Biochimica - metabolismo cellulare

ΔG=ΔH −TΔS

Dove: ΔG è la variazione di energia libera, ΔH è la variazione di entalpia, T è la temperatura assoluta e ΔS è

la variazione di entropia.

ΔG in un sistema che reagisce spontaneamente è sempre negativo!

LA COSTANTE DI EQUILIBRIO

In un sistema che sta reagendo gli equilibri tra reagenti e prodotti tendono a variare finché non si raggiunge

equilibrio tra reagenti e prodotti. In condizioni di equilibrio le velocità di reazione (sia verso i prodotti che

verso i reagenti) è uguale. Le concentrazioni di reagenti e prodotti all’equilibro definiscono la costante K eq

⇌

aA+ bB cC +dD

ed in una reazione: dove a, b, c, d sono il numero delle molecole mentre A, B, C, D

sono le molecole vere e proprie. Si otterrà quindi l’equazione:

c d

D]

[C] [

K =

eq a b

A

[ ] [B ]

La forza che spinge una reazione verso l’equilibrio è la variazione di energia libera ΔG (nel caso la

concentrazione molare sia di 1M o la pressione in caso di gas sia di 1atm (101,3kPa) la variazione di energia

0

libera sarà definita come ΔG ).

La variazione di energia libera standard di una reazione chimica è semplicemente un modo matematico

alternativo di esprimere la costante di equilibro. 0

La variazione di energia libera in una reazione chimica in condizioni standard è identificata come ΔG ’ e si

calcola come:

0' '

ΔG ln K

=−RT -1 -1

dove R è la costante dei gas (8,31Jmol K ) e T la temperatura assoluta.

eq

Se la costante di equilibrio è uguale ad 1 la variazione di energia libera sarà 0, se la costante di

equilibrio è maggiore di 1 la variazione di energia libera sarà negativa (quindi con un rilascio di

energia libera), mentre se sarà minore di 1 la variazione di energia libera sarà positiva.

0

La differenza tra la ΔG e la ΔG ’ è che sostanzialmente la prima rappresenta un valore reale, la seconda

invece, essendo stata calcolata in condizioni sperimentali (1,0M; pH=7,0; T=25°C; P=1atm (101,3kPa)) ha

0

un valore caratteristico per ogni reazione. I valori di ΔG e ΔG ’ son collegati tra loro tramite la relazione:

[ ]

C [D ]

0'

ΔG=ΔG RT ln

+ [ ]

A B]

[ 0 0 0

La differenza sostanziale tra ΔG e ΔG ’ sta nel pH della soluzione, nella condizione di ΔG il pH è prossimo

0

allo 0, mentre nelle condizioni di ΔG ’il pH è vicino alla neutralità.

La variazione di energia libera standard è importante in quanto serve a prevedere la direzione della reazione:

• ΔG : il processo è spontaneo, endoergonico, con rilascio di energia. La reazione è spostata

< 0 C H O → 6CO O+ energia

+6O +6H

verso i prodotti (metabolismo aerobico del glucosio ).

6 12 6 2 2 2

• ΔG >0: il processo non è spontaneo, esoergonico, con assorbimento di energia. La reazione è

→ ATP+ H O−energia

+¿ 2 ¿

2−¿ idrogenofosfato H

( )+

spostata verso i reagenti (fosforilazione dell’ADP per dare ATP ).

¿

ADP+ HPO 4

• ΔG = 0: il sistema è all’equilibrio

La ΔG dipende dalla concentrazione dei reagenti e dei prodotti.

REAZIONI ACCOPPIATE

Le cellule eterotrofiche ottengono energia tramite il catabolismo ed usano questa energia per formare ATP a

partire da ADP+P . L’ATP a sua volta dona energia tramite l’interazione covalente dell’ATP stesso alla

i

reazione che deve essere guidata o assistita con la conseguente formazione di ADP+P oppure AMP+2P .

i i

Il rilascio di energia a partire dall’ATP avviene tramite tre vie:

• Assunzione di molecole organiche

• Ossidazione attraverso reazioni catalitiche accoppiate

• Idrolisi dell’ATP

ATP

L’ATP è una nucleotide formato da un’adenina, un ribosio ed un gruppo trifosfato. Dona gruppi fosforici,

pirofosforici ed adenilici.

L’ATP è una molecola energetica e cede energia grazie all’idrolisi che subisce (diventando ADP o AMP). La

0

ΔG ’ dell’idrolisi dell’ATP risulta quindi essere negativa (30,5 kJ/mol) ma fuori dalle condizioni

sperimentali (considerando quindi la ΔG) il risultato varia notevolmente, questo perché all’interno della

cellula non solo né i reagenti né i prodotti sono in concentrazioni di 1M ma anche perché nel citosol è

2+

presente Mg che reagisce sia con l’ATP che con l’ADP. La variazione di energia libera nelle cellule è

0

indicato con ΔG ed ha un valore molto negativo rispetto al ΔG ’ che quindi raggiuge valori di -50/-65

p

kJ/mol. ΔG è anche chiamato potenziale di fosforilazione.

p

L’ATP non è l’unico composto fosforico in grado di essere idrolizzato e rilasciare energia, esistono altri

composti fosforilati e tioesteri (composti dove l’ossigeno del legame estere è sostituito da un atomo di zolfo)

che hanno un’energia libera molto elevata. L’energia rilasciata dall’idrolisi di un composto fosforilato

dipende dal fatto che i prodotti della reazione abbiano un contenuto energetico minore dei reagenti.

I composti con un’energia libera di idrolisi molto negativa generano prodotti più stabili dei reagenti in

quanto:

1. Lo stiramento del legame nei reagenti, dovuto a repulsione elettrostatica, viene rimosso dalla

separazione delle cariche

2. I prodotti sono stabilizzati mediante ionizzazione

3. I prodotti sono stabilizzati mediante isomerizzazione (tautomerizzazione)

4. I prodotti sono stabilizzati per risonanza

L’idrolisi dell’ATP è un processo caratterizzato da due fasi:

1. Il gruppo fosforico o l’adenilato vengono trasferiti sul substrato (o sul residuo amminoacidico o

sull’enzima) al quale si legano covalentemente aumentando l’energia libera del substrato

2. Il gruppo legato covalentemente al substrato viene rilasciato.

Talvolta l’idrolisi dell’ATP non avviene in due fasi, bensì in una come ad esempio nel cambio

conformazionale di una proteina, nella contrazione muscolare, nello spostamento degli enzimi lungo il DNA

o dei ribosomi sull’mRNA.

L’ACETIL COENZIMA A (Acetil-CoA)

L’Acetil-CoA è un trasportatore di gruppi acetile sui quali hanno un elevato potenziale di trasferimento. È un

tioestere che viene attivato grazie a reazioni di transacetilazione, condensazione ed ossido-riduzione.

LE REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONE

Oltre alle reazioni di trasferimento di un gruppo fosforico grazie alla fosforilazione ci sono anche le reazioni

di trasferimento di elettroni grazie alle reazioni di ossido-riduzione. Nelle reazioni di ossido-riduzione una

specie chimica donerà elettroni ed un’altra riceverà elettroni, la specie che donerà elettroni sarà ossidata,

quella che riceve elettroni è ridotta.

Quando due specie chimiche hanno diversa affinità per gli elettroni gli elettroni procederanno

spontaneamente in un circuito verso la specie chimica con maggiore affinità per gli elettroni guidato da una

forza proporzionale alla differenza delle due affinità chiamata forza elettromotrice (fem).

Nel corpo umano la specie il donatore di elettroni è un composto relativamente ridotto come il glucosio.

Quando il glucosio viene ossidato gli elettroni migreranno verso una specie con più altra affinità tramite

trasportatori di elettroni fino all’ossigeno. La reazione è spontanea, quindi esoergonica in quanto l’ossigeno

ha un’affinità più alta rispetto a tutti gli altri intermedi.

L’ossidazione e la riduzione son due semi-reazioni che avvengono contemporaneamente.

+¿ ¿

3+¿+Cu ¿

⇌

2+¿ Fe

¿

2+¿+Cu

¿

Fe

Che può essere vista come: −¿ +¿

⇌

¿ ¿

3+ Cu

¿+e −¿

e

¿ ¿

⇌

2+¿ Fe 2+¿+ e

¿ ¿

Fe Cu

La sostanza che perde elettroni (il donatore di elettroni, la sostanza che viene ossidata) è detta agente

riducente o riducente, la sostanza che acquista elettroni (l’accettore, la sostanza che viene ridotta) è detta

agente ossidante o ossidante.

Quando un atomo di carbonio condivide i suoi elettroni la condivisione è spostata verso l’atomo più

elettronegativo (l’atomo più elettronegativo possiede gli elettroni).

Spesso l’ossidazione corrisponde alla deidrogenazione e spesso gli enzimi che catalizzano la reazione sono

delle deidrogenasi. Di solito i composti ridotti sono ricchi in H, mentre i composti ossidati sono ricchi in O.

Quando una reazione redox avviene in una soluzione son presenti sia le specie riducenti che quelle ossidanti

e la reazione può avvenire più o meno spontaneamente, il trasferimento di elettroni dipende dall’affinità

0

dell’accettore e del donatore e questa affinità è indicata come potenziale di riduzione standard E e si misura

in volt (tendenza di un riducente a perdere elettroni). Gli elettroni si trasferiranno dalla semi cella con il

potenziale redox più basso alla semi cella con il potenziale redox più alto (che per convenzione viene

0 0

indicata con un valore di E positivo). I potenziali di riduzione standard (E ) servono a calcolare la

variazione di energia libera (ΔG). La ΔG è proporzionale alla ΔE (differenza tra il potenziale redox) secondo

la relazione: ' 0 '

ΔG=−nZΔE ΔG E

=−nZΔ

oppure 0

Dove: n è il numero di elettroni trasferiti durante la reazione e Z la costante di Faraday (96,48 kC/mol)

Gli elettroni derivati dal catabolismo passano lungo la catena respiratoria attraverso vari trasportatori

giungendo infine all’ossigeno (che è l’accettore finale). Questo processo rilascia una grande quantità di

energia libera che viene conservata nei legami dell’ATP (fosforilazione ossidativa).

Gli elettroni possono essere trasferiti in 4 modi:

2+ 2+ 3+ +

1. Direttamente come elettroni (Fe + Cu ↔ Fe + Cu )

2. Come atomi di idrogeno

-

3. Come ioni idruro (H )

4. In combinazione diretta con riducente organico come l’ossigeno

Un equivalente riducente è un singolo elettrone che partecipa ad una reazione redox.

NAD, NADP

NAD: Nicotiamide Adenin Dinucleotide

NADP: Nicotinamide Adenin Dinucleotide Fosfato

Il NAD e il NADP sono composti da due nucleotidi uniti da un legame fosfoanidridico tra