Appunti biochimica 2 (312 pg)

ANTIGA ALESSIA 2017

BIOCHIMICA

2 UniPD – prof. Costantini

BIOCHIMICA 2

PROGRAMMA SINTETICO DEL CORSO

• La glicolisi.

• La gluconeogenesi e la via del pentosio fosfato.

• Il ciclo di Krebs.

• La respirazione mitocondriale.

• Il metabolismo del glicogeno.

• La digestione e il trasporto dei lipidi.

• La beta-ossidazione degli acidi grassi.

• La degradazione degli amminoacidi.

• La lipogenesi.

• La biosintesi degli amminoacidi.

• Il metabolismo dei nucleotidi.

• Integrazione dei processi metabolici.

Gli ORGANISMI VIVENTI possiedono una serie di PROPRIETÀ che li distinguono da altri tipi di materia:

• Un ALTO GRADO DI COMPLESSITÀ chimica e di ORGANIZZAZIONE microscopica.

• FUNZIONI SPECIFICHE di ogni componente cellulare, ma anche capacità di COOPERATIVITÀ.

• Meccanismi per percepire e rispondere a variazioni dell’ambiente (ADATTAMENTO).

• Capacità di AUTORIPRODURSI.

• Capacità di cambiare nel tempo (EVOLUZIONE GRADUALE).

• Sistemi in grado di ESTRARRE, TRASFORMARE e UTILIZZARE l’ENERGIA dall’ambiente.

L’energia è la capacità di un sistema di COMPIERE LAVORO.

Gli organismi viventi devono compiere un LAVORO per rimanere vivi e riprodursi: nel corso dell’evoluzione le cellule hanno

sviluppato meccanismi molto efficienti per ACCOPPIARE l’energia ottenuta dalla luce solare o dai combustibili chimici, con

i molti processi, che consumano energia, che devono compiere.

METABOLISMO:

• Meccanismi ESTRAZIONE, INCANALAMENTO e CONSUMO ENERGIA dall’ambiente.

• Meccanismi di ESTRAZIONE di POTERE RIDUCENTE.

• Meccanismi SINTESI PRECURSORI delle macromolecole e MACROMOLECOLE stesse.

→ RETE altamente integrata di REAZIONI CHIMICHE.

Gli organismi viventi sono SISTEMI APERTI perché scambiano sia energia che materia con l’ambiente circostante.

Antoine Lavoisier (1743-1794)

“… in genere, la respirazione non è altro che una lenta combustione di carbonio e idrogeno, del tutto simile a quella che

avviene in una lampada o in una candela, e quindi, da questo punto di vista, gli animali che respirano sono veri corpi

combustibili che bruciano e consumano sé stessi…”

Gli animali trasformano l’energia chimica delle sostanze nutrienti in calore e questo processo è essenziale per la vita.

TERMODINAMICA

Le LEGGI DELLA TERMODINAMICA si possono applicare agli organismi viventi.

• Prima legge della termodinamica, legge di CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA:

gli organismi viventi possono trasformare l’energia da una forma ad un’altra, non possono creare energia, né

distruggerla.

• Seconda legge della termodinamica: nel processo di trasformazione dell’energia, gli organismi viventi devono

AUMENTARE L’ENTROPIA DELL’UNIVERSO.

L’entropia totale dell’universo (casualità, disordine) tende continuamente ad aumentare.

ENTROPIA

La vita necessita del continuo mantenimento dell’ORDINE in opposizione alla forte tendenza della natura ad accrescere la

CASUALITÀ e il DISORDINE.

È possibile diminuire l’entropia della cellula, aumentando quella dell’ambiente, grazie agli scambi e all’utilizzo di energia

utile, energia libera (l’entropia totale aumenta).

Per MANTENERE la loro ORGANIZZAZIONE (ordine), gli organismi viventi devono essere in grado di estrarre energia utile

dall’ambiente circostante e di rilasciare l’energia in eccesso sotto forma di calore.

ENERGIA LIBERA

Energia libera (G): energia che può essere utilizzata per compiere un lavoro.

In un processo, a temperatura e pressione costanti, una reazione è possibile solo se porta ad una DIMINUZIONE

dell'ENERGIA LIBERA del sistema in esame (cioè solo se viene rilasciata energia libera durante il processo, DG negativo),

avviene solo se l’energia libera basale delle molecole che vanno incontro alla reazione (reagenti, R) è superiore a quella

posseduta dalle molecole che si producono nella reazione (prodotti P).

La variazione di energia libera è direttamente correlata alla costante di equilibrio:

aA + bB ↔ cC + dD

[] []

=

[] []

∆ = −

Alcune convenzioni dei biochimici:

– L’energia libera dei reagenti e dei prodotti dipende sia dalla loro struttura molecolare che dalle loro concentrazioni.

– Quando il ΔG viene calcolato a concentrazioni unitarie (1M) di reagenti e prodotti, a temperatura di 298 K e

pressione di 1 atm, si parla di variazione di energia libera standard (ΔG°). In biochimica si usa la variazione di energia

libera standard a pH 7 (ΔG°’).

– Ciascuna reazione chimica ha un caratteristico ΔG°’ (espresso in kcal/mol).

– 1 caloria = quantità di energia che aumenta di 1°C la temperatura di 1 g di H 0 a 15°C.

2

ΔG (variazione di energia libera) = G prodotti (P) – G reagenti (R)

ΔG = G(P) - G(R)

• Se ΔG < 0 → K >1, la reazione decorre da sinistra a destra (reazione spontanea).

eq

• Se ΔG > 0 → K <1 la reazione decorre da destra a sinistra (reazione non spontanea).

eq

• Se ΔG = 0 → K =1, la reazione è all’equilibrio (la quantità di R che si trasforma in P è uguale alla quantità di P che

eq

si trasforma in R nella stessa unità di tempo).

L’ossidazione di composti organici produce una grande diminuzione di energia libera:

Le reazioni (bio)chimiche sono CLASSIFICATE sulla base della VARIAZIONE DELL’ENERGIA LIBERA:

• ESOERGONICHE quando il ΔG è NEGATIVO. La reazione è SPONTANEA o termodinamicamente POSSIBILE, in quanto

il raggiungimento del suo stato finale NON richiede L’APPORTO DI ENERGIA;

• ENDOERGONICHE quando il ΔG è POSITIVO. La reazione è termodinamicamente NON SPONTANEA, e NECESSITA di

un APPORTO DI ENERGIA per decorrere verso i prodotti.

Le VARIAZIONI di energia libera si possono SOMMARE:

Es. Nel caso di due reazioni sequenziali A ↔ B e B ↔ C ogni reazione ha una sua K e dunque una sua variazione di energia

eq

libera standard, ΔG° e ΔG° .

1 2

Le due reazioni si possono sommare: B viene cancellato nella reazione complessiva A ↔ C.

Il valore di ΔG’° è la somma algebrica delle singole variazioni di energia libera: ΔG’° = ΔG’° + ΔG’°

totale totale 1 2.

PRINCIPIO CENTRALE DELLA BIOENERGETICA: una reazione termodinamicamente sfavorita può essere guidata in avanti

mediante l’accoppiamento con una reazione altamente esoergonica, se è presente un intermedio comune.

Esempio, accoppiamento sintesi glucosio/ idrolisi ATP:

Sintesi di glucosio 6-fosfato (prima tappa nella via di utilizzo del glucosio), endoergonica:

(1) glucosio + Pi → glucosio 6-P + H O ΔG’° = 13,8 kJ/mole

2 1

L’idrolisi di ATP ad ADP + Pi, è molto esoergonica:

(2) ATP + H O → ADP + Pi ΔG’° = -30,5 kJ/mole

2 2

Le due reazioni hanno in comune gli intermedi Pi e H O e possono diventare reazioni sequenziali:

2

(1) glucosio + Pi → glucosio 6-P + H O

2

(2) ATP + H O → ADP + Pi

2

Somma, esoergonica: ATP + glucosio → ADP + glucosio 6-P ΔG’° = 13,8 kJ/mole + (-30,5 kJ/mole) = - 16,7 kJ/mole

totale

VELOCITÀ DI REAZIONE

Il ΔG° non fornisce, però, indicazioni sulla velocità di reazione (CINETICA CHIMICA):

Una reazione può essere TERMODINAMICAMENTE SPONTANEA (ΔG° negativo), ma decorrere ad una VELOCITÀ COSÌ LENTA

a temperatura corporea da essere INCOMPATIBILE con la FISIOLOGIA della CELLULA e trascurabile rispetto alla durata della

vita umana. Tali reazioni sono termodinamicamente possibili, ma cineticamente impossibili, eppure tali reazioni decorrono

nel nostro organismo a velocità elevata.

Ciò è possibile grazie all’esistenza di CATALIZZATORI BIOLOGICI (gli enzimi) che accelerano la velocità delle reazioni.

ENZIMI ENZIMA dal greco, en=dentro; zyme = lievito, coniato nel 1878

Gli organismi viventi sono in grado di CATALIZZARE reazioni chimiche in MODO SELETTIVO ed EFFICIENTE.

I CATALIZZATORI delle reazioni che avvengono nei SISTEMI BIOLOGICI sono ENZIMI= PROTEINE ALTAMENTE SPECIALIZZATE

(eccetto che piccoli RNA catalitici, ribozimi), dotate di STRAORDINARIE PROPRIETÀ:

• Notevole POTERE CATALITICO (spesso più di catalizzatori sintetici o inorganici).

• Alto grado di SPECIFICITÀ.

• ACCELERANO enormemente le reazioni.

• Agiscono in SOLUZIONE ACQUOSA, in condizioni di TEMPERATURA e pH BLANDI.

• Agiscono in SEQUENZE BEN ORDINATE.

• Carenza, assenza o eccessiva attività degli enzimi possono CAUSARE MALATTIE.

Un enzima catalizza la trasformazione di un SUBSTRATO in un PRODOTTO:

[P]

K =

S ↔ P eq [S]

ATTIVITÀ CATALITICA

Gli enzimi generano un AMBIENTE SPECIFICO dove la REAZIONE è ENERGETICAMENTE FAVORITA = SITO ATTIVO.

• Alcuni enzimi riescono a svolgere le loro funzioni TAL QUALI (STRUTTURA SOLO PROTEICA).

• Altri enzimi, per l’attività catalitica, richiedono la PRESENZA di COFATTORI o COENZIMI, SEMPLICI o COMPLESSI, per

svolgere la loro funzione:

o 2+ 2+ 2+ 2+ 2+

INORGANICO: ioni metallici (Fe , Cu , Zn , Mg , Mn ).

o ORGANICO: coenzimi, trasportatori di specifici gruppi funzionali (es. NAD, FAD, ATP, CoASH).

o Molecola che si lega all’enzima solo quando deve catalizzare una reazione. Si associa e dissocia

agevolmente.

o ORGANICO: gruppo prostetico (es. eme), Sempre legato all’enzima (legame covalente).

Un enzima associato con i suoi cofattori (attivo) si definisce OLOENZIMA, la sola parte proteica si definisce APOENZIMA o

APOPROTEINA.

Gli enzimi possono anche subire MODIFICHE COVALENTI per fosforilazione, glicosilazione o mediante altri processi, queste

ALTERAZIONI sono coinvolte nella REGOLAZIONE DELLA ATTIVITÀ ENZIMATICA.

Come i catalizzatori non proteici, gli enzimi:

• 6 12

AUMENTANO la VELOCITÀ di una reazione (da 10 a 10 volte), FAVORENDO l’ORIENTAMENTO e il CONTATTO fra

reagenti, favorendo la FORMAZIONE dello STATO ATTIVATO e DIMINUENDO l’ENERGIA di ATTIVAZIONE della

reazione.

• NON ALTERANO la K della reazione, permettono di raggiungere l’EQUILIBRIO velocemente, senza alterarlo.

eq

• Rimangono INALTERATI alla fine della reazione (non partecipano alla reazione, non vengono trasformati, non

compaiono tra i reagenti, né tra i prodotti) → sono RIUTILIZZABILI, ne basta una piccola quantità.

Diversamente dai catalizzatori chimici hanno:

• Una MAGGIORE EFFICIENZA (quindi potere catalitico elevato).

• SPECIFICITÀ DI SUBSTRATO (natura) o di REAZIONE.

• REGOLABILITÀ: hanno diversi gradi di attività.

• Consentono la catalisi in AMBIENTE FISIOLOGICO (CONDIZIONI di REAZIONE BLANDE):

o Temperature basse, pressione atmosferica, acqua come solvente, pH neutro …

o Conseguenti vantaggi sia dal punto di vista produttivo che ambientale.

• ELEVATA SELETTIVITÀ, 3 livelli:

o CHEMOSELETTIVITÀ: selettivi per un gruppo funzionale (–OH e non –NH , -COOH).

2

o REGIOSELETTIVITÀ: possibilità di far reagire un gruppo funzionale meno reattivo di altri gruppi presenti,

posizionandolo sul sito catalitico del sito attivo (il resto della molecola risulta posizionata sul sito di legame).

o STEREOSELETTIVITÀ: distinguono stereoisomeri, in particolare enantiomeri.

I COENZIMI, invece, vengono MODIFICATI CHIMICAMENTE, REVERSIBILMENTE, nelle reazioni enzimatiche a cui

partecipano, devono quindi essere RIGENERATI per poter completare un ciclo catalitico.

La loro rigenerazione può essere CATALIZZATA da un altro enzima, diverso rispetto a quello a cui sono legati (es. reazioni

accoppiate).

NOMENCLATURA E CLASSIFICAZIONE

Gli enzimi possono avere NOMI che derivano dal loro SUBSTRATO o da una parola che descrive la LORO ATTIVITÀ (es.

ureasi), possono essere chiamati in base alla loro FUNZIONE (es. pepsina= digestione), o in base alla loro ORIGINE (es.

tripsina = consumare), avere più nomi oppure due enzimi avere lo stesso nome; per convenzione gli enzimi sono classificati

in 6 CLASSI PRINCIPALI, in base al tipo di reazione che catalizzano (Nome comune e nome sistematico depositato in banche

dati), specificità di reazione, e in SOTTOCLASSI:

LE REAZIONI CHIMICHE IN BIOCHIMICA

• Reazioni che formano un legame C-C, o che lo spezzano.

• Ossido-riduzioni.

• Trasferimenti di gruppi chimici.

• Riarrangiamenti interni, isomerizzazioni ed eliminazioni.

• Reazioni con formazione di radicali liberi

REAZIONI CHE FORMANO UN LEGAME C-C O CHE LO SPEZZANO

[ripasso chimica organica]

Un LEGAME COVALENTE si forma quando due atomi mettono in comune una COPPIA DI ELETTRONI, la formazione di un

legame C-C comporta l’INTERAZIONE di un CARBANIONE NUCLEOFILO e di un CARBOCATIONE ELETTROFILO.

Può essere scisso in due modi:

– SCISSIONE OMOLITICA (più rara, formazione radicali).

– SCISSIONE ETEROLITICA (più comune, formazione carbocationi e carboanioni).

NUCLEOFILI: gruppi funzionali ricchi di elettroni.

ELETTROFILI: gruppi funzionali poveri di elettroni.

L’atomo di carbonio C può agire sia da nucleofilo che da elettrofilo, a seconda dei gruppi che lo circondano.

IL PROBLEMA (biochimico): CARBOCATIONI e CARBANIONI sono specie chimiche molto INSTABILI: da un punto vista

energetico la loro FORMAZIONE è TROPPO COSTOSA, ma sono molto importanti nel metabolismo cellulare.

LA SOLUZIONE (chimica): La STRUTTURA ELETTRONICA di atomi di carbonio adiacenti può essere ALTERATA aggiungendo

GRUPPI FUNZIONALI che stabilizzino e facilitino la formazione di carbocationi e carbanioni (DELOCALIZZAZIONE CARICA):

intere vie metaboliche si sono evolute e specializzate proprio per consentire l’introduzione di gruppi funzionali, in una

particolare posizione di una molecola, in modo che un legame C-C possa essere formato o scisso.

DELOCALIZZAZIONE della carica

negativa del carbanione sul C del

GRUPPO CARBONILICO e sul N del

GRUPPO IMMINICO.

TRE CLASSI PRINCIPALI DI REAZIONI IN CUI LEGAMI C-C VENGONO FORMATI O SCISSI:

• CONDENSAZIONE ALDOLICA (glicolisi).

• CONDENSAZIONE DI CLAISEN (ciclo dell’acido citrico).

• DECARBOSSILAZIONE (catabolismo degli acidi grassi). Il C di un gruppo carbonilico

funge da elettrofilo e un

carbanione da nucleofilo.

Un carbanione si forma

sull’atomo di C ombreggiato in

azzurro.

LE REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONE

Una reazione di ossido-riduzione consiste in un TRASFERIMENTO DI ELETTRONI da una sostanza che si ossida (DONATORE

DI ELETTRONI) ad una che si riduce (ACCETTORE DI ELETTRONI).

→ Il FLUSSO DI ELETTRONI nelle reazioni metaboliche di ossido-riduzione è responsabile, direttamente o indirettamente,

di TUTTO IL LAVORO prodotto dagli organismi viventi.

Le cellule contengono molte molecole che si comportano da trasduttori di energia e possono convertire l’energia liberata

dal flusso degli elettroni in LAVORO UTILE (TRASDUZIONE ENERGIA).

Nella cellula, gli elettroni passano da DIVERSI INTERMEDI METABOLICI a TRASPORTATORI DI ELETTRONI SPECIALIZZATI, che

li donano a loro volta ad accettori con elevata affinità per gli elettroni, con il contemporaneo rilascio di energia.

La maggior parte delle cellule viventi ottiene l’energia necessaria per compiere lavoro dall’ossidazione di COMBUSTIBILI

METABOLICI (carboidrati e grassi).

Le vie metaboliche che rendono disponibile energia sono una SEQUENZA DI REAZIONI OSSIDATIVE che ESTRAGGONO

ELETTRONI da composti organici ridotti e li trasferiscono all’ossigeno, che ha un’affinità molto elevata per gli elettroni e

viene ridotto.

Processo fortemente ESOERGONICO → SINTESI DI ENERGIA.

Nelle molecole biologiche il carbonio esiste in 5 STATI DI OSSIDAZIONE:

In molte ossidazioni biologiche, un composto organico PERDE DUE ELETTRONI E DUE IONI IDROGENO (deidrogenazione),

in alcuni casi composti organici ACQUISTANO OSSIGENO.

Gli enzimi che catalizzano queste ossidazioni sono le DEIDROGENASI.

Una SOSTANZA S (donatore degli atomi di idrogeno) può OSSIDARSI per deidrogenazione SOLO se avviene la SIMULTANEA

RIDUZIONE di un’altra MOLECOLA X (accettore degli atomi di idrogeno, di elettroni).

SH + X → S + XH

2 2

COENZIMI SPECIALIZZATI PER IL TRASPORTO DEGLI ELETTRONI

COFATTORI che possono andare incontro ad OSSIDAZIONI e RIDUZIONI REVERSIBILI in molte reazioni metaboliche di

trasferimento degli elettroni.

L’OSSIDAZIONE del glucosio a CO richiede TRASPORTATORI SPECIALIZZATI di elettroni ed è ACCOPPIATA alla SINTESI di ATP:

2

SH + X → S + XH

2 2

C H O + 6 O → 6 CO + 6 H O ΔG’° = - 2840 kJ/mole

6 12 6 2 2 2

Questa VARIAZIONE di ENERGIA LIBERA è MOLTO più grande di quella richiesta per la SINTESI dell’ATP (50/60 kJ/mole).

STRATEGIA METABOLICA:

Le cellule non convertono direttamente il glucosio in CO in un’unica reazione (anche se molto energetica), ma attraverso

2

una SERIE DI REAZIONI, alcune delle quali comportano L’OSSIDO-RIDUZIONE DI COFATTORI SPECIALIZZATI (reazione

accoppiate).

l’energia libera rilasciata da queste tappe ossidative intermedie è circa dello STESSO ORDINE DI GRANDEZZA di quella

richiesta per la SINTESI di ATP (PACCHETTI DI ENERGIA).

L’ACCETTORE FINALE è l’O .

2

STRUTTURA E FUNZIONE DEL NAD (NICOTINAMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE)

Il NAD è un TRASPORTATORE SOLUBILE DI ELETTRONI, composto da due nucleotidi (DINUCLEOTIDE), legati tra loro a livello

dei gruppi fosfato: 1) AMP e 2) nicotinamide.

Il NAD ha la funzione di ACCETTORE DEGLI ATOMI DI IDROGENO nelle reazioni catalizzate da deidrogenasi.

+ - + +