BIOENERGETICA

ATP E ADP I LEGAMI “ALTAMENTE ENERGETICI” O O O Adenina - Ribosio – O – P – O – P – O – P – O- O- O- O- ATP Mg 2+ ˜ ˜ Mg 2+ O O Adenina - Ribosio – O – P – O – P – O- O- O- ADP Mg 2+ ˜ Nei composti “altamente energetici” l’idrolisi causa nei prodotti: • aumento di forme di risonanza • diminuzione di tensione elettrostatica Mg 2+

I COMPOSTI “ALTAMENTE ENERGETICI” 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

Autore: Professoressa Carla Bovina DG , DG° ΔG = ΔG˚ + RT ln Q Q: quoziente di reazione A + B C + D [C] [D] [A] [B] All’equilibrio: ΔG = 0 Q = Keq ΔG˚ = - RT ln Keq Q = Autore: Professoressa Carla Bovina

IL TRASFERIMENTO DI GRUPPO 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

ENERGIE LIBERE DI IDROLISI E POTENZIALI DI TRASFERIMENTO DI GRUPPO 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

LE REAZIONI ACCOPPIATE Le 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. 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.

LO STATO STAZIONARIO 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

ATP MEDIATORE ENERGETICO CELLULARE: IMPORTANZA DELLE REAZIONI ACCOPPIATE 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. NH3 ATP CO2 ENERGIA LIBERA H2O Biosintesi, attivazione Contrazione e motilità Trasporto attivo: H+, Na+, K+, Ca2+ Trasferimento di informazione genetica CATABOLISMO O2 SOSTANZE COMBUSTIBILI ADP + Pi La sintesi di ATP da ADP + Pi è una reazione endoergonica: G’° = + 12.000 cal/mole

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)

Perché c’è la necessità di distinguerle? CHIMICA E BIOCHIMICA Reazioni chimiche Termodinamica chimica Reazioni biochimiche Termodinamica 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- PO43- Cationi Na+ K+ H+ ADP3- PO43- Cationi Na+ K+ H+ Mg2+

Reazioni chimiche e biochimiche Ad ogni reazione biochimica sono associate una serie di reazioni chimiche Le specie che prendono parte alle reazioni chimiche associate alla reazione biochimica vengono chiamati: PSEUDOISOMERI

PSEUDOISOMERI ATP PSEUDOISOMERI ADP PSEUDOISOMERI Pi

Reazioni chimiche e biochimiche ATP4− + H2O ADP3− + PO43− + 2H+ MgATP2− + H2O MgADP− + H2PO4− REAZIONE BIOCHIMICA ATP + H2O ADP + Pi

[SATP] K’ATPhyd = [SADP] [SPi] [ATP4-] K ATPhyd = [ADP3-] [HPO42-] [H+] SATP = ATP4- + HATP3- + H2ATP2- +…….MgATP2- +… MgHATP- +……NaATP3- + ……..KATP3- + ……. SADP = ADP3- + HADP2- + H2ADP- +…….MgADP- + MgHADP +……NaADP2- + ……..KADP2- + ……… SPi = PO43- + HPO3- + ……….MgPO4- + ……..MgHPO4 + …….NaPO42- + ……….KPO42- + ……………

VARIAZIONE DELL’ ENERGIA LIBERA IN UNA REAZIONE CHIMICA MgATP2− + H2O MgADP− + H2PO4− [MgATP2− ] Q = [MgADP−] [H2PO4−] ΔG = ΔG 0 + RT ln Q VARIAZIONE DELL’ ENERGIA LIBERA IN UNA REAZIONE BIOCHIMICA ATP + H2O ADP + Pi ΔG′ = ΔG′ 0 + RT ln Q′ Q′ = [ADP] [Pi] [ATP]

ΔG’˚ = −30.5 kJ/mol (−7.3 kcal/mol) ATP + H2O → ADP + Pi ΔG’˚ = −30.5 kJ/mol (−7.3 kcal/mol)

ΔG’˚ = −30.5 kJ/mol (−7.3 kcal/mol) Variazione di energia libera standard DG’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 DG’0 ΔG’˚ = −30.5 kJ/mol (−7.3 kcal/mol)

[ ] þ ý ü î í ì S + ° D = ATP Pi ADP ln RT ' G hyd G' DG°’ = F { pH, pMg }

Reazioni chimiche e biochimiche ATP4− + H2O ADP3− + PO43− + 2H+ MgATP2− + H2O MgADP− + H2PO4− DG1 DG2 REAZIONE BIOCHIMICA ATP + H2O ADP + Pi DG’

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: 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:

ΔGMgATP2-  ΔG’ATP-hydr

ΔGMgATP2-  ΔG’ATP-hydr ΔG  ΔG’

Implicazioni applicative Implicazioni concettuali Implicazioni “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