gli organismi compiono processi vitali (lavoro biologico) operando in condizioni isotermiche ed isobare, prendendo energia da fonti esterne e trasformandola per vari scopi (sintesi di molecole, omeostasi, movimento, calore, trasporto attivo di molecole).

I sistemi biologici sono quindi aperti, perché c’è scambio di energia e materia con l’esterno; in ogni caso anche i processi biologici devono obbedire alle leggi della termodinamica.

Dal momento che i processi biologici sono isotermici ed isobari, può essere usata solo energia chimica, che nell’uomo deriva dall’assunzione di sostanze nutrienti.

Lezione della Prof. Margherita Ruoppolo

Variazione di energia libera delle reazioni chimiche

In ciascun processo chimico o fisico, si verificano cambiamenti di energia libera, correlati alle variazioni di entalpia e di entropia:

  • il DH (entalpia) misura il calore scambiato durante il processo; un valore negativo di ΔH indica calore ceduto

(ΔH < 0 ⇒ reazione esotermica, entalpicamente favorita)

  • il DS (entropia) misura invece il grado di disordine del sistema; un valore positivo di DS indica un aumento di disordine

(ΔS > 0 ⇒  reazione entropicamente favorita)

A pressione e temperatura costanti, i due parametri entalpia ed entropia sono associati alla differenza di energia libera di Gibbs (ΔG) in un’equazione con cui si misura il lavoro compiuto durante la reazione

ΔG = ΔH – T • ΔS

Dal valore di DG si può stabilire la spontaneità della reazione

  • ΔG < 0 ⇒  reaz. esoergonica (spontanea nel verso diretto)
  • DG = 0 ⇒  reaz. all’equilibrio
  • ΔG > 0 ⇒ reaz. endoergonica (avviene la reazione opposta)

DG’°

E’ possibile correlare il DG di una reazione con la sua costante di equilibrio (Ke):
ΔG°= condizioni standard

reagenti in fase gassosa P = 1 atm; T = 25°C

[reagenti] e [prodotti] = 1 M

In condizioni diverse da quelle standard il DG si calcola in base al rapporto tra _prodotti_ e _reagenti_ della reazione:

ΔG = ΔG° + R • T • ln K

K = [prodotti]/[reagenti]

Quando si raggiunge l’equilibrio risulta che: DG = 0 e K = Ke

Pertanto 0 = ΔG° + R • T • ln Ke
da cui: ΔG° = – R • T • ln Ke

Nei sistemi biologici le reazioni avvengono in condizioni di neutralità (pH = 7); inoltre si considera [H2O] = costante (55,5 M).

Risulta quindi utile definire il DG° in questa condizione biologica, indicata come ΔG’°; analogamente K’e invece di Ke.

Pertanto: ΔG’° = – R • T • ln K’

Energetica delle vie metaboliche

All’interno di una via metabolica si incontrano reazioni reversibili, esoergoniche o endoergoniche che, per condurre al prodotto finale, seguono un unico verso.

Reazioni reversibili (ΔG ≈ 0)

In questo caso sono le concentrazioni di substrato/i e di prodotto/i che regolano la posizione dell’equilibrio e quindi il verso della reazione.
Nelle reazioni reversibili l’enzima non è in genere soggetto a regolazione ed agisce solo accelerando il raggiungimento dell’equilibrio.

Reazioni esoergoniche (ΔG < 0)

In genere sono tappe cruciali di una via metabolica, agendo da “driving force” per le tappe che stanno a monte e/o garantendo la direzionalità dell’intero processo.
Gli enzimi di tali reazioni sono in genere soggetti a regolazione perché, solo regolando l’attività dell’enzima, è possibile bloccare o accelerare la reazione.

Energetica delle vie metaboliche (segue)

Reazioni endoergoniche (ΔG > 0)

E’ necessario accoppiare la reazione endoergonica con una fortemente esoergonica.
Infatti sono additivi i valori di DG di due reazioni, in cui un prodotto della prima è substrato della seconda (reazioni con intermedi in comune).

Quindi il gruppo fosforico terminale dell’ATP è trasferito al glucosio, e ciò rende l’intero processo esoergonico.

La necessità dell’accoppiamento tra reazioni endoergoniche ed endoergoniche è frequente nelle tappe anaboliche di sintesi, nel trasporto di metaboliti, nella trasmissione di impulsi o movimenti.

Nella prima tappa della glicolisi la fosforilazione del glucosio ad opera dell’esochinasi è resa possibile dall’accoppiamento con la reazione di idrolisi dell’ATP.

Nella prima tappa della glicolisi la fosforilazione del glucosio ad opera dell'esochinasi è resa possibile dall'accoppiamento con la reazione di idrolisi dell'ATP.


ATP

il DG idrolisi ATP ha un valore fortemente negativo.
Spesso l’idrolisi di ATP comporta il trasferimento del gruppo fosforico terminale ad un altro composto (trasduzione di energia).

Sia ATP che ADP esistono nella cellula sempre sotto forma di complesso con lo ione Mg2+.
Il reale valore del DG di idrolisi di ATP tiene quindi anche conto della [Mg2+].

Adenosina trifosfato: ATP. Tratto da “Principi di biochimica” di A.L.Lehninger ed. Zanichelli.

Adenosina trifosfato: ATP. Tratto da "Principi di biochimica" di A.L.Lehninger ed. Zanichelli.


ATP (segue)


Idrolisi dell’ATP

L’idrolisi di ATP riduce la repulsione elettrostatica tra le 4 cariche negative di ATP (2 cariche vanno su Pi e 2 su ADP).

Il fosfato libero (Pi) viene stabilizzato per risonanza più della fosfoanidride.

La ionizzazione di ADP accresce la sua stabilità.

La solvatazione di ADP e Pi è più efficiente di quella di ATP.

Anche se la sua idrolisi è termodinamicamente spontanea, ATP è cineticamente stabile (energia di attivazione elevata).

Tratto da  “I principi di biochimica di Lehninger” David L. Nelson & Michael M. Cox ed Zanichelli.

Tratto da “I principi di biochimica di Lehninger” David L. Nelson & Michael M. Cox ed Zanichelli.


ATP e Reazioni

Anche se spesso non appare dallo schema di reazione, l’ATP non guida la reazione con la sua semplice idrolisi (fornendo quindi energia sotto forma di calore), ma partecipa covalentemente ad essa, donando il fosfato terminale.

Infatti in molti casi la reazione avviene in due tappe, che prevedono la formazione di un intermedio fosforilato (reazione 1+2).

Es: glutammato —————> glutammina

In altri casi l’energia dell’idrolisi di ATP è usata per indurre un cambio conformazionale sulla proteina a cui si lega, in questi casi l’idrolisi fornisce energia per effettuare:

  • movimento (contrazione muscolare: actina, miosina, …)
  • trasporto (scambio ionico: pompa Na+/K+, …)
Reazione glutammina sintetasi ATP dipendente.
Tratto da DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Reazione glutammina sintetasi ATP dipendente. Tratto da DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


ATP e DG’°

Composti fosforilati e ΔG’°. Tratto da DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Composti fosforilati e ΔG'°. Tratto da DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


Fosfocreatina

Anche dalla rottura del legame P–N si ottengono due prodotti, creatina e Pi, stabilizzati per risonanza.

Il DG’° dell’idrolisi della fosfocreatina non è molto distante da quello dell’idrolisi di ATP (DG’° = –30,5 kJ/mol).

Quindi in certe condizioni si verifica sintesi di fosfocreatina accoppiata ad idrolisi di ATP (catalizzata da creatina chinasi).

Creatina + ATP → Fosfocreatina + ADP

ΔG’° = +12,5 kJ/mol

Sono le concentrazioni intracellulari di reagenti e prodotti che determinano il verso della reazione.


Tioesteri

Anche il legame tioestereo è ad alto contenuto energetico perché la sua idrolisi è una reazione fortemente esoergonica.

Il più comune tioestere è l’Acetil-CoA, in cui il gruppo acetilico viene tioesterificato dal Coenzima A (CoASH).

La reazione è fortemente esoergonica perché il prodotto (acetato) è stabilizzato per risonanza.

La tioesterificazione è il modo con cui si attiva un gruppo acilico per ottenerne poi la transacilazione, condensazione o ossidazione.


Reazioni di ossido-riduzione di interesse biologico

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli


Ossido-riduzioni biologiche

Gli enzimi coinvolti in queste reazioni sono chiamati ossido-riduttasi e sono a loro volta suddivisi in quattro gruppi:

  1. Deidrogenasi: enzimi che ossidano substrati rimuovendo H; usano coenzimi che, accettando gli H, si trasformano in forma ridotta (non usano O come accettore di H)
  2. Ossidasi: catalizzano reazioni in cui interviene l’ossigeno molecolare, che viene ridotto ad H2O o H2O2
  3. Idroperossidasi: hanno i perossidi come substrato e quindi svolgono funzioni protettive (catalasi, perossidasi)
  4. Ossigenasi: catalizzano l’ossidazione di un substrato tramite l’incorporazione diretta di O2 (l’atomo di O si riduce)

Ossido-riduzioni biologiche (segue)

Le ossido-riduzioni biologiche comportano quindi una rimozione di elettroni da substrati (in genere da atomi di C), che può avvenire con una delle seguenti modalità.

Molto comuni sono le deidrogenazioni in cui gli atomi di carbonio si ossidano perdendo atomi di idrogeno.

In questo caso la cessione dell’idrogeno comporta anche la perdita di 2 elettroni (2 e), che accade con due meccanismi diversi:

  • sotto forma di due atomi di idrogeno (2 ioni H+ e 2 e)

Esempio:

OOC–CH2–CH2–COO + FAD → –OOC–CH=CH–COO + FADH2

succinato                                                             fumarato

  • sotto forma di uno ione idruro H (H+ + 2 e) e uno ione H+

Esempio:

OOC–CH2–CHOH–COO + NAD+OOC–CH2–C=O–COO + NADH + H+

malato                                                                          ossalacetato

Ossido-riduzioni biologiche (segue)

Altre reazioni di ossido-riduzione biologiche comportano il trasferimento diretto di 2 elettroni, non collegati quindi al trasferimento anche di atomi (trasferimento di elettroni nei citocromi della catena respiratoria).

Esempio:

2 citoc. c1(Fe2+) + 2 citoc. ossid.(Cu2+)  → 2 citoc. c1(Fe3+) + 2 citoc. ossid.(Cu+)

Un altro tipo di ossido-riduzione biologica è l’ossigenazione diretta di un substrato; in questo caso i 2 elettroni sono trasferiti all’atomo di ossigeno.

Esempio:

R–CH3 + 1/2 O2 R–CH2–OH

Un elettrone scambiato in una qualsiasi reazione di ossido-riduzione biologica, indipendentemente dal modo (come H, H, e, O) con cui è trasferito, è indicato come equivalente riducente.

Sono sempre 2 gli equivalenti riducenti scambiati in una reazione di ossido-riduzione biologica.

Flusso di elettroni e lavoro biologico

Dai valori di E’° (potenziali standard di riduzione a pH 7) si ottengono quelli di DE’° con accoppiamenti tra coppie redox.

Dai DE’° si ricavano DG’° (lavoro sull’ambiente) con tale equazione:

DG’° = – n•F•DE’°

Pertanto, se DE’° > 0, la reazione è esoergonica perché DG’° < 0.


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