Introduzione al metabolismo 1 2 Funzioni del metabolismo

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Introduzione al metabolismo 1

Introduzione al metabolismo 1

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Funzioni del metabolismo 1 - Ottenere energia chimica 2 - Convertire le molecole 3

Funzioni del metabolismo 1 - Ottenere energia chimica 2 - Convertire le molecole 3 -Polimerizzare i precursori monomerici 4 - Sintetizzare e degradare le biomolecole 3

Il metabolismo è tradizionalmente diviso in due parti: 1) Il catabolismo, o degradazione 2)

Il metabolismo è tradizionalmente diviso in due parti: 1) Il catabolismo, o degradazione 2) 2) L’anabolismo, o biosintesi 4

Catabolismo: Sostanze nutrienti CO 2 + H 2 O + Energia utilizzabile Anabolismo: Energia

Catabolismo: Sostanze nutrienti CO 2 + H 2 O + Energia utilizzabile Anabolismo: Energia utilizzabile + piccole molecole Molecole complesse 5

In base all’agente ossidante utilizzato: 1. Aerobi obbligati 2. Anaerobi 3. Aerobi facoltativi 4.

In base all’agente ossidante utilizzato: 1. Aerobi obbligati 2. Anaerobi 3. Aerobi facoltativi 4. Anaerobi obbligati 6

Strategie trofiche In base all fonte di energia libera: 1. Autotrofi (in grado di

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 H 2 O, CO 2) 2. 3. chemiolitotrofi ( attraverso l’ossidazione di composti inorganici come NH 3, H 2 S ) fotoautotrofi ( mediante fotosintesi ) 4. 2. Eterotrofi ( ottengono energia dall’ossidazione di composti organici come carboidrati, lipidi e proteine ) 7

Ruoli dell’ATP e del NADP+ nel metabolismo (acetil Co. A) L’ATP e il NADPH

Ruoli dell’ATP e del NADP+ nel metabolismo (acetil Co. A) 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. 8

SGUARDO GENERALE AL CATABOLISMO 9

SGUARDO GENERALE AL CATABOLISMO 9

Nella cellula le vie metaboliche hanno localizzazioni specifiche. 10

Nella cellula le vie metaboliche hanno localizzazioni specifiche. 10

Negli organismi multicellulari esiste una compartimentazione a livello di tessuti e organi. 11

Negli organismi multicellulari esiste una compartimentazione a livello di tessuti e organi. 11

Specializzazione dei tessuti: ISOENZIMI Catalizzano la stessa reazione Sono codificati da geni diversi Hanno

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 NADH + H+ NAD+ lattico deidrogenasi Acido piruvico Acido lattico 12

Energia, vita e prima legge della termodinamica lavoro meccanico, che muove una cellula, un

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. 13

Prima legge della termodinamica Durante una modificazione chimica o fisica, l'energia non viene né

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. 14

Energia libera ed equilibrio L'energia libera di un composto viene definita come la variazione

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 15

Quando il sistema si modifica verso uno stato che possiede meno energia (G prodotti

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 16

Quando invece è necessario fornire energia per fare avvenire una reazione che altrimenti non

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. 17

DG = G prodotti – G reagenti I processi spontanei hanno DG negativo e

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. 18

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Energia libera ed equilibrio All'energia libera (abbreviata con G, che sta per energia libera

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 k. Pa (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. 20

La variazione di energia libera (DG) di una reazione chimica corrisponde all'energia libera posseduta

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. 21

La maggior parte dei lavori meccanici, dei lavori di gradiente e del lavoro di

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. 22

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Considerazioni termodinamiche Il DG di una reazione può essere calcolato A+B D C+D DG

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) 24

Le misure termodinamiche sono basate sulla definizione di uno stato standard in cui le

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 p. H 7. 0 25

Termine costante D G è correlata che dipende soltanto dal tipo di reazione che

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] 26

Il concetto di equilibrio a. A+b. B D c. C+d. D La composizione di

Il concetto di equilibrio a. A+b. B D c. C+d. D 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 27

Quando i reagenti sono presenti a concentrazioni vicine ai valori caratteristici della situazione all’equilibrio:

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. 28

DG 0 di una reazione dipende dalla Keq quando DG=0 D G = DG°

DG 0 di una reazione dipende dalla Keq quando DG=0 D G = DG° + RT ln [C][D] [A] [B] DG 0 = - 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 la temperatura di una reazione è 298 K (25 C°). 29

REAZIONI VICINE ALL’EQUILIBRIO A+B D C+D Gli enzimi che catalizzano queste reazioni tendono ad

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 30

REAZIONI IRREVERSIBILI reazioni metaboliche funzionano in condizioni molto lontane dall’equilibrio. L’enzima che catalizza queste

REAZIONI IRREVERSIBILI reazioni metaboliche funzionano in condizioni molto lontane dall’equilibrio. L’enzima che catalizza queste reazioni ha un’attività insufficiente per consentire il raggiungimento dell’equilibrio. 31

REAZIONI IRREVERSIBILI A+B C+D [C][D]/[A][B]=inferiore a zero e DG negativo 32

REAZIONI IRREVERSIBILI A+B C+D [C][D]/[A][B]=inferiore a zero e DG negativo 32

In una via metabolica la maggior parte degli enzimi operano in condizioni vicine all’equilibrio

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. 33

Considerazioni termodinamiche 1. Le vie metaboliche sono irreversibili. 2. 3. 2. Ogni via metabolica

Considerazioni termodinamiche 1. Le vie metaboliche sono irreversibili. 2. 3. 2. Ogni via metabolica ha una prima tappa di comando. 4. 3. Le vie cataboliche e le vie anaboliche sono differenti. A 1 2 X Y 34

Controllo del flusso metabolico Il flusso degli intermedi lungo una via metabolica in uno

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 35

Alcuni meccanismi possono controllare il flusso attraverso la reazione che limita la velocità di

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 36

Controllo allosterico. A B C P 37

Controllo allosterico. A B C P 37

Modificazione covalente o interconversione enzimatica 38

Modificazione covalente o interconversione enzimatica 38

Se vr e vf rappresentano le velocità di due reazioni opposte, ma non all’equilibrio,

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 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 39

Controllo genetico La concentrazione degli enzimi, e quindi l'attività enzimatica, può essere modificata dalla

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. 40

Composti ad alta energia C 6 H 12 O 6 + 6 O 2

Composti ad alta energia C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 ® CO 2 + 6 H 2 O produzione di una notevole quantità di energia (DG = - 2850 kj x mole-1). C 16 H 3202 + 23 O 2 16 CO 2 + 16 H 2 O (DG°’= - 9781 k. J. mole-1). L’energia rilasciata può essere recuperata 41

ATP e trasferimento del gruppo fosforico 42

ATP e trasferimento del gruppo fosforico 42

L’importanza biologica dell’ATP risiede nella grande quantità di energia che si libera durante la

L’importanza biologica dell’ATP risiede nella grande quantità di energia che si libera durante la rottura dei suoi legami fosfoanidridici. ATP + H 2 O ADP + Pi ATP + H 2 O AMP + PPi 43

La conoscenza dell’energia libera di idrolisi di alcuni composti fosforici ci fa capire la

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 44

Possono trasferire un gruppo P all’ADP Potenziale di trasferimento intermedio 45

Possono trasferire un gruppo P all’ADP Potenziale di trasferimento intermedio 45

Reazioni accoppiate - Le reazioni esoergoniche dei composti ad alta energia possono essere accoppiate

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 46

ROTTURA PIROFOSFORICA NELLA SINTESI DI UN AMMINOACIL-t-RNA L’idrolisi altamente esoergonica del pirofosfato (-33, 5

ROTTURA PIROFOSFORICA NELLA SINTESI DI UN AMMINOACIL-t-RNA L’idrolisi altamente esoergonica del pirofosfato (-33, 5 k. J mole 1) spinge la reazione totale verso il suo compimento. 47

Posizione dell’ATP rispetto a composti fosforici ad “alta energia” e a “bassa energia” L’ATP

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) 48

Composti ad alto potenziale di trasferimento del gruppo fosforico 49

Composti ad alto potenziale di trasferimento del gruppo fosforico 49

Fonti di ATP durante l’esercizio fisico 50

Fonti di ATP durante l’esercizio fisico 50

La fosfocreatina costituisce una riserva ad alta energia per la formazione di ATP +

La fosfocreatina costituisce una riserva ad alta energia per la formazione di ATP + creatina Fosfocreatina + ADP In condizioni di riposo Intensa attività metabolica Fosfocreatina = “tampone” dell’ATP in cellule che contengono creatina chinasi 51

Il ciclo ATP-ADP 52

Il ciclo ATP-ADP 52

I combustibili più importanti 53

I combustibili più importanti 53

I nucleosidi trifosfati si possono convertire l’uno nell’altro ATP + NDP ADP + NTP

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 54

Struttura chimica dell’acetil Co. A 55

Struttura chimica dell’acetil Co. A 55

L’acetil Co. A è un composto ad alta energia. L’idrolisi del suo legame tioestere

L’acetil Co. A è un composto ad alta energia. L’idrolisi del suo legame tioestere è -31, 5 k. J 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 56

Reazioni di ossidoriduzione 1. Quando avviene l'ossidazione a CO 2 dei carburanti metabolici, gli

Reazioni di ossidoriduzione 1. Quando avviene l'ossidazione a CO 2 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 formazione di un gradiente di concentrazione transmembrana che promuove la sintesi (fosforilazione ossidativa). causa la protonica di ATP 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. 57

NAD+ e FAD Riduzione reversibile in modo da poter accettare gli elettroni, passarli su

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. 58

Riduzione del NAD+ a NADH 59

Riduzione del NAD+ a NADH 59

Riduzione del FAD a FADH 2 60

Riduzione del FAD a FADH 2 60

Vitamina B 2: La vitamina B 2, è un complesso di varie vitamine: riboflavina,

Vitamina B 2: La vitamina B 2, è un complesso di varie vitamine: riboflavina, folato, nicotinato e pantotenato. Riboflavina: è un componente dei flavina mononucleotide (FMN) e dinucleotide (FAD). gruppi prostetici flavina adenina 61

Ossidazioni e riduzioni Ossidazione = perdita di elettroni Riduzione = acquisto di elettroni. I

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 62

Durante le reazioni redox, gli elettroni trasferiti possono passare direttamente dai donatori agli accettori:

Durante le reazioni redox, gli elettroni trasferiti possono passare direttamente dai donatori agli accettori: Fe 2+ + Cu 2+ D Fe 3+ + Cu+ In alternativa, gli elettroni possono essere trasferiti da un donatore a un accettore mediante un trasportatore di elettroni: XH 2 + Y D X +Y H 2 63

Un atomo di idrogeno neutro è in grado di trasferire un singolo elettrone: H

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 2 e- + H+ 64

L’ossidazione biologica completa di sostanze organiche nutrienti crea un flusso di elettroni che procede

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 + O 2 D CO 2 + H 2 O + energia 65

Potenziali di riduzione donatore(1) D e- + accettore(1) e- + accettore (2) D donatore

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) 66

Il potenziale di riduzione standard (E 0) è una misura quantitativa dell'affinità di un

Il potenziale di riduzione standard (E 0) 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 1/2 H 2 viene assegnato un potenziale di riduzione standard pari a zero, quando la concentrazione di ioni H+ è 1 M e H 2 è presente alla pressione parziale di 101, 3 k. Pa. Questa semi-reazione viene usata come riferimento per la determinazione dei potenziali delle altre semi-reazioni. 67

Il più forte agente ossidante cioè ha elevata affinità per gli elettroni 68

Il più forte agente ossidante cioè ha elevata affinità per gli elettroni 68

Le reazioni di trasferimento degli elettroni hanno una grande importanza biologica. Nella catena di

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’O 2. Questo porta alla sintesi di ATP. 69

Tecniche di perturbazione di una via metabolica. 1. Uso di inibitori metabolici 2. Difetti

Tecniche di perturbazione di una via metabolica. 1. Uso di inibitori metabolici 2. Difetti genetici (mancanza di specifici enzimi) 3. Manipolazione genetica 70