pag. 1

BIOENERGETICA

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ATP E ADPI LEGAMI “ALTAMENTE ENERGETICI”

O O O

Adenina - Ribosio – O – P – O – P – O – P – O-

O- O- O-

Mg 2+

ATP Mg 2+

O O

Adenina - Ribosio – O – P – O – P – O-

O- O-

Mg 2+

ADP Mg 2+

Nei composti “altamente energetici” l’idrolisi causa nei prodotti:

• aumento di forme di risonanza• diminuzione di tensione elettrostatica

˜ ˜

˜

pag. 3

Un composto è definito “altamente energetico” quando contiene legami con

energia libera di idrolisi superiore a 5000 cal /mole (G’° < - 5000 cal/mole)

idrolisi ortofosforica

Mg 2+ ATP 4- Mg 2+ ADP 3- + Pi + H+ G’° = - 7300 cal/mole

idrolisi pirofosforica

Mg 2+ ATP 4- Mg 2+ AMP 2- + PPi G’° = - 7300 cal/mole

PPi 2Pi (enzima pirofosfatasi) G’° = - 8000 cal/mole

ADP AMP + Pi G’° = - 7300 cal/mole

AMP adenosina + Pi G’° = - 3400 cal/mole

Il G’° di idrolisi di ATP pari a –7300 cal/mole è calcolato a pH 7, 25°C, forza ionica 0.2, Mg 2+ 1mM

I COMPOSTI “ALTAMENTE ENERGETICI”

G , G°

Autore: Professoressa Carla Bovina pag. 4

ΔG = ΔG˚ + RT ln Q

Q: quoziente di reazioneA + B C + D

[C] [D][A] [B]

All’equilibrio: ΔG = 0 Q = Keq

ΔG˚ = - RT ln Keq

pag. 5

Le reazioni enzimatiche in cui interviene ATP non sono usualmente idrolisi in cui H2O distacca Pi oppure PPi ma sono trasferimenti di gruppi quali

ortofosfato (Pi) e adenilato (AMP)

su di un residuo aminoacidico di un enzima oppure su di un substrato, facendone così aumentare il contenuto in energia libera.

Eccezionalmente alcuni processi utilizzano invece l’idrolisi di ATP.

Esempi:

• rifornimento di energia necessaria per il cambio conformazionale di una proteina

• rifornimento di energia necessaria nel processo di contrazione muscolare

• dispersione di calore per la termoregolazione

IL TRASFERIMENTO DI GRUPPO

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prodotti di idrolisi G’° cal/mole potenziale

PEP piruvato + Pi -14.800 14,8

1,3 BPG 3-P glicerato + Pi -13.000 13,0

Succinil-CoA succinato + CoA -10.400 10,4

Creatina-P creatina + Pi -10.300 10,3

ATP4- AMP 2- + PPi 3- -8.900 8,9

Acetil-CoA acetato + CoA -8.400 8,4

ATP 4- ADP3- + Pi -8.200 8,2

PPi 2 Pi -8.000 8,0

Mg ATP 2- Mg ADP- + Pi -5.700 5,7

Glucoso-1-P glucoso + Pi -5.000 5,0

Glucoso-6-P glucoso + Pi -3.300 3,0

AMP 2- adenosina + Pi -2.300 2,0

ENERGIE LIBERE DI IDROLISIE POTENZIALI

DI TRASFERIMENTO DI GRUPPO

pag. 7

GLUCOSO + Pi GLUCOSO 6-P + H2O reazione parziale endoergonica

G’° = + 3300 cal/mole

ATP + H2O ADP + Pi reazione parziale esoergonica

G’° = - 7300 cal/mole

GLUCOSO + ATP GLUCOSO 6-P + ADP reazione globale esoergonica

G’° = - 4000 cal/mole

L’intermedio comune è Pi

I G’° sono di segno opposto ma non di valore assoluto identico in modo che la reazione globale accoppiata risulti esoergonica.

LE REAZIONI ACCOPPIATELe reazioni di sintesi di molecole nelle cellule sono endoergoniche e richiedono energia per avvenire. Il G’° di queste reazioni è positivo e tali reazioni, quindi non possono avvenire se non sono “accoppiate” a reazioni esoergoniche che liberano energia.“L’accoppiamento” avviene grazie alla presenza di un composto intermedio comune.

pag. 8

In un sistema chiuso l’equilibrio è statico

In un sistema aperto l’equilibrio è dinamico = stato stazionario

Per lo “stato di benessere” nella cellula [ATP]/[ADP][Pi] sono in stato stazionario

Esempi:

[ATP] [ADP] [Pi]

Eritrociti 1,35 0,20 0.47

Muscoli 3,00 0,50 1.00

LO STATO STAZIONARIO

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ATP

1. Biosintesi, attivazione2. Contrazione e motilità3. Trasporto attivo: H+, Na+, K+, Ca2+

4. Trasferimento di informazione genetica

ADP + Pi

CATABOLISMO

ENERGIA LIBERA

CO2

NH3

H2O

O2

SOSTANZE COMBUSTIBILI

ATP MEDIATORE ENERGETICO CELLULARE: IMPORTANZA DELLE REAZIONI ACCOPPIATE

La sintesi di ATP da ADP + Pi è una reazione endoergonica: G’° = + 12.000 cal/mole

La concentrazione di ATP nelle cellule viene mantenuta relativamente costante attraverso lo stato stazionario dei sistemi che lo producono e di quelli che lo utilizzano.

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LA PRODUZIONE DELL’ENERGIA CELLULARE

Per attuare la reazione di sintesi di ATP (endoergonica)

ADP + Pi ATP

Si può ottenere energia da:

- la luce solare

- reazioni di ossidazione delle sostanze organiche nutrienti

In ogni processo sono sempre coinvolte reazioni di ossido-riduzione (esoergoniche).

Il meccanismo dell’accoppiamento (intermedi in comune) delle reazioni endo- ed esoergoniche conduce alla sintesi dell’ATP.

I processi biochimici relativi sono:

- la fotosintesi clorofilliana (cloroplasti)

- la catena respiratoria (mitocondri)

- la fosforilazione ossidativa (mitocondri)- la fosforilazione “a livello del substrato” (ad esempio PEP nella glicolisi)

Reazioni chimiche Termodinamica chimica

Reazioni biochimiche Termodinamica biochimica

CHIMICA E BIOCHIMICA

Perché c’è la necessità di distinguerle?

Le molecole coinvolte nelle reazioni dei sistemi biologici (reazioni biochimiche) sono poli-anioni

Ciò implica che i reagenti delle reazioni biochimiche consistano di vari addotti in equilibrio con acidi di Lewis quali H+, Mg2+, ecc.

Di conseguenza ogni reazione biochimica definisce un sistema complesso (multi-equilibrio) di reazioni

chimiche

Leganti

ATP4-

ADP3-

PO43-

Cationi

Na+

K+

H+

Mg2+

Ad ogni reazione biochimica sono associate una serie di reazioni chimiche

Reazioni chimiche e biochimicheReazioni chimiche e biochimiche

Le specie che prendono parte alle reazioni chimiche associate alla reazione biochimica vengono chiamati:

PSEUDOISOMERI

PSEUDOISOMERI

ATP

PSEUDOISOMERI Pi

PSEUDOISOMERI

ADP

REAZIONI CHIMICHE

ATP4− + H2O ADP3− + PO43− + 2H+

MgATP2− + H2O MgADP− + H2PO4−

REAZIONE BIOCHIMICA

ATP + H2O ADP + Pi

Reazioni chimiche e biochimicheReazioni chimiche e biochimiche

K ATPhyd =

[ATP4-]

[ADP3-] [HPO42-] [H+]

K’ATPhyd =[ATP]

[ADP] [Pi]

ATP = ATP4- + HATP3- + H2ATP2- +…….MgATP2- +… MgHATP- +……NaATP3- + ……..KATP3- + …….

ADP = ADP3- + HADP2- + H2ADP- +…….MgADP- + MgHADP +……NaADP2- + ……..KADP2- + ………

Pi = PO43- + HPO3- + ……….MgPO4

- + ……..MgHPO4 + …….NaPO42- + ……….KPO4

2- + ……………

VARIAZIONE DELL’ ENERGIA LIBERA IN UNA REAZIONE CHIMICA

ΔG = ΔG 0 + RT ln Q

MgATP2− + H2O MgADP− + H2PO4−

[MgATP2− ]

VARIAZIONE DELL’ ENERGIA LIBERA IN UNA REAZIONE BIOCHIMICA

ATP + H2O ADP + Pi

ΔG′ = ΔG′ 0 + RT ln Q′

ATP + H2O → ADP + Pi

ΔG’˚ = −30.5 kJ/mol (−7.3 kcal/mol)

Variazione di energia libera standard G’0

In condizioni considerate standard da un punto di vista biochimico (temperatura di 25°C (298K), pH=7, concentrazione dei reagenti e dei prodotti 1M concentrazione dell’acqua 55.5M) si definisce la variazione di energia libera standard G’0

ΔG’˚ = −30.5 kJ/mol (−7.3 kcal/mol)

+=ATP

Pi ADP ln RT 'G hyd ATPG'

G°’ = F { pH, pMg }

REAZIONI CHIMICHE

ATP4− + H2O ADP3− + PO43− + 2H+

MgATP2− + H2O MgADP− + H2PO4−

REAZIONE BIOCHIMICA

ATP + H2O ADP + Pi

Reazioni Reazioni chimiche e chimiche e biochimichebiochimiche

G1

G2

G’

Nei sistemi biologici per calcolare la variazione di energia libera dei vari processi

cellulari (sintesi, lavoro meccanico e trasporto attivo) si utilizza solitamente il ΔG′

della reazione di idrolisi di ATP secondo la seguente equazione:

' 'ATP-hyd ATP-hyd

ADP Piln

ATPG G RT

solo l’energia libera di idriolisi di questo pseudoisomero è rilevante nel descrivere

lo stato energetico intracellulare secondo la reazione chimica:

Tuttavia, è il complesso MgATP2- la specie enzimaticamente attiva, e quindi,

La cui corrispondente energia libera di idrolisi è data dalla seguente equazione:

'K K

'Q Q

ΔGMgATP2- ΔG’ATP-hydr

ΔGMgATP2- ΔG’ATP-hydr

ΔG ΔG’

Implicazioni Implicazioni applicativeapplicative

Implicazioni Implicazioni concettualiconcettuali

Implicazioni Implicazioni “filosofiche”“filosofiche”

Implicazioni applicative

Una conseguenza significativa di tale proprietà è che si può quantificare la variazione di energia libera di ogni reazione enzimatica anche se non si

conosce quale specie chimica è substrato dell’enzima

Implicazioni concettuali

Una sostanziale parte della termodinamica chimica e biochimica, prima trattate separatamente, può essere ora unificata in un singolo sistema concettuale

Implicazioni “filosofiche”

Alcune delle proprietà termodinamiche locali di un sistema biologico coincidono con quelle globali

Per l’energia libera: locale e globale non sono antonimi

ovvero

la parte è uguale al tutto