Metabolismo Cellulare Prof. Attilio Citterio Dipartimento CMIC “Giulio Natta” http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/education/course-topics

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

FATS CARBOHYDRATES

CITRIC ACID CYCLE

CO2 +

ENERGY

CH3 C S

O

CoA

Attilio Citterio

Metabolismo: Concetti di Base e Schemi

Negli organismi viventi i processi di trasduzione dell’energia si realizzano tramite una complessa rete integrata di reazioni chimiche (metabolismo).

A. Il Metabolismo è costituito da molti reazioni accoppiate interconnesse

B. L’ossidazione delle molecole organiche è una importante fonte di energia cellulare

C. Le vie metaboliche contengono molti motivi ricorrenti

TERMINI: • Le reazioni operanti nelle cellule si inquadrano nel termine metabolismo • Le vie che spezzano le molecole più grandi in molecole più piccole si

indicano come catabolismo • Le vie che sintetizzano molecole più grandi da molecole più piccole si

indicano come anabolismo • Le vie cataboliche normalmente rilasciano energia mentre le anaboliche

normalmente assorbono energia.

Attilio Citterio

Un Abbozzo del Metabolismo delle Piante

FOTOSINTESIS

Acqua

Biossido di Carbonio

Luce

Ossigeno

Zuccheri

RESPIRAZIONE

Amido

Minerali del suolo

(cibo immagazzinato)

Pectina

Cellulosa Pareti cellulari

Lignina

Grassi Cutina

Membrane Proteine

Enzimi Pigmenti

Ormoni

Vitamine

Alcaloidi, tannini e altre sostanze protettive, ecc.

Acqua

Biossido di Carbonio

Energia (usata nella sintesi dei

prodotti vegetali a destra)

Attilio Citterio

Metabolismo: Complessità e Programmazione

• Il metabolismo del batterio E. coli comprende più di 1000 reazioni chimiche

• Questa vasta batteria di reazioni è semplificata dall’uso di un progetto coerente che coinvolge molti motivi comuni.

• Questi motivi includono l’uso di una valuta energetica e il ricorso ad un numero limitato di intermedi attivati.

• Un gruppo di circa 100 molecole giocano un ruolo centrale in tutte le forme in cui la vita compare dal micro-organismo all’uomo.

• Il numero di reazioni è molto grande, il numero dei motivi è piccolo e i meccanismi sono normalmente semplici (con qualche eccezione)

• Le vie metaboliche sono regolate da modalità comuni.

Attilio Citterio

Le Cellule Trasformano Diversi Tipi di Energia

Gli organismi viventi richiedono un continuo apporto di energia libera per tre principali scopi: • Fare lavoro meccanico, quale contrazione dei muscoli ed altri

movimenti cellulari • Trasportare attivamente molecole e ioni • Sintetizzare macromolecole ed altre biomolecole da semplici

precursori

Conversioni di Energia: Organismi fotosintetici, or fototrofi, usano l’energia della luce solare

per convertire molecole semplici a bassa energia in molecole più complesse e più ricche di energia che poi servono da combustibili. Essi trasformano la luce in energia chimica

Organismi chemotrofi, come l’uomo, ottengono l’energia chimica tramite l’ossidazione dei componenti alimentari prodotti dai fototrofi

L’energia chimica è poi trasformata in altre forme di energia.

Attilio Citterio

Metabolismo del Glucosio

Il glucosio viene trasformato in Piruvato in 10 reazioni in sequenza

Metabolismo: una serie interconnessa di reazioni chimiche

Glucosio

OH

H

OH

OHOH

H

H

OHOH

H

Piruvato

10 stadi

Anaerobico

Lattato

Condizioni anaerobiche

Condizioni anaerobiche

Aerobico

Acetil CoA

Attilio Citterio

Vie Metaboliche

Attilio Citterio

Reppresentazione Semplificata delle Vie Biochimiche Connesse con i Mitochondri

Metabolites 2014, 4(3), 831-878

Attilio Citterio

Vie Metaboliche

Due ampie classi: 1. Quelle che convertono l’energia in forme biologicamente utili si

indicano come vie cataboliche

Combustibili (carb./grassi) → CO2 + H2O + energia utile: catabolismo

2. Quelle che richiedono immissione di energia per poter procedere si indicano col termine vie anaboliche

energia utile + piccole molecole → mol. complesse: anabolismo Le vie che sono sia anaboliche o cataboliche si individuano col termine

vie amfiboliche.

Attilio Citterio

Accoppiamento Spontaneo e Reazioni non Spontanee

Una via metabolica deve soddisfare al minimo due criteri: 1. Le singole reazioni devono essere specifiche, fornendo solo un particolare

prodotto o una gamma di prodotti. Gli Enzimi forniscono la specificità 2. L’intero gruppo di reazioni in una via deve esser termodinamicamente

favorito Una reazione può avvenire spontaneamente solo se il DG, la

variazione di energia libera, è negativa. 3. Un importante proprietà della funzione termodinamica G è che la variazione

complessiva di energia libera di una reazione o di una serie di reazioni è uguale alla somma delle variazioni di energia libera delle singole fasi,

A ⇔ B + C ∆G0’ = + 5 kcal mol-1 B ⇔ D ∆G0’ = - 8 kcal mol-1 ———————————————— A ⇔ C + D ∆G0’ = - 3 kcal mol-1

Attilio Citterio

ATP è la Moneta Universale dell’Energia Libera

Il Metabolismo è facilitato dall’uso di una moneta di scambio energetico comune Parte dell’energia libera derivata dall’ossidazione dei cibi e dalla luce viene trasformata in ATP – l’ATP è la moneta energetica universale per lo scambio dell’energia libera. Si libera una grande quantità di energia libera quando si idrolizza l’ATP ad ADP e Pi, o l’ATP a AMP e PPi

ATP + H2O a ADP + Pi ∆G0’ = -7.3 kcal mol-1 ATP + H2O a AMP + PPi ∆G0’ = -10.9 kcal mol-1

Nelle tipiche condizioni cellulari, il valore reale di per queste idrolisi è approssimativamente -12 kcal mol-1

L’idrolisi dell’ATP sposta il metabolismo spostando l’equilibrio di reazioni accoppiate di un fattore di circa 108

Attilio Citterio

Strutture di ATP, ADP e AMP

Adenosina trifosfato (ATP) Adenosina difosfato (ADP)

Adenosina monofosfato (AMP)

O- P

OH

O

O P

OH

O

O P

OH

O

OH OH

O

N

N

NH2

N

NO

O- P

OH

O

O P

OH

O

OH OH

O

N

N

NH2

N

NO

O- P

OH

O

OH OH

O

N

N

NH2

N

NO

Attilio Citterio

ATP

L’ATP è una molecola ricca in energia perché le sue unità trifosfato contengono due legami fosfoanidridici (β e γ)

ATP ha un elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosforile (∆G = -12 kcal mol-1)

Adenosina trifosfato (ATP)

NN

NH2N

NOOPOPOP

O

O-O-

O-

O

O-

O

HOH

H

OH

HH

Attilio Citterio

Strutture di Risonanza dell’Ortofosfato

Perché l’ATP ha un elevato potenziale di trasferimento del fosforile?

∆G0’ dipende dalla differenza nelle energie libere dei prodotti e quelle dei reagenti, per cui entrambe si devono considerare

Quattro fattori sono importanti: 1. Stabilizzazione per Risonanza 2. Repulsione Elettrostatica 3. Stabilizzazione dovuta all’idratazione 4. Aumento dell’entropia per formazione di 2 specie da 1

OHP

O

O-

O-

O-

O

O-

POH OHP

O-

O-

O OP

OH

O-

O-

H+

Attilio Citterio

Composti con Alto Potenziale di Trasferimento di Fosforile

Il potenziale di trasferimento di fosforile è un’importante forma di trasferimento di energia cellulare Questi composti possono trasferire un gruppo fosforile all’ADP per formare ATP Essi accoppiano l’ossidazione al carbonio alla sintesi dell’ATP

Fosfoenolpiruvato

Creatina fosfato

1,3-Bisfosfoglicerato

H H

P

O-

O-O

O

O

O

ON

NH2+

P

O-

O-O

P

O-

O- O

O

OP

O-

O-O

OH HO

Attilio Citterio

Posizione Intermedia dell’ATP

consente all’ATP di funzionare efficientemente come trasportatore di gruppo fosforile

Energia libera standard per l’idrolisi di alcuni composti fosforilati

Composto kcal·mol-1 kJ·mol-1 Fosfoenolpiruvato - 14.8 - 61.0 1,3-Bisfosfoglicerato - 11.8 - 49.4 Creatina fosfato - 10.3 - 43.1 ATP (ad ADP) - 7.3 - 30.5 Glucosio 1-fosfato - 5.0 - 20.9 Pirofosfato - 4.6 - 19.3 Glicerolo 6-fosfato - 3.3 - 13.8 Glicerolo 3-fosfato - 2.2 - 9.2

R-OPO32‾ + H2O → ROH + HOPO3

2‾ ∆G°idrolisi

Attilio Citterio

Ciclo ATP-ADP

ATP ADP

Ossidazione di molecole combustibili

o Fotosintesi

Movimento Trasporto attivo

Biosintesi Amplificazione di Segnale

Si tratta di un modo fondamentale di scambio nei sistemi biologici

L’ossidazione dei combustibili organici è una fonte importante di energia cellulare

100 g di ATP nel corpo, il turnover è molto alto. Un uomo a riposo consuma 40 kg di ATP in 24 ore. Un’attività intensa porta a consumare 0.5 kg / minuto. In 2 ore: sono usati 60 kg

Attilio Citterio

Reazioni ATP-accoppiate

Molte reazioni non sono spontanee in condizioni fisiologiche o cellulari. Però tali reazioni si possono accoppiare all'idrolisi dell'ATP per avvenire.

ATP + Glucosio → Glucosio-6-P + ADP Reazione cellulare attuale → P-trasferimento

G

Coordinata di reazione

Glucosio H2O ATP

ADP + Pi + Glucosio

Glucosio-6-P + ADP -30.5 13.8

16.87

Glucosio-6-P

Attilio Citterio

Fonti di ATP nel Corso di una Attività Prolungata

Nel muscolo a riposo, [ATP] = 4 mM, [creatina fosfato] = 25 mM [ATP] sufficiente a sostenere 1 secondo di contrazione muscolare

Secondi Minuti Ore

Ene

rgia

ATP

Creatina fosfato

Metabolismo aerobico

Metabolismo Anaerobico

Attilio Citterio

Energia Libera di Ossidazione di specifici composti ad un atomo di carbonio

Negli organismi aerobici, l’accettore finale nell’ossidazione del carbonio è l’O2, e il prodotto di ossidazione è la CO2 Più il carbonio è ridotto, più energia si ricava dalla sua ossidazione.

più energia meno energia

∆G°ossidaz. (kJ·mol-1)

-195 -168 -125 -68 0

Metano Metanolo Formaldeide Acido formico Biossido di carbonio

HC

H

H

HH

CH

O

H

H

HC

H

O

HC

O

O

HCO

O

∆G°ossidaz. (kcal·mol-1)

-820 -703 -523 -285 0

Attilio Citterio

Combustibili Biologici Comuni

I grassi sono combustibili più efficienti dei carboidrati (per es. Glucosio)

Perché il carbonio nei grassi è più ridotto (eccetto il carbonio del COOH).

Glucosio

Acido grasso

C

O

O CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH3-

OH

H

OH

OHOH

H

H

OHOH

H

Attilio Citterio

Gradienti Protonici

L’ossidazione dei combustibili può indurre l’istaurarsi di gradienti protonici

Gradienti protonici possono a loro volta indurre la sintesi di ATP

H+ H+

H+ H+

NADH H2O

Oxidation of fuels pumps protons out

Influx of protons forms ATP

ADP + Pi ATP

Attilio Citterio

Stadi del Catabolismo Metabolismo Cellulare (Ciclo Ac. Citrico, CTA)

È utile pensare all’ossidazione metabolica dei substrati come a un processo a 3 stadi:

il carbonio è incorporato nell’acetil-CoA

il carbonio viene quindi ossidato a CO2, agenti ridotti di trasferimento elettronico e una piccola quantità di ATP

gli agenti ridotti di trasferimento elettronico sono riossidati fornendo energia per la sintesi di ulteriore ATP (fosforilazione ossidativa)

L’attività del ciclo TCA è favorita da bassi rapporti NADH/NAD+

Vie Metaboliche

Attilio Citterio

Motivi Ricorrenti nelle Vie Metaboliche

I Motivi unificanti includono metaboliti comuni, reazioni, e schemi regolatori.

I trasportatori attivati esemplificano la progettazione modulare e l’economia del metabolismo, per es. l’ATP é un trasportatore attivato di gruppi fosforile.

1. Trasportatori attivati di elettroni per l’ossidazione di comb. NAD+ / NADH e FAD / FADH2

2. Un trasportatore attivato d’elettroni per biosintesi riduttiva NADP+ / NADPH

3. Un trasportatore attivato di frammenti a due-carboni Coenzima A, per es. Acetil CoA

Attilio Citterio

Struttura de Trasportatore di Elettroni Derivato della Nicotinammide

Forma ossidata

Nicotinammide adenina dinucleotide (NAD+), R = H Nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADP+), R = PO3

2-

Principale trasportatore di elettroni ad alta-energia

Sito reattivo

O

PO

O-

O

P

O NN

N

NH2N

O

O ROH

OO-

OH OH

N+O

NH2

O

Attilio Citterio

Tipo di Reazione per il NAD+ come Accettore di Elettroni

+ +NAD+ NADHCR

O H

HCH3

+ H+C

R

O

R1

Attilio Citterio

Tipo di Reazione per il FAD come Accettore di Elettroni

RC

H

CR

H H

H

CR

CHH

CH3

+ +FAD FADH2

Attilio Citterio

Biosintesi Riduttiva: Acidi Grassi

Riduzione del gruppo chetonico a metilene: avviene in molti stadi, richiede la disponibilità di 4 elettroni

NADPH è un datore di elettroni

+ +4 e- H2O+ 4 H+C

O

CR

R

H

HR

CC

R

H

HH

H

Attilio Citterio

Coenzima A

L’acetil CoA trasporta un gruppo acetile attivato esattamente come l’ATP trasporta un gruppo fosforile attivato.

Trasportatore attivato di frammenti a due-atomi di carbonio

I gruppi acili legati al CoA con legami tioesterici: alto potenziale di trasferimento di gruppi acilici (il trasferimento è esotermico)

Acil CoA Acetil CoA

RC

O

SCoA

CH3C

O

SCoA

Attilio Citterio

Struttura del Coenzima A

Vitamina B

Gruppo reattivo

Unità β-Mercapto- etilammina

Unità pantotenato

NH NHO

PO

PO

OOH

N

N

N

N

NH2

O

O-

O

O-

OH H

OO

SH OH

Attilio Citterio

Un piccolo insieme di trasportatori responsabile per la maggior parte di gruppi attivati nel metabolismo

Principali Trasportatori Attivati nel Metabolismo

Molecola trasportratice in forma attivata Gruppo trasferito Precursore vitamina

ATP Fosforile NADH e NADPH Elettroni Nicotinato (niacina) FADH2 Elettroni Riboflavina (vit. B2) FMNH2 Elettroni Riboflavina (vit. B2) Coenzima A Acile Pantotenato Lipoammide Acile Tiamina pirofosfato Aldeide Tiamina (vitamina B1) Biotina CO2 Biotina Tetraidrofolato Unità a 1-carbonio Folato S-Adenosil metionina Metile Uridina dfosfato glucosio Glucosio Citidina diphosphate diacilgicerolo Fosfatidato Nucleoside triphosfati Nucleosidi

Attilio Citterio

Migliaia di Reazioni Metaboliche

Si possono suddividere in sei tipi:

Tipi di reazioni chimiche

Tipo di reazione Descrizione

Ossido-riduzione Trasferimento elettronico Legami richiedenti la rottura dell’ATP Formazione di legami covalenti (per

es. legami carbonio-carbonio) Isomerizzazione Trasposizione di atomi per formare

isomeri Trasferimento di gruppo Trasferimento di gruppo funzionale

da una molecola ad un’altra Idrolisi Rottura di legami per somma di H2O Addizione o rimozione di gruppo funzionale

Addizione di gruppi funzionali al doppio legame o loro rimozione per formare doppi legami.

Attilio Citterio

1. Reazioni di Ossido-riduzione

Le due reazioni sotto indicate sono parti del ciclo dell’acido citrico, che porta alla completa ossidazione del frammento attivato a due-carboni dell’acetil CoA a due molecole di CO2

L’ossidazione del succinato e malato genera energia utile per trasferire elettroni ai trasportatori FAD e NAD+ .

Succinato Fumarato

Malato Ossalacetato

(1)

(2)

+ +FAD FADH2CCH2CH2

CO

O

O

O-

CC

CC

O

O

O

O-

H

H

+ +NAD+ NADHC

CCH2

CO

O

O

O-

OH H

CC

CH2

CO

O

O

O-

O

+ H+

Attilio Citterio

2. Reazioni di Formazione di Legami

Forma legami usando l’energia legata alla rottura dell’ATP

L’ossalacetato può intervenire nel ciclo dell’acido citrico, o essere convertito in amminoacidi quale l’acido aspartico.

Ossalacetato

Piruvato

+

+

ATP

ADPCCH2C

CO

O

O

O

O

CH3 CC

O

O

O

-

+ CO2 + H2O

+ Pi + H+

Attilio Citterio

3. Reazioni di Isomerizzazione

Traspongono particolari atomi all’interno della molecola, spesso in preparazione di successive reazioni, per es. ossido-riduzioni

Componenti del ciclo dell’acido citrico. Il gruppo idrossi del citrato si sposta da una posizione terziaria ad una secondaria seguita da una ossido-riduzione e decarbossilazione.

Citrato Isocitrato

CH2

CC

H H

OH

OOC

COOCOO

CH2

CC

H OH

HCOO

COO

OOC

Attilio Citterio

4. Reazioni di Trasferimento di Gruppo

La reazione immobilizza il glucosio nella cellula

Giocano una varietà di ruoli.,per es. trasferimento di gruppi fosforile al glucosio

Glucosio ATP

ADP Glucosio-6-fosfato (G-6Pi)

H

O

H

OHOH

H

OH

H

OH

H OH

+ OOPOPOP

O

O-O-

O-

O

O-

O

HOH

H

OH

HH

adenina

H

O

H

OHOH

H

OH

H

OH

H OP

O O-

O-

+ OOPOPO-

O-

O

O-

O

HOH

H

OH

HH

adenina

Attilio Citterio

5. Reazioni Idrolitiche

Rompono legami per somma di acqua: Strategia comune usata per degradare molte macromolecole naturali

Illustra l’idrolisi di un legame peptidico.

NHNH

O

HO

H

R2

R1

H2O+

O

H

NHO

R1

+

O

H

NH3+

R2

Attilio Citterio

6. L’Addizione di Gruppi Funzionali

A doppi legami o la rimozione di gruppi dai doppi legami, è catalizzata da liasi. Esempio dalla reazione di glicolisi (7)

+

Fruttosio 1,6-bisfosfato (F-1,6-BP)

Didrossiacetone fosfato (DHAP)

Gliceraldeide 3-fosfato (GAP)

COH H

CH OH

C OHH

O CH2OPO3

CH2OPO3

2-

2-

COH H

O CH2OPO3

H

2-C

H O

C OHH

CH2OPO32-

Attilio Citterio

2nd Esempio di Rimozione di un Gruppo

Lo stadio di disidratazione predispone lo stadio successivo nella via metabolica,

Una reazione di trasferimento di gruppo che usa l’elevato potere di trasferimento del gruppo fosforile del PEP per formare ATP da ADP

2-fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato (PEP)

C

CO O

H

CH2

OPO3

OH

2- H

H

CC

OC

O

OPO3

-

2-+ OH2

Attilio Citterio

Motivi Metabolici

Le varie vie hanno reazioni in comune: ossidazione, addizione di un gruppo funzionale al doppio legame, e ulteriore ossidazione Citric acid cycle Fatty acid degradation Fatty acid synthesis Lysine degradation

H H

O

O-

H H

O

O-

H

O

O-

H

O

O-

H H

O

O-

OH H

O

O-

H H

O

O-

O

O

O-

FADH2

H2O

NADH+ H+

RCH2

H H

O

S

H H

CoA

RCH2

H

O

S

H

CoA

RCH2

H H

O

S

OH H

CoA

RCH2

H H

O

S

O

CoA

FADH2

H2O

NADH+ H+

RCH2

H H

O

S

H H

ACP

RCH2

H

O

S

H

ACP

RCH2

H H

O

S

OH H

ACP

RCH2

H H

O

S

O

ACP

NADH + H+

H2O

NADH+ H+

HOOCH2CH H

O

S

H H

CoA

HOOCH2C

H

O

S

H

CoA

HOOCH2CH H

O

S

OH H

CoA

RCH2

H H

O

S

O

CoA

FADH2

H2O

NADH+ H+

Attilio Citterio

L’Adenosina Difosfato (ADP) è un Modulo Primordiale

nel metabolismo. Evoluto da iniziali catalizzatori del RNA?

adenine

ribose

diphosphate

Attilio Citterio

Metaboliti Primari delle Piante

• I metaboliti primari sono composti che sono comunemente prodotti da tutte le piante e che sono direttamente usati nella crescita e nello sviluppo della pianta.

• I principali metaboliti primari sono:

• carboidrati,

• proteine,

• acidi nucleici

• lipidi.

43

energia luminosa

fotosintesi, respirazione e fotorespirazione

organi di stoccaggio di amido o zucchero

zuccheri amido

H2O vapore

organo di stoccaggio di zuccheri e amido

zuccheri

zuccheri

H2O

O2 CO2

O2 CO2

respirazione, no fotorespirazione

H2O e minerali

Fotosintesi, respirazione, scambio idrico e traslocazione di zuccheri (fotosintetizzati) in una pianta