Metabolismo Flashcards
Definizione di energia
Capacità di svolgere un LAVORO. Può essere espressa in KJ oppure Kcal (1Kcal=4.184KJ).
ΔG°: VARIAZIONE DI ENERGIA LIBERA STANDARD permette di capire se una reazione è TERMODINAMICAMENTE FAVORITA o meno.
Keq: costante di equilibrio è data dal rapporto tra il prodotto delle [prodotti] e il prodotto delle [reagenti] (ciascuna [] è elevata alla quantità del prodotto in esame).
La Keq dice se la reazione procede da un punto di vista cinetico. Se la Keq è elevata si forma più prodotto quindi la reazione è spostata verso destra. Se la Keq è bassa la [reagenti] è maggiore quindi la reazione è spostata verso sinistra.
ΔG dipende da ΔG° e delle [reagenti] e [prodotti] iniziali: ΔG= ΔG°+RT lnKeq.
All’equilibrio il ΔG=0 perché NON c’è più VARIAZIONE quindi dall’equazione si può ricavare il ΔG°= -RT lnKeq.
Standard biochimico: 25°C, 1atm, pH 7, [1M]
Reazioni esoergoniche e endoergoniche
ESOERGONICA: dai reagenti che hanno un’energia libera più elevata si arriva ai prodotti che hanno un’energia libera più bassa quindi l’energia libera diminuisce, i prodotti sono favoriti (livello energetico più basso) per cui la reazione RILASCIA ENERGIA. ΔG NEGATIVO: REAZIONE SPONTANEA
ENDOERGONICA: dai reagenti che hanno un livello energetica più basso (più stabili) si arriva ai prodotti che hanno un livello energetico maggiore. REAZIONE NON SPONTANEA: RICHIEDE ENERGIA
Regolazione di un processo biologico
Un processo biologico è governato dalla cinetica e regolato dalle leggi della termodinamica.
Ogni via metabolica ha una TAPPA DI COMANDO che di solito è la prima ed è la PIU’ LENTA. Sono quelle più FORTEMENTE REGOLATE (risentono dell’ambiente esterno, delle condizioni cellulari e decidono se la via metabolica deve andare avanti o no).
La VELOCITA’ TOTALE dipende dalla TAPPA DI COMANDO ed è REGOLATA
VELOCEMENTE tramite CONTROLLO ALLOSTERICO (modulatori o effettori che hanno la capacità di attivare o inattivare l’enzima), MODULAZIONE COVALENTE (porta alla piena attività), CICLI DEL SUBSTRATO (molto spesso le reazioni sono reversibili sono catalizzate dallo stesso enzima, ma ci sono delle reazione reversibili che richiedono un meccanismo di reazione specifico che non può essere utilizzato in entrambe le direzioni)
LENTAMENTE tramite CONTROLLO GENETICO DELLA [ENZIMA] (controllo dell’espressione del gene che codifica per un enzima)
Processi di sintesi e degradazione
C’è un controllo molto stretto perché se avviene la degradazione, la sintesi deve essere bloccata e viceversa. Questo è possibile se alcuni METABOLITI sono CRUCIALI ed ESSENZIALI per tutte le vie metaboliche:
ATP: energia chimica usata dalla cellula
TRASPORTATORI DI ELETTRONI: coenzimi che insieme ad enzimi operano reazioni redox. Questi coenzimi sono NADH, NADPH e FADH₂ (passano da forma ridotta a ossidata e viceversa e aiutano i substrati a ridursi o ossidarsi)
PROCESSI CATABOLICI: substrati si ossidano e coenzimi si riducono
PROCESSI ANABOLICI: substrati si riducono e coenzimi si ossidano
I coenzimi ridotti nelle vie cataboliche vengono riossidati durante la catena di trasporto degli elettroni (NADH), mentre il NADPH può essere riossidato durante le biosintesi.
Le VIE CATABOLICHE PRODUCONO ATP (energia) mentre le VIE ANABOLICHE UTILIZZANO ATP
Carica energetica
Regola il metabolismo perché ELEVATE [ATP] INIBISCONO le VIE CATABOLICHE che generano ATP e STIMOLANO le VIE ANABOLICHE che utilizzano ATP.
CARICA ENERGETICA BASSA: BASSA [ATP], ALTA [AMP/ADP]. Stimola le VIE CATABOLICHE quindi di produzione di ATP, mentre i processi anabolici che utilizzano ATP sono bloccati. Man mano che aumenta la carica energetica, le vie cataboliche calano fino ad essere soppresse quando carica energetica=1 e si ACCENDONO le VIE ANABOLICHE
ATP
ADENOSINA TRIFOSFATO: è un nucleoside trifosfato costituito da adenina, ribosio e tre gruppi fosfato: il primo Pα è legato direttamente al ribosio con un legame FOSFOESTERE (tra OH di natura alcolica dello zucchero e OH di natura acida dell’ortofosfato), il secondo e il terzo gruppo Pβ e Pγ sono legati al Pα e tra di loro con legami FOSFOANIDRIDICI (gruppi OH dell’acido fosforico). Questi due legami sono AD ALTA ENERGIA DI IDROLISI: quando l’ATP perde gruppi fosfato si ottiene una discreta QUANTITA’ DI ENERGIA da utilizzare per le REAZIONI ENDOERGONICHE.
Legame tra Pα e Pβ dell’ATP: si ha RISONANZA. Il doppietto elettronico sull’O può essere messo in compartecipazione con uno degli atomi di P tra cui c’è competizione che cessa quando il legame si scinde perché l’O si impegna in un legame con un solo P generando una carica negativa sull’altro O. In questo modo i prodotti di idrolisi sono più stabili e generano una quantità di energia più alta rispetto all’ATP non idrolizzato
Sintesi acidi nucleici RNA e DNA
Necessita di altri nucleosidi trifosfato oltre all’ATP. Per cui l’ATP è importante anche per la formazione degli altri nucleosidi trifosfato mediante una reazione catalizzata dalla nucleoside difosfato chinasi. L’ATP reagisce con i NDP trasferendo il gruppo fosfato formando NTP e l’ATP diventa ADP. Questo processo libera energia e rende possibile la formazione di CTP, GTP, UTP per l’RNA e dCTP, dGTP e DTTP per il DNA. Questa reazione è all’equilibrio e può essere utilizzata per produrre ATP in base alle concentrazioni intracellulari
Reazioni accoppiate
Reazioni esoergoniche dei composti ad alta energia possono essere ACCOPPIATE a reazioni endoergoniche per indurne il completamento.
PRIMA REAZIONE GLICOLISI: fosforilazione del glucosio. L’ATP viene idrolizzato per generare il P che verrà legato al glucosio per formare il glucosio 6 fosfato con l’enzima esochinasi. Questa reazione totale ha un’energia libera di -16.7KJ/mol quindi esoergonica, ma è una reazione costituita da due semireazioni: idrolisi dell’ATP che ha un ΔG°’ = -30.5KJ/mol che viene accoppiata alla reazione di sintesi del glucosio 6 fosfato che ha un costo energetico di +13.8KJ/mol quindi è una reazione endoergonica che non può avvenire. Accoppiandola all’idrolisi di ATP avanza una quantità di energia di -16.7KJ/mol che può essere utilizzata in processi successivi. Per cui la reazione totale può avvenire
DECIMA REAZIONE DELLA GLICOLISI: formazione di piruvato e ATP da fosfoenolpiruvato con l’enzima piruvato chinasi. Due semireazioni: idrolisi del PEP che genera -61.9KJ/mol e sintesi dell’ATP che richiede +30.5KJ/mol. Accoppiando le reazioni si ottiene un ΔG°’= -31.4KJ/mol per cui è una reazione esoergonica
Composti ad alta energia di idrolisi
FOSFOENOLPIRUVATO: struttura in cui le cariche negative del gruppo COOH e del P rendono instabile la struttura. Quando il PEP perde il gruppo P genera il piruvato che è un composto più stabile e libera energia (-16KJ/mol). Il piruvato è in equilibrio di tautomerizzazione: la trasformazione del piruvato dalla forma enolica (più instabile) alla forma chetonica (più stabile) genera una grande quantità di energia (-46KJ/mol) che si somma a quella dell’idrolisi del PEP per un totale di -61.9KJ/mol (due reazioni esoergoniche)
FOSFOCREATINA: possiede un gruppo COOH e un gruppo P. L’idrolisi genera la creatina e il P. La creatina è un composto più stabile dovuto alla risonanza. L’idrolisi libera -43KJ/mol
1,3BISFOSFOGLICERATO: ha due teste negative date dal P in posizione 1 e 3. Può cedere il gruppo P al glicerolo per formare glicerolo 3 fosfato mediante la fosfoglicerato chinasi. La reazione libera -18.5KJ/mol
PIROFOSFATO: repulsione delle cariche e competizione per i doppietti dell’O. L’idrolisi catalizzata dalla pirofosfatasi inorganica genera -33.4KJ/mol
Acetil CoA
E’ un TIOESTERE. Il CoA è un trasportatore di gruppi acile ed è un COMPOSTO AD ALTA ENERGIA.
E’ costituito da un’ADENOSINA FOSFORILATA in 3’. Al C5 del ribosio ci sono DUE GRUPPI FOSFATO. Legato al P c’è un residuo dell’ACIDO PANTOTENICO che è un braccio distanziatore che è legato ad un β-MERCAPTOETILAMMINA che porta un gruppo SH. Il CoA che ha un gruppo SH può reagire con gruppi carbossilici generando un gruppo acetilico.
L’ACIDO ACETICO ionizzando perde il protone e il gruppo ACETATO è stabilizzato per risonanza per cui si libera energia quando c’è l’idrolisi.
Il ΔG°’ di idrolisi del CoA è di -31.4KJ/mol
LEGAME TIOESTERE: legame tra un acido carbossilico e un tiolo (composto derivato dagli alcoli con S al posto dell’O). I tioesteri hanno un livello energetico di partenza elevato per cui quando vengono idrolizzati si libera una quantità di energia molto elevata per cui possono considerarsi composti ad alta energia di idrolisi
NAD⁺
NICOTINAMMIDE ADENINA DINUCLEOTIDE: anello nicotinico legato ad un ribosio che è legato a due gruppi fosforici legati ad un’adenosina.
I processi redox del NAD⁺ a carico dell’anello nicotinico. L’anello nicotinico ha un N carico positivamente (impegnato in 4 legami). Durante le reazioni catalizzate da deidrogenasi si ha l’ossidazione del substrato che produce 2 elettroni e 2 protoni: 1 elettrone e 1 protone si inseriscono nell’anello nicotinico, 1 elettrone determina un riarrangiamento degli elettroni interni in modo da annullare la carica positiva e 1 protone viene rilasciato nel mezzo. Si forma la forma ridotta NADH. Le reazioni catalizzate dalle deidrogenasi sono all’equilibrio e possono avvenire in entrambe le direzioni.
Il NAD⁺ può essere fosforilato formando NADP⁺ nella forma ossidata che diventa NADPH nella forma ridotta.
NAD⁺ e NADP⁺ sono trasportatori pirimidinici
FAD
FLAVINA ADENINA DINUCLEOTIDE: adenosina + pirofosfato (ADP) legato a ribitolo che deriva dalla riduzione del ribosio oppure del ribulosio. Il CH₂OH in C1 è legato al pirofosfato mentre il CH₂OH in C5 è legato ad un’altra porzione formando la riboflavina.
Nella porzione con gli anelli aromatici ci sono due atomi di N che ricevono ognuno un atomo di H (1 elettrone e 1 protone) riducendo il FAD a FADH₂.
Il processo può avvenire a step un cui il FAD (forma chinonica) può acquisire 1 elettrone e 1 protone originando una forma semichinonica che è radicale e instabile e che poi acquisisce l’altro atomo di idrogeno la forma ridotta (idrochinonica) più stabile.
La riossidazione di NADH e FADH₂ permette la sintesi di ATP e genera NAD⁺ e FAD che vengono utilizzati in altri processi catabolici
NADPH: si riossida durante le reazioni anaboliche
