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Maria Assunta Bevilacqua » 4.Introduzione al metabolismo cellulare. Le reazioni di ossido-riduzione biologiche


Metabolismo cellulare

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

Metabolismo cellulare

Il metabolismo può essere suddiviso in catabolismo ed anabolismo

Il metabolismo può essere suddiviso in catabolismo ed anabolismo


Metabolismo cellulare (segue)

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.

Metabolismo cellulare (segue)

Un esempio di conversione di energia

Un esempio di conversione di energia


Le cellule e gli organismi viventi sono sistemi aperti

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”.

Un esempio di un sistema isolato

Un esempio di un sistema isolato


Le cellule come sistema aperto ed ordinato

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, ….

Assunzione di energia restituita all’ambiente sotto forma di calore

Assunzione di energia restituita all'ambiente sotto forma di calore


Variazione di Energia libera

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

Variazione di Energia libera (segue)

La variazione di energia libera standard di una reazione chimica è direttamente correlata alla costante di equilibrio

\Delta G{^{'0}} = - RT ln K {_{eq}{^'}}

La variazione di energia libera standard di una reazione chimica consente di prevedere la direzione della reazione:

  • ΔG negativo: la reazione tende a procedere spontaneamente verso i prodotti;
  • ΔG positivo: la reazione tenderà a procedere nella direzione inversa;
  • ΔG uguale a zero: il sistema è all’equilibrio.

La variazione di energia libera reale dipende dalla concentrazione dei reagenti e dei prodotti:

\Delta G = \Delta G {^{'0}} + RT ln {\frac{[C] [D]}{[A] [B]}}

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.


Bioenergetica

Una reazione endoergonica può essere spinta in avanti mediante il suo accoppiamento con una reazione altamente esoergonica

Una reazione endoergonica può essere spinta in avanti mediante il suo accoppiamento con una reazione altamente esoergonica


Reazioni accoppiate


Reazioni accoppiate (segue)

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:

  1. assunzione di molecole organiche;
  2. ossidazione attraverso reazioni catalitiche accoppiate alla formazione di ATP (moneta di scambio);
  3. idrolisi dell’ATP accoppiata a processi energeticamente sfavoriti tesi a creare ordine (vedi figura in basso).

ATP – adenosinatrifosfato

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:

  • una parte della molecola dell’ATP, il gruppo fosforico (o l’adenilato) viene prima trasferito ad una molecola di substrato (o ad un residuo aminoacidico dell’enzima);
  • nella seconda fase, l’unità covalente del gruppo fosforico viene rilasciata generando Pi, PPi o AMP.
Un nucleotide costituito da una adenina, un ribosio ed un gruppo trifosfato

Un nucleotide costituito da una adenina, un ribosio ed un gruppo trifosfato

Trasferimento del gruppo fosforico (a), pirofosforico (b), adenilico (c)

Trasferimento del gruppo fosforico (a), pirofosforico (b), adenilico (c)


Reazione di idrolisi dell’ATP

Reazione di idrolisi dell’ATP a) reazione scritta in un’unica tappa; b) reazione reale in due tappe)

Reazione di idrolisi dell'ATP a) reazione scritta in un'unica tappa; b) reazione reale in due tappe)


La variazione di energia libera dell’idrolisi dell’ATP ha un valore molto negativo

Basi chimiche

  1. Minore repulsione elettrostatica dell’ADP;
  2. maggiore stabilizzazione per risonanza dell’ADP e del gruppo fosforico rispetto all’ATP intatto;
  3. l’ADP 2- si ionizza immediatamente liberando uno ione H+;
  4. maggiore grado di solvatazione che presentano i prodotti rispetto all’ATP.

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).

Idrolisi dell’ATP

Idrolisi dell'ATP


Composti fosforici ad alta e bassa energia

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.

Composti fosforici a bassa ed alta energia

Composti fosforici a bassa ed alta energia


L’Acetil-CoA

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

  • L’Acetil-CoA è un tioestere, composto nel quale l’atomo di ossigeno del legame estere è sostituito da un atomo di zolfo;
  • nei tioesteri non vi sono stabilizzazioni per risonanza comparabili agli esteri normali;
  • la differenza di energia libera tra il tioestere ed i suoi prodotti di idrolisi stabilizzati per risonanza è superiore a quella tra gli esteri normali ed i loro prodotti di idrolisi.
La molecola di Acetil-CoA

La molecola di Acetil-CoA

Idrolisi dell’Acetil-CoA

Idrolisi dell'Acetil-CoA


Le reazioni di Ossido-riduzione

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:

  • perdita di elettroni da una specie chimica che diventa ossidata;
  • acquisizione di elettroni da un’altra specie chimica che si riduce.

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.

Il flusso di elettroni può produrre un lavoro biologico

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.

L’ossidazione del glucosio


Le ossido-riduzioni possono essere descritte come semi-reazioni

Nella semireazione 1) il Fe2+ si comporta come donatore di elettroni, mentre Fe3+ è l’accettore di elettroni; insieme costituiscono una  “coppia coniugata redox”

Nella semireazione 1) il Fe2+ si comporta come donatore di elettroni, mentre Fe3+ è l'accettore di elettroni; insieme costituiscono una "coppia coniugata redox"


Trasferimento di elettroni

Gli elettroni vengono trasferiti da un donatore ad un accettore in quattro modi

  1. direttamente come elettroni: (Fe2+ + Cu2+ ↔ Fe3+ + Cu);
  2. atomi di idrogeno (:H+ + e-): (AH2 + B ↔ A + BH2);
  3. ione idruro (H-);
  4. in combinazione diretta con un riducente organico come l’ossigeno.

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.

I potenziali di riduzione misurano l’affinità per gli elettroni

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.

Potenziali di riduzione standard di alcune semi-reazioni biologicamente importanti

Potenziali di riduzione standard di alcune semi-reazioni biologicamente importanti


Coenzimi Redox

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.

NAD, NADP

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.

La struttura del NAD e NADP

La struttura del NAD e NADP


I nucleotidi flavinici: flavin mononucleotide (FMN) e flavin adenin dinucleotide (FAD)

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.

Flavin adenin dinucleotide FAD

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.

La struttura del Flavin adenin dinucleotide FAD, con la freccia è indicata la parte reattiva

La struttura del Flavin adenin dinucleotide FAD, con la freccia è indicata la parte reattiva


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