Metabolismo intermedio
Comprende tutte le reazioni che riguardano l’immagazzinamento e la produzione di energia metabolica e l’impiego di questa energia per la biosintesi di composti a basso peso molecolare e composti che servono come riserva energetica.
Metabolismo energetico
Comprende quella parte del metabolismo intermedio che consiste nell’insieme di quelle vie che immagazzinano e generano energia metabolica.
Vie centrali del metabolismo
Sono vie responsabili della manipolazione di quantità di materia ed energia metabolica relativamente grande; comportano l’ossidazione di molecole ad alto contenuto energetico (come il glucosio) e la sintesi di piccole biomolecole dai frammenti che ne risultano.
La lezione è della Prof. Marina De Rosa
La maggior parte dell’energia biologica deriva dall’ossidazione dei metaboliti ridotti in una serie di reazioni, in cui l’ossigeno è l’accettore finale degli elettroni.
L’energia potenziale conservata nei substrati organici viene rilasciata il piccole aliquote rendendo più agevoli il controllo dell’ossidazione e la cattura dell’energia.
Generalmente si verificano una serie di reazioni accoppiate di ossido-riduzione, nelle quali gli elettroni vengono passati ad una serie di trasportatori intermedi come il NAD+ ed infine trasferiti all’ossigeno.
Questa sequenza di reazioni viene detta catena di trasporto degli elettroni o catena respiratoria, mentre l’ossigeno è detto accettore finale di elettroni.
La bioenergetica è lo studio quantitativo delle trasduzioni energetiche che avvengono nelle cellule, essa descrive come gli organismi ottengono, incanalano e usano l’energia.
Le trasformazioni biologiche dell’energia seguono le leggi della termodinamica.
Un sistema rappresenta quella parte di universo che vogliamo studiare; esso può essere: isolato, cioè non scambiare né energia né materia con l’ambiente oppure aperto, quando energia e materia possono entrare ed uscire.
Le cellule e gli organismi viventi sono sistemi aperti, cioè scambiano energia e materia con il loro ambiente esterno.
“Nell’ambito di un sistema isolato il grado di disordine può solo aumentare”.
Termodinamicamente ciò si rende possibile grazie alla continua assunzione di energia, restituita all’ambiente sotto forma di calore.
Le cellule producono continuamente lavoro, hanno quindi bisogno di energia per mantenere organizzate le loro strutture e promuovere la sintesi dei componenti cellulari, il movimento, ….
Tre entità termodinamiche descrivono le variazioni di energia che avvengono in una cellula.
Entalpia (H): è il contenuto termico di un sistema che sta reagendo; esso riflette il numero ed il tipo di legami chimici dei regenti e dei prodotti.
Entropia (S): è un’espressione quantitativa della casualità e del disordine di un sistema.
Energia libera di Giggs (G): esprime la quantità di energia in grado di produrre lavoro durante una reazione a temperatura e pressione costante; essa è definita come: G = H – TS
La variazione di energia libera ΔG è una misura del lavoro utile massimo ottenibile dalle reazioni.
Essa rappresenta la forza che spinge una reazione.
ΔG= ΔH – TΔS
La variazione di energia libera standard di una reazione chimica è direttamente correlata alla costante di equilibrio
La variazione di energia libera standard di una reazione chimica consente di prevedere la direzione della reazione:
La variazione di energia libera reale dipende dalla concentrazione dei reagenti e dei prodotti:
Le variazioni di energia libera si possono sommare. Questo principio della bioenergetica spiega come una reazione termodinamicamente sfavorita (endoergonica) possa essere guidata in avanti mediante il suo accoppiamento con una reazione altamente esoergonica, se è presente un intermedio comune.
Una reazione endoergonica può essere spinta in avanti mediante il suo accoppiamento con una reazione altamente esoergonica
L’ATP è il collegamento chimico tra il catabolismo e l’anabolismo.
Gli eterotrofi ottengono energia libera dal catabolismo delle sostanze nutrienti, utilizzata poi per produrre ATP.
L’ATP dona parte della sua energia libera ai processi endoergonici. Nel metabolismo cellulare inteso come catabolismo ed anabolismo possiamo identificare 3 fasi:
L’ATP è un nucleotide costituito da una adenina, un ribosio ed un gruppo trifosfato. La sua struttura è mostrata nella figura in alto.
L’ATP dona gruppi fosforici, pirofosforici e adenilici. Nella figura in basso è mostrato il trasferimento del gruppo fosforico (a), del gruppo pirofosforico (b), del gruppo adenilico (c).
L’ATP fornisce energia mediante trasferimento di gruppi.
Basi chimiche
L’idrolisi dell’ATP avviene spesso in due tappe:
Reazione di idrolisi dell'ATP a) reazione scritta in un'unica tappa; b) reazione reale in due tappe)
Basi chimiche
Il potenziale di fosforilazione dell’ATP nelle cellule è variabile.
L’idrolisi dell’ATP ad ADP libera una quantità di energia libera pari a circa 30,5 kJ/mol in condizioni standard (ΔG‘0), tuttavia la sua energia libera reale di idrolisi (ΔG) nella cellula è molto variabile.
Il ΔG dell’idrolisi dell’ATP nelle cellule integre, anche detto potenziale di fosforilazione (ΔGp), è molto più negativo del ΔG‘0 (varia da -50 a -65 kj/mole).
Altri composti fosforilati e tioesteri hanno un’energia libera di idrolisi molto elevata. In Figura sono mostrati composti fosforici ad alta e bassa energia.
L’energia rilasciata dall’idrolisi di un composto fosforilato dipende dal fatto che i prodotti della reazione hanno un contenuto energetico minore di quello dei reagenti.
Il coenzima A (acetilCoA) è un trasportatore universale di gruppi acetile.
L’acetilCoA ha un elevato potenziale di trasferimento del gruppo acetile.
Idrolisi dell’Acetil-CoA: basi chimiche
Il flusso di elettroni nelle reazioni di ossido-riduzione è responsabile di tutto il lavoro prodotto dagli organismi viventi.
Sono reazioni metaboliche di trasferimento di elettroni che implicano:
La molecola che dona elettroni in una reazione di ossido-riduzione viene detta agente riducente, essa si ossida trasferendo elettroni all’altro substrato; la molecola che accetta gli elettroni viene detta agente ossidante;
Quando due specie chimiche hanno una diversa affinità per gli elettroni, il flusso di elettroni procede spontaneamente in un circuito verso la specie chimica con maggiore affinità per gli elettroni, guidato da una forza proporzionala alla differenza tra le due affinità.
La tendenza di un riducente a perdere elettroni è data dal potenziale standard di riduzione E‘0.
Gli elettroni derivati dal catabolismo delle sostanze nutrienti passano lungo la catena respiratoria, attraverso trasportatori intermedi, fino all’ossigeno, che rappresenta l’accettore finale; questo processo rilascia una grande quantità di energia libera che viene conservata nei legami dell’ATP (fosforilazione ossidativa).
Il flusso elettronico è spontaneo ed esoergonico, in quanto l’O2 ha un’affinità per gli elettroni più alta di tutti gli intermedi che lo precedono nella via metabolica.
Le cellule contengono una grande varietà di molecole che si comportano da trasduttori energetici, capaci di convertire l’energia generata dal flusso di elettroni in lavoro utile.
Nella semireazione 1) il Fe2+ si comporta come donatore di elettroni, mentre Fe3+ è l'accettore di elettroni; insieme costituiscono una "coppia coniugata redox"
Gli elettroni vengono trasferiti da un donatore ad un accettore in quattro modi
Un equivalente riducente corrisponde ad un singolo elettrone che partecipa ad una reazione di ossido-riduzione.
Le sostanze nutrienti vanno spesso incontro a deidrogenazioni enzimatiche che coinvolgono due “equivalenti riducenti” per volta e l’ossigeno può accettare due “equivalenti riducenti”; l’unità di ossidazione biologica corrisponde per convenzione al passaggio di due equivalenti riducenti da un substrato all’ossigeno.
Quando due coppie redox coniugate sono presenti nella stessa soluzione il trasferimento di elettroni avviene spontaneamente e dipende dall’affinità relativa dell’accettore di elettroni di ogni coppia. Il potenziale di riduzione standard o potenziale redox standard (E0), misura (in volt) questa affinità, relativamente all’elettrodo standard di idrogeno (misurato a 25°C; ogni soluto alla concentrazione di 1M ed ogni gas alla pressione di 1atm); lo stato standard biochimico è definiti a pH 7 (E’0). Ogni valore rappresenta la differenza di potenziale che si genera quando la coppia coniugata redox viene collegata all’elettrodo standard di idrogeno.
Gli elettroni tenderanno a fluire dalla coppia coniugata con il potenziale redox più basso a quella con il potenziale redox più elevato (più positivo) e questa tendenza è proporzionale alla differenza ΔE. I potenziali di riduzione standard permettono di calcolare la variazione di energia libera.
La variazione di energia libera delle rezioni di ossido-riduzione è proporzionale al ΔE (differenza tra il valore di E dell’accettore e quello del donatore di elettroni) secondo la relazione:
ΔG=-nZ ΔE, oppure ΔG’0=-nZ ΔE’0
dove: n= numero di elettroni trasferiti durante la reazione; Z= costante di Faraday.
La loro riduzione nei processi catabolici consente di conservare l’energia libera rilasciata dall’ossidazione dei substrati.
NAD, NADP : solubili in acqua si spostano rapidamente da un enzima all’altro.
FAD, FMN: solubili in acqua sono legati saldamente agli enzimi chiamati flavoproteine.
Chinoni (ubichinone): solubili nei lipidi, operano nell’ambiente non acquoso della membrana come trasportatori di elettroni e donatori di protoni.
Proteine ferro – zolfo e citocromi: contengono gruppi prostetici saldamente legati che possono ossidarsi o ridursi reversibilmente.
La parte reattiva di entrambi i coenzimi è l’anello benzenoico della nicotinammide che può subire una riduzione reversibile; Nell’ossidazione di un substrato questo perde due atomi di idrogeno, l’anello.
nicotinammidico accetta un protone (H+) e due elettroni, che equivalgono ad uno ione ioduro (:H-) e si trasforma nella forma ridotta; il secondo H+ rimosso dal substrato viene rilasciato nel solvente acquoso.
La forme ridotte dei trasportatori sono NADH e NADPH, mentre le forme ossidate sono NAD+ e NADP+; il segno + non indica che ci sono cariche nette positive sulla molecola, ma piuttosto che l’anello nicotinamidico è nella sua forma ossidata, con una carica positiva sull’azoto.
Il NAD+ è il principale accettore di elettroni nelle ossidazioni di molecole combustibili; il rapporto intracellulare NAD+/NADH è generalmente elevato.
Il NADP+ è il principale cofattore nelle biosintesi riduttive; il rapporto intracellulare NADPH/NADP+ è generalmente elevato.
Altri trasportatori di elettroni implicati nelle ossidazioni dei substrati sono i nucleotidi flavinici, cofattori delle flavoproteine, flavin mononucleotide (FMN) e flavin adenin dinucleotide (FAD), le cui forme ridotte sono FMNH2 e FADH2.
I nucleotidi flavinici sono legati piuttosto saldamente alle flavoproteine (anche covalentemente) e rappresentano dei gruppi prostetici con cui le flavoproteine possono temporaneamente trattenere equivalenti riducenti.
L’associazione tra il gruppo prostetico e l’enzima conferisce all’anello flavinico un potenziale di riduzione standard diverso in ogni flavoproteina.
La parte reattiva del FAD è l’anello isoallossazinico che subisce riduzioni reversibili accettando uno o due elettroni sotto forma di atomi di idrogeno.
Quando un nucleotide flavinico accetta un solo elettrone (un solo atomo di idrogeno), si genera la forma semichinonica dell’anello isoallosazinico (FADH. e FMNH.).
Anche in questo caso i nucleotidi ridotti, ma non le forme ossidate, assorbono la luce ad una lunghezza d’onda di 360 nm; le forme parzialmente ridotte (un elettrone) hanno il massimo di assorbimento intorno a 450 nm, mentre la forma completamente ossidata (la flavina) assorbe tra 370 e 440 nm.
1. I livelli di organizzazione strutturale delle proteine
3. Gli enzimi: caratteristiche e cinetica enzimatica
4. Introduzione al metabolismo cellulare. Le reazioni di ossido-riduzione biologiche
8. Gluconeogesi
9. Il Glicogeno
10. I Lipidi
11. Ossidazione degli acidi grassi
12. Biosintesi degli acidi grassi
13. Colesterolo
15. Gli ormoni