Termodinamica dei composti contenenti fosfato

Presentazione sul tema: "Termodinamica dei composti contenenti fosfato"— Transcript della presentazione:

1 Termodinamica dei composti contenenti fosfato
MOLTE REAZIONI BIOCHIMICHE POSSONO PROCEDERE IN QUANTO I PRODOTTI VENGONO RIMOSSI EFFICIENTEMENTE IN ALCUNI CASI QUESTA RIMOZIONE NON E’ SUFFICIENTE; IN QUESTO CASO E’ NECESSARIO CHE LA REAZIONE VENGA “TRASCINATA” A  B G0’ = + 10 kJ/mole C  D G0’ = - 30 kJ/mole

2 SE LA CELLULA ACCOPPIA QUESTE DUE REAZIONI IL G0’ COMPLESSIVO SARA’ LA SOMMA ALGEBRICA DEI SINGOLI VALORI A  B G0’ = + 10 kJ/mole C  D G0’ = - 30 kJ/mole A+C  B+D G0’ = - 20 kJ/mole “TRASCINARE” UN PROCESSO CON L’ACCOPPIAMENTO E’ UN EVENTO USUALE CHE NELLA CELLULA DEBBONO ESISTERE COMPOSTI CHE POSSONO ANDARE INCONTRO A REAZIONI CHE COMPORTANO VARIAZIONI NEGATIVE DI ENERGIA LIBERA QUESTI COMPOSTI SONO CONSIDERATI COME TRASPORTATORI DI ENERGIA LIBERA NELLE CELLULE

3 Termodinamica dei composti contenenti fosfato
Questi intermedi rappresentano quindi una sorta di “moneta” universale sotto forma di energia libera che viene scambiata tra le reazioni che producono energia libera e quelle che invece la consumano La forma di energia chimica più utilizzata è l’ADENOSINA TRIFOSFATO (ATP) che è presente in tutte le forme di vita

4 Il suo ruolo centrale nel metabolismo è stato scoperto per la prima volta nel 1941 da Fritz Lipmann e da Herman Kalclar L’ATP è costituito dall’adenosina cui sono legati sequenzialmente tre gruppi fosforici (-PO3 2-) Il primo fosfato è legato mediante un legame fosfoesterico, gli altri due da legami fosfoanidridici, definiti legami ricchi

5 L’adenosina difosfato (ADP) e l’adenosina monofosfato (AMP) sono chimicamente simili all’ATP, ma contengono rispettivamente soltanto due gruppi fosforici ed un gruppo fosforico L’IDROLISI DELL’ATP E’ ALTAMENTE ESOERGONICA AVENDO UN G0’ = - 31 kJ/mole

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7 MOLTI ALTRI SONO I COMPOSTI ORGANICI PRESENTI NELLA CELLULA DEPUTATI AL TRASFERIMENTO DI ENERGIA LIBERA AD ALTRI COMPOSTI TUTTI QUESTI COMPOSTI PRESENTANO IL “LEGAME FOSFATO AD ALTA ENERGIA”, CHE IN REALTA’ NON E’ IL DIRETTO RESPONSABILE DELLA LIBERAZIONE DI COSI’ TANTA ENERGIA. QUALI SONO I MOTIVI PER CUI L’IDROLISI DI QUESTI COMPOSTI LIBERA COSI’ TANTA ENERGIA?

8 STABILIZZAZIONE PER RISONANZA DEL FOSFATO PRODOTTO
Lo ione ORTOFOSFATO (HPO4-; abbreviato con Pi) possiede una grande varietà di forme di risonanza. Sia il protone che il legame tra ossigeno e fosforo devono essere considerati delocalizzati: LE DIVERSE FORME, CHE POSSIEDONO UGUALE ENERGIA, CONTRIBUISCONO ALL’ELEVATA ENTROPIA DI QUESTA STRUTTURA DI RISONANZA. IL RILASCIO DEL FOSFATO DETERMINA UN AUMENTO DELL’ENTROPIA DEL SISTEMA

9 2) ULTERIORE IDRATAZIONE DEI PRODOTTI DI IDROLISI
Il rilascio del residuo fosforico di un composto aumenta le possibilità di idratazione soprattutto se entrambi i prodotti sono carichi (l’idratazione è uno stato energetico altamente FAVORITO) 3) REPULSIONE ELETTROSTATICA TRA I PRODOTTI CARICHI Nella idrolisi dei composti contenenti fosfato i prodotti dell’idrolisi portano una carica negativa. La repulsione tra questi prodotti ionici favorisce fortemente la reazione di idrolisi 4) AUMENTO DELLA STABILIZZAZIONE MEDIANTE RISONANZA O TAUTOMERIZZAZIONE Talvolta l’idrolisi è favorita anche dalla capacità dell’altro prodotto di assumere diverse forme molecolari

10 Reazioni di trasferimento del gruppo fosforico
Le reazioni di trasferimento del gruppo fosforico: R1O PO R2 OH  R1  OH + R2  O  PO3 2- Sono molto rilevanti per il metabolismo in generale. Le reazioni di questo tipo più importanti sono la sintesi e l’idrolisi dell’ATP: ATP + H2O  ADP + Pi ADP + H2O  AMP + PPi dove Pi e PPi rappresentano rispettivamente l’ortofosfato ed il pirofosfato.

11 Queste reazioni altamente esoergoniche sono accoppiate a numerosi processi biochimici endoergonici per renderli possibili. L’ATP viene poi rigenerato accoppiando la sua sintesi ad un processo ancora più esoergonico

12 Per illustrare meglio questi concetti, prendiamo in considerazione due esempi di reazioni di trasferimento del gruppo fosforico. La tappa iniziale del metabolismo del glucosio è la sua conversione in glucosio-6-fosfato. La reazione diretta del glucosio con il Pi è termodinamicamente sfavorita in quanto caratterizzata da un G 0’ positivo.

13 Questa sostanza è il fosfato
Nei sistemi biologici però questa reazione è accoppiata all’idrolisi esoergonica dell’ATP in modo tale che la reazione complessiva risulti termodinamicamente possibile. Perché due reazioni risultino accoppiate occorre che abbiano in comune una sostanza che sia al tempo stesso un prodotto della prima e un reagente della seconda Questa sostanza è il fosfato

14 Perché il processo che coinvolge le due reazioni sia favorito occorre che la somma algebrica dei G 0’ delle due reazioni sia negativa, cioè che il G 0’ della reazione esoergonica superi in valore assoluto quello della reazione endoergonica. L’ATP può inoltre, essere sintetizzato, ad esempio, a partire da ADP e Pi mediante idrolisi più esoergonica del fosfoenolpiruvato

15 L’utilità bioenergetica delle reazioni di trasferimento del gruppo fosforico è data dalla loro stabilità cinetica all’idrolisi, combinata con la loro capacità di trasferire grandi quantità di energia libera L’energia libera di idrolisi viene spesso indicata come potenziale di trasferimento del gruppo fosforico, che è una misura della tendenza dei composti fosforilati a trasferire i loro gruppi fosforici all’acqua

16 L’ATP ha un valore di potenziale di trasferimento del gruppo fosforico intermedio
In condizioni standard i composti che nella tabella successiva si trovano sopra all’ATP (hanno cioè un potenziale più negativo) trasferiscono spontaneamente un gruppo fosforico all’ADP per formare ATP, il quale, a sua volta, può trasferire spontaneamente un gruppo fosforico ai prodotti dell’idrolisi (la forma ROH) dei composti elencati sotto di lui (composti con potenziale meno negativo)

17 TABELLA 4.1 Energie libere standard di idrolisi del gruppo fosforico di alcuni composti
COMPOSTO G °’(KJ mole -1) Fosfoenolpiruvato - 61,9 1,3-difosfoglicerato - 49,9 Acetil fosfato - 43,1 Fosfocreatina PP - 33,5 ATP( AMP+PPi) - 32,2 ATP ( ADM + Pi) - 30,5 Glucosio-1-fosfato - 20,9 Fruttosio-6-fosfato - 13,8 Glucosio-6-fosfato Glicerolo-3-fosfato - 9,2

18 TABELLA 4.2 Alcune reazioni accoppiate cui partecipa l’ATP: (a) la fosforilazione del glucosio a glucosio-6-P ed ADP. (b) La fosforilazione dell’ADP ad opera del fosfoenolpiruvato con formazione di ATP e piruvato. Ogni reazione è stata suddivisa nella reazione di fosforilazione (semi-reazione 1) e nell’idrolisi dell’ATP (semi-reazione 2). Le due semi-reazioni procedono nella direzione in cui la reazione complessiva risulta esoergonica (G<0) (a) Semi-reazione endoergonica 1 Pi + glucosio Glucosio-6-P + H2O G °’ (KJ mole -1) + 13,8 Semi-reazione esoergonica 2 ATP + H2O  ADP + Pi - 30,5 Reazione complessiva accoppiata ATP + glucosio ADP + glucosio-6-P - 16,7 (b) Semi-reazione esoergonica 1 Fosfoenolpiruvato + H2O  Piruvato + Pi - 61,9 Semi-reazione endoergonica 2 ADP + Pi  ATP + H2O + 30,5 Fosfoenolpiruvato + ADP  Piruvato + ATP - 31,4

19 Sintesi dell’ATP La sintesi di ATP avviene a livello delle membrane, utilizzando il potenziale e i gradienti protonici di membrana e con la catalisi di una ATP-sintasi, secondo la reazione : ADP 3- + Pi 2-  ATP4+ + H2O

20 L’ATP-sintasi è un enzima con struttura tipica costante, qualunque sia l’origine (mitocondri, cloroplasti, membrane citoplasmatiche di batteri eterotrofi o membrane di procarioti fotosintetici) Essa è costituita da due sub-unità: F0, unità idrofobica di ancoraggio alla membrana e canale ionico; F1, centro attivo, costituito da 3 sub-unità  e 3 sub-unità 

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22 Come noto l’energia liberata durante il trasporto degli elettroni secondo gradiente viene utilizzata dall’ATP- sintetasi per la produzione di energia sotto forma di ATP. Il processo è noto come FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA nel mitocondrio e FOTOFOSFORILAZIONE nel cloroplasto

23 I protoni possono ritornare indietro attraverso due sistemi:
ANTIPORTO, un protone viene scambiato con un altro catione SIMPORTO, un protone è trasportato nel compartimento e l’energia per il trasporto è fornita dal simultaneo trasporto di un anione o un’altra molecola nella stessa direzione

24 Gradiente protonico elettrochimico di membrana
Durante il trasporto elettronico si stabilisce un gradiente protonico, cioè concentrazioni di H+ maggiori in un compartimento rispetto all’altro (ad esempio, interno rispetto all’esterno nel caso dei tilacoidi ed in senso inverso, esterno-interno, nel caso delle creste mitocondriali) Gli atomi e le molecole elettricamente cariche possono attraversare la membrana solo con l’aiuto di specifiche proteine di membrana (canali ionici o pompe ioniche)

25 Le POMPE IONICHE trasportano gli ioni in modo attivo creando una distribuzione di cariche ineguale ai due lati della membrane formando così un GRADIENTE ELETTROCHIMICO La forza protomotrice p che si determina fra i due compartimenti si compone di due parti: il potenziale di membrana  il gradiente di concentrazione protonica z pH

26 Il termine z vale 59 mV per il trasferimento di un elettrone;
ad esempio, nel caso dei tilacoidi, per un pH di 2,7 si ha un valore di potenziale attribuibile al gradiente protonico di 160 mV Questo termine è preponderante rispetto al potenziale di membrana essendo la forza protomotrice totale dell’ordine di 200 mV

27  H+ = F.  + RTIn[H+] A/[H+]B
 H+/ F =  + z pH =  p(forza motrice protonica) p =  - z pH 3 H+ sono necessari per la sintesi di 1 ATP Nella tabella 4.3 sono rappresentati i valori delle membrane cloroplastiche e mitocondriali TABELLA 4.3 Valori tipici di , z pH e  p delle membrane mitocondriali e tilacoidali  z pH  p Mitocondri (mV) 90 40 130 Tilacoidi (mV) 160 200