Energia e metabolismo, reazioni esoergoniche ed endoergoniche PDF

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Riassunti dal libro Solomon di biologia animale e vegetale integrati con gli appunti della lezione e le sbobine...

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7 Energia e metabolismo La vita della cellula richiede energia di buona qualità perché devono andare avanti i processi endoergonici (che procedono con una variazione positiva di energia libera). Questi processi avvengono perché nella cellula sono accoppiati contemporaneamente a processi esoergonici (che procedono con una variazione negativa di energia, quindi che rilasciano energia). Accoppiando i due processi essi riescono a fare andare avanti i processi endoergonici.

7.3 Energia e metabolismo

Il metabolismo è il complesso di tutte le attività chimiche che avvengono in un organismo vivente. L’ anabolismo comprende le varie vie in cui molecole complesse vengono sintetizzate. Il catabolismo comprende quelle vie in cui molecole più grandi vengono scisse.

L’energia libera è disponibile a compiere lavoro cellulare

Entropia ed entalpia (contenuto totale di energia potenziale di un sistema) sono collegate da una terza forma di energia, l’energia libera, che è la quantità di energia disponibile a compiere lavoro. H=G+TS G=H-TS

Le reazioni chimiche dell’energia libera

comportano

variazioni

Anche se l’energia libera totale di un sistema non può effettivamente misurata ma viene utilizzata per prevedere se una specifica reazione chimica rilascerà energia oppure richiederà energia. Si utilizza la lettera greca delta per indicare qualsiasi variazione che avviene nel sistema.

L’energia libera diminuisce durante una reazione esoergonica Una reazione esoergonica rilascia energia ed è definita spontanea. Il termine spontaneo non significa “senza difficoltà”; alcune reazioni sono estremamente lente. Ciò è dovuto al fatto che per innescare ogni reazione è richiesta una certa energia di attivazione.

L’energia libera endoergonica

aumenta

durante

la

reazione

Una reazione endoergonica è una reazione in cui c’è aumento di energia libera. Per cui DG ha valore positivo. Questo tipo di reazione deve avvenire in modo tale che l’energia possa essere fornita dall’ambiente.

La diffusione è un processo esoergonico Il movimento di un gruppo di particelle sembra essere direzionale. Ciò che fornisce l’energia è un gradiente di concentrazione. Una cellula deve spendere energia per produrre un gradiente. Esso è una forma di energia potenziale. Quando le particelle si muovono casualmente il gradiente si dissipa.

Le cellule compiono le reazioni endoergoniche accoppiandole a reazioni esoergoniche Nelle reazioni accoppiate, la reazione esoergonica fornisce l’energia necessaria per fare avvenire la reazione endoergonica. La reazione endoergonica può procedere solo se assorbe l’energia libera. Poiché il valore di DG è positivo, sappiamo che il prodotto di questa reazione ha energia libera maggiore di quella del reagente. Questa è una reazione endoergonica. Essa non avviene spontaneamente.

7.4 ATP, la molecola energetica della cellula Il processo esoergonico che più comunemente è accoppiato a un processo endoergonico è l’idrolisi di ATP. ATPADP+Pi L’ATP è considerata la moneta energetica della cellula, perché l’energia viene temporaneamente immagazzinata dentro di essa. È un nucleotide formato da tre parti: adenina, una base azotata e uno zucchero pentoso.

L’ATP cede energia attraverso il trasferimento di un gruppo fosfato Quando il gruppo fosfato terminare viene rimosso dall’ATP si ha la formazione di adenosina difosfato (ADP). La rottura fra il terzo e il secondo gruppo fosfato libera una grande quantità di energia. Se il gruppo fosfato non è trasferito ad un’altra molecola, viene liberata come fosfato inorganico. Questa è una reazione esoergonica con un valore negativo di DG relativamente grande.

Ogni processo endoergonico.

esoergonico

deve

essere

accoppiato

a

uno

Es. la sintesi della glutammina da glutammato. Entrambi sono due amminoacidi: il glutammato ha funzione acida in catena laterale, la glutammina è l’ammide del glutammato. La formazione della glutammina è una reazione endoergonica ed è accoppiata all’idrolisi di ATP.

ATP media gli scambi di energia libera nella cellula L’ATP ha anche altri ruoli:  Precursore del cAMP;  Coinvolto nei processi di biosegnalazione;  È il precursore nella sintesi degli RNA perché l’ATP contiene ribosio. L’ATP non è l’unico ad alimentare reazione endoergoniche, ad esempio l’idrolisi dell’UTP alimenta la polimerizzazione del glicogeno, nel ciclo di Krebs il GTP alimenterà la sintesi di ATP.

La sintesi di ATP richiede energia libera Per sintetizzare ATP la cellula deve essere accoppiata a un processo esoergonico, e le possibilità sono due: 1. Dissipazione di un gradiente di concentrazione . Il gradiente dissipato non può essere uno a caso ma dev’essere un gradiente protonico. I gradienti si creano a cavallo delle membrane, o quella mitocondriale (ATP è sintetizzato nel processo di fosforilazione ossidativa) o quella tilacoidale (ATP è sintetizzato nella fotofosforilazione ossidativa). Per dissipare un gradiente bisogna prima crearlo, e questo è un processo endoergonico. Per creare il gradiente protonico utilizziamo l’energia che viene dei nutrienti, molecole organiche ridotte, o dall’ambiente, attraverso l’energia luminosa. 2. Defosforilazione di un substrato fosforilato. SUBSTRATO PSUBSTRATO + P Quando ATP è sintetizzata così si dice che è sintetizzata a fosforilazione al livello del substrato.

ATP viene continuamente idrolizzato e sintetizzato Ogni giorno la cellula consuma un sacco di molecole ti ATP, ma esso non può essere usato come deposito di energia, perché gli enzimi

coinvolti noi processi di sintetizzazione sono inibiti dallo stesso ATP. Per questo motivo la cellula non se ne può fare scorta. Ciò significa che le molecole di ATP hanno un altissimo turnover.

7.6 Gli enzimi Gli enzimi sono catalizzatori dei processi biologici. Un catalizzatore è una sostanza che accelera le reazioni senza consumarsi. Es. ossidazione del glucosio Se prendiamo del glucosio e lo mettiamo in un becher non si ossida. La sua ossidazione all’interno della cellula, però, avviene molto rapidamente perché ci sono gli enzimi. Gli enzimi sono proteine, ma non tutti. In alcuni casi questi catalizzatori sono formati da RNA, parliamo, quindi, di ribozimi.

Tutte le reazioni attivazione

necessitano

di

energia

di

Caratteristica di qualsiasi reazione è l’esistenza di una barriera energetica, l’energia di attivazione. Questa è l’energia necessaria per rompere i legami e cominciare la reazione. Le molecole di reagente devono superare questa barriera perché vi è una specie altamente instabile, stato di transizione della reazione. La differenza tra energia dello stato di transizione ed energia dei reagenti è proprio l’energia di attivazione. La velocità di una reazione è la quantità di reagente che si trasforma in prodotto nell’unità di tempo. Per accelerare la reazione si può riscaldare la miscela, perché così aumenta l’energia cinetica delle molecole. Da un punto di vista biologico ciò non funziona tanto bene, allora interviene il catalizzatore biologico che ha la capacità di stabilizzare il complesso attivato, cioè di abbassare il livello di energia del complesso attivato, ovvero abbassa l’energia di attivazione. Un enzima può solo favorire quelle reazioni che possono avvenire anche senza di esso.

I catalizzatori biologici  Non si consumano;

 Non modificano la reazione;  Sono altamente specifici e hanno una grande selettività. Ad esempio, le chinasi (fosforilano dei substrati utilizzando ATP), deidrogenasi (tirano fuori idrogeno), le isomerasi (trasformano un isomero in un altro isomero). Gli enzimi sono così specifici perché dipende dalla conformazione che hanno. Ciò è possibile perché gli enzimi sono proteine, che sono molto varabili a causa delle strutture tridimensionali.

Un enzima agisce formando un complesso enzimasubstrato L’enzima è una proteina, le proteine sono delle molecole grandi, che derivano dalla polimerizzazione degli amminoacidi, i substrati sono più piccoli, quindi non interagiscono con tutta la proteina, ma con una regione specifica, il sito attivo dell’enzima. Di solito questi siti attivi sono delle invaginazioni o delle cavità. Quando il substrato si lega all’enzima determina un adattamento indotto. Di solito, anche la forma del substrato cambia leggermente. Questi cambiamenti facilitano in tali molecole la rottura dei legami preesistenti e la formazione di nuovi legami. Caratteristiche di un sito attivo di un enzima:  È una regione piccola.  Può essere organizzato da residui amminoacidi distanti nella catena polipeptidica della proteina enzimatica.  È complementare al substrato.  Interazioni deboli nel complesso ES In generale la velocità di una reazione aumenta se aumenta la quantità di substrato. Inizialmente vi è una proporzionalità diretta tra l’incremento della velocità di catalisi e l’incremento della concentrazione di substrato, poi diventa esponenziale e a un certo punto la velocità di catalisi diventa indipendente dalla concentrazione di substrato perché in un determinato momento la velocità di catalisi non aumenterà più: raggiunge un plateau, noto come velocità massima. Essa si raggiunge quando la concentrazione di substrato è tale da saturare le molecole di enzima disponbili alla catalisi.

Equazione di Michaelis-Menten Questa equazione è un modello matematico che descrive bene l’andamento, che è sperimentale. In queste equazioni ci sono due costanti: la velocità massima e Km:

1. Velocità massima. Valocità che si raggiunge quando il substrato satura tutti i siti enzimatici. 2. Km. Concentrazione di substrato che permette di ottenere la metà della velocità massima. La Ke è la misura dell’affinità dell’enzima nei confronti del substrato. Più Km è piccolo più l’enzima è affine. I trasportatori del glucosio (GLUT) si distinguono per l’affinità per il glucosio, ce ne sono alcuni che hanno una grandissima affinità e quindi hanno una Km piccola e altri che hanno una bassa affinità e hanno una Km grande.

Come può essere regolata l’attività di un enzima?  Attraverso una modifica trascrizionale.  Attraverso delle molecole piccole che inibiscono o attivano la proteina, esse ne modificano la conformazione.  Attraverso una modifica nella chimica dell’enzima, la conseguenza è una modifica conformazionale. Ad esempio, con la fosforilazione, avviene l’aggiunta o la rimozione di fosfato.  Attraverso l’attivazione di zimogeni. Precursori degli enzimi, proteine che non hanno ancora attività enzimatica ma l’acquisiscono quando un pezzo della catena polipeptidica viene tagliato attraverso la proteolisi.  Attraverso il pH che influenza il livello di ionizzazione.

Gli enzimi sono inibiti da alcuni agenti chimici Molti enzimi possono essere inibiti o distrutti da alcuni agenti chimici. Ad esempio, la stragrande maggioranza dei farmaci sono inibitori enzimatici. L’inibizione può essere reversibile o irreversibile. L’inibizione reversibile si verifica quando si formano legami chimici deboli tra l’enzima e l’inibitore, e può essere competitiva o non competitiva:  Nell’inibizione competitiva, l’inibitore compete con il substrato per il legame con il sito attivo. Esso non va, però, a sostituire il substrato, ma occupa i siti attivi solo temporaneamente e non danneggia l’enzima. Se si aumenta la concentrazione di substrato, il sito attivo tornerà ad essere normalmente occupato solo dalle molecole di substrato. L’inibizione può essere, quindi, revertita.  Nell’inibizione non competitiva, l’inibitore si lega a un sito diverso ed inattiva l’enzima perché ne muta la forma. L’inibizione allosterica è un tipo di inibizione non competitiva in cui l’inibitore si lega al sito allosterico. I parametri cinetici

(Vs e Km) varieranno conseguentemente. La velocità massima non varierà; la Km invece aumenterà, perché è la concentrazione di substrato. Nell’inibizione irreversibile, l’inibitore inattiva permanentemente o distrugge l’enzima. Molti veleni sono inibitori irreversibili, o anche i metalli pesanti come il piombo e il mercurio.

Le cellule legano l’attività enzimatica Uno dei meccanismi di controllo dell’attività enzimatica è basato sulla quantità di enzima prodotto. La sintesi di ciascun enzima è diretta da un gene specifico che può essere attivato da segnali come ormoni. Se pH e temperatura vengono mantenuti costanti, la velocità di una reazione è influenzata dalla concentrazione del substrato e dall’enzima. Un importante meccanismo di controllo si basa sull’attivazione. Quando un enzima è inattivo i suoi siti attivi hanno una conformazione non adatta per accogliere il substrato. Tra i fattori che influenzano la forma troviamo il pH. Alcuni enzimi possiedono un sito recettoriale detto sito allosterico, distinto dal sito attivo. Gli enzimi allosterici sono proteine multi-subunità e hanno quindi una struttura quaternaria, che hanno siti di legame multipli e cooperativi. Affinché un sito sia allosterico è necessario che l’enzima si modifichi in maniera tale da variare la conformazione dell’altro sito. Con “cooperatività” si intende che i diversi siti comunicano tra di loro e si influenzano fra di loro. L’enzima protein chinasi AMP ciclico-dipendente. Quando misuriamo la velocità di catalisi contro la concentrazione di substrato otterremo una curva detta sigmoide. COOPERATIVITA’ Ognuno di queste subunità ha un sito di legame per il substrato che è disegnato come una rientranza di forma rettangolare, il substrato è triangolare. Quando il substrato lega uno dei siti attivi, si modifica la conformazione del sito attivo ma viene modificata anche la conformazione del sito attivo dell’altra subunità, il legame del substrato al sito attivo aumenta l’affinità del sito attivo sull’altra subunità. C’è una cooperazione tra siti. ESEMPIO: l’emoglobina è una proteina formata da quattro catene polipeptidiche. Ogni catena ha un sito di legame per l’ossigeno. Quando una molecola di ossigeno lega uno di questi siti, l’affinità

degli altri siti per l’ossigeno aumenta; quando l’emoglobina è completamente saturata di ossigeno si stacca la prima molecola. Ciò rende rapido il legame di ossigeno a livello dei polmoni e rapido il rilascio di ossigeno a livello dei tessuti. COFATTORI ENZIMATICI Gli enzimi, per potere lavorare, richiedono dei componenti ausiliari che si chiamano cofattori enzimatici:  Composti inorganici: si utilizza il termine “cofattore”, come ioni metallici (magnesio, rame, ferro).  Composti organici: chiamati coenzimi. Essi possono essere legati stabilmente all’enzima oppure si possono staccare. Se sono legati stabilmente si chiamano gruppi prostetici. Molti dei coenzimi derivano direttamente da vitamine del gruppo B che sono coinvolte nel metabolismo energetico. NAD+: NICOTINAMMIDE ADENINDINUCLEOTIDE È un dinucleotide formato da un nucleotide che contiene adenina, ribosio e un gruppo fosfato e un altro costituito da ribosio, un gruppo fosfato e come base la nicotinammide. Questi sono legati da un legame 5-5. La porzione attiva è questa base azotata nicotinammide perché può acquisire due elettroni per trasformarsi nella corrispondente forma ridotta. Quando la nicotinammide non ha ricevuto gli elettroni, l’azoto ha carica positiva allora il cofattore si chiama NAD+; quando riceve due elettroni la carica positiva si perde e la sigla è NADH. Questa molecola è un coenzima che funziona nelle reazioni di ossidoriduzione. Lo stesso coenzima con un gruppo fosfato in più si chiama NADP+ e la forma ridotta sarà NADPH. DIFFERENZA TRA NAD+/NADH e NADP+/NADPH La coppia NAD+/NADH funziona in processi degradativi, catabolici; mentre la coppia NADP+/NADPH funziona in processi biosintetici o anabolici. FAD+/FADH2 È un coenzima coinvolto in reazioni redox e si chiama flavin adenindinucleotide. È un dinucleotide. Un nucleotide costituito da adenina, ribosio e gruppo fosfato, l’altro dal ribosio, dal gruppo fosfato e la base azotata Flavina. Questa base funziona da accettore o donatore di elettroni, per cui la coppia è FAD+/FADH2....