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Nucleotidi e coenzimi

Prof. Giorgio Sartor

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Versione 1.6.1 – nov 2009

V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 2 -

Basi azotate

• Le basi azotate coinvolte nella formazione di nucleotidi e coenzimi appartengono a due famiglie principali:

– Purine

– Pirimidine

NHN

NN

N

N

1

23

4

56

78

9

12

3

4

5

6


Purine

• Le basi puriniche sono:

Adenina - A6-amminopurina

Guanina - G6-idrossi-2-aminopurina

NHN

NN

NH2

NHN

NN

OH

NH2

6

2

6


Purine

• La struttura delle basi puriniche è legata alla tautomeria cheto-enolica:

Guanina - G

NHN

NN

OH

NH2NHN

NNH

O

NH2

NHN

H

NNH

O

NH

CH3CH3

CH3 O

H

CH3CH3

CH3 O

H


Pirimidine

• Le basi pirimidiniche sono:

Timina - T2,4-diidrossi-5-metilpirimidina

Citosina – C2-idrossi-4-metilpirimidina

Uracile - U2,4-diidrossipirimidina

NH

N

O

NH2

NH

NH

O

O

CH3

NH

NH

O

O


Pirimidine

• Anche la struttura delle basi puriniche è legata alla tautomeria cheto-enolica:

Timina(Uracile)

Citosina

CH3CH3

CH3 O

H

CH3CH3

CH3 O

H

NH

NH

O

O

CH3

NH

N

O

NH2

N

NH

OH

O

CH3

N

N

OH

OH

CH3

N

N

OH

NH2


Solubilità

• Le basi azotate sono insolubili in acqua, la loro solubilità è aumentata dal legame con molecole molto idrosolubili:

• ribosio

• 2-deossiribosio

OH

OHOH

O

OH

OH

OH

O

OH

OOH

OHOH

CH2OH

OOH

OH

CH2OH


Ribosio e 2-deossiribosio

-ribosio 2-deossi--ribosio

OOH

OHOH

CH2OH

OOH

OH

CH2OH


Nucleosidi

• Il legame si forma tra il C1 dello zucchero e con l’atomo di azoto non coinvolto nella tautomeria.

• Si formano i nucleosidi, in questo caso l’adenosina.

O

OHOH

CH2OH

NN

NN

NH2

NO

N

N

OHOHN

NH2

OH

OOH

OHOH

CH2OH

NN

NN

NH2

H

1'

2'3'

4'

5'


Nucleotidi

• La funzione alcolica primaria rimasta libera può essere esterificata con l’acido fosforico (fosfoestere), per esempio con l’adenosina, si ottiene una molecola idrosolubile e carica. Adenosinmonofosfato (AMP)

O

OHOH

NN

NN

NH2

OH

O

PO

O

O

O

PO

O

O

O

OHOH

NN

NN

NH2

1'

2'3'4'

5'

1'

3'

5'


Nucleotidi

• Più in generale:

BASE AZOTATAO

PO

O

O

O

OHOH

BASE AZOTATA

O

OHOH

--O3PO

1'

3'

5'

1'

3'

5'


Deossinucleotidi

• Più in generale:

BASE AZOTATAO

PO

O

O

O

OH

BASE AZOTATA

O

OH

--O3PO

1'

3'

5'

1'

3'

5'


Nucleotidi ciclici

• Anche la funzione alcolica in 3’ può essere esterificata con una funzione acida libera dello stesso acido fosforico, si ottengono i nucleotidi ciclici: cAMP

OO

OH

NN

NN

NH2

P

O

O

O

3'

5'


Nucleotidi e acidi nucleici

• Il legame può anche avvenire tra nucleotidi diversi attraverso esterificazioni in 3’ e 5’ per formare catene polinucleotidiche (acidi nucleici).

PO

O

O

O

OH

NN

NN

NH2

O

PO

O

O

O

OH

NN

NN

NH2

O

Nucleotide

NucleotideP

OO

PO

O

O

O

NN

NN

NH2

O

PO

O

O

O

NN

NN

NH2

O

Deossinucleotide

DeossinucleotideP

OO

3'

5'

3'

5'

Acido ribonucleico (RNA) Acido deossiribonucleico (DNA)


Nucleotidi e acidi nucleici

RNA DNA


Nucleotidi liberi

• I monofosfonucleotidi hanno la possibilità di essere ulteriormente fosforilati per formare i difosfonucleotidi (ADP) e i trifosfonucleotidi (ATP)

O

P

O

O

O

OHOH

NN

NN

NH2

O

PO

OO

O

P

O

O

O

OHOH

NN

NN

NH2

O

P

OO

O

PO

OO

1'

3'

5'

1'

3'

5'


Nucleotidi liberi

• I monofosfonucleotidi hanno la possibilità di essere ulteriormente fosforilati per formare i difosfonucleotidi (ADP) e i trifosfonucleotidi (ATP)


Nucleotidi liberi• I legami che tengono insieme i residui di

fosfato sono legami di tipo anidridico.

O

P

O

O

O

OHOH

NN

NN

NH2

O

PO

OO

O

PO

O

PO O

O

PO

OOH

1

3

5

+ 3H2O 2 + 4 H+


ADP e ATP• Legami di tipo anidridico• Legami di tipo fosfoestereo

O

P

O

O

O

OHOH

NN

NN

NH2

O

PO

OO

O

PO

OO

O

P

O

O

O

OHOH

NN

NN

NH2

O

P

OO

ADP ATP


A cosa servono i nucleotidi

• Trasporto di energia– ATP (GTP), ADP, AMP,

• Segnali intracellulari– cAMP

• Trasporto di equivalenti ridotti– NAD+/NADH, NADP+/NADPH

– FAD/FADH2

• Trasporto di acili– CoA

• …


Energia

• ATP

• ADP

• AMP

• GTP

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

O

P

O

OO

P

O

OO

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

OP

O

OO

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

O

NO

N

N

OHOHNH

OOP

O

O

O

P

O

OO

P

O

OO

NH2

G0’ = -7.3 kcal·mole-1

G0’ = -15.3 kcal·mole-1


Trasporto di energia

ATP + H2O ADP + PO43-

G°’ = -7.3 kcal·mole-1 (-30.6 kJ·mole-1) a pH 7G° = -10 kcal·mole-1 (-42 kJ·mole-1) a pH 9

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

O

P

O

OO

P

O

OO

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

OP

O

OO

HO

H

OP

O

OO

..

+


G°’

• Il valore di G°’ dipende da:– Forza ionica– Concentrazione di Mg++ – Concentrazione di Ca++

• Nelle normali condiziono cellulari vale circa:-12 kcal·mole-1

• I nucleotidi sono contemporaneamente:– Stabili – Solubili– Carichi– Reattivi


G°’

• Altre molecole fosforilate hanno G°’ negativo

G°’ = -7.3 kcal·mole-1

G°’ = -3.3 kcal·mole-1

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

O

P

O

OO

P

O

OO NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

O

P

O

OO

HO

H

OP

O

OO

O P OO

O

O

O

OHOH

OHOH

H

HH

HH

P

O

O

O

HO

H

OH

O

OHOH

OHOH

H

HH

HH

..

+

..

+


Perché il G°’ dell’ATP vale -30.6 kJ·mole-1?

• Repulsione tra cariche– Maggiore in ATP che in ADP

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

O

P

O

OO

P

O

OO

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

O

P

O

O

O


Perché il G°’ dell’ATP vale –7.3 kcal·mole-1?

• Stabilizzazione per risonanza– Del fosfato

OP

O

OO

OP

O

OO

OP

O

OO

OP

O

OO

P

O

OO

O

3-, H+

3-, H+

=


Trasporto di energia

ATP + H2O AMP + P2O74- 2PO4

3-

G0’ = -7.3 kcal·mole-1 G0’ = -8 kcal·mole-1

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

O

P

O

OO

P

O

OO

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

O

HO

H

OP

O

OO O

P

O

OO

P

O

OO

..

+ 2


ATP e Mg++

• Nella cellula l’ATP è spesso complessato con lo ione Mg++

• Per formare un complesso ibridizzato …

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

O

P

O

OO

P

O

OO

Mg++


Altre molecole “energetiche”

• Hanno G0’ negativo nella reazione di idrolisi del gruppo fosfato.

G°’= -14.8 kcal·mole-1 G°’= -10.3 kcal·mole-1 G°’= -10.3 kcal·mole-1

H

H O

O

OP

O

OO CH3

O

OP

O

OO

ONH

NH2+

N

OO

P

OO

H

Fosfoenolpiruvato Acetilfosfato Fosfocreatina


Come si fa a “ricaricare” l’ADP per formare ATP

• Attraverso la catalisi di un enzima (piruvato chinasi)

H

H O

O

OP

O

OO

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

OP

O

OO

H

H O

O

OH

O

P

O

ONO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

OP

O

OO

H

H O

O

O

H

+

+

piruvato chinasi

PEP ADP

ATP EP Piruvato


Reazioni accoppiate

• L’idrolisi del fosfato permette, attraverso l’accoppiamento, ad altre reazioni NON SPONTANEE di avvenire ugualmente.

• L’ATP viene in genere usato dalla cellula come trasportatore di fosfati e come donatore di energia (sottoforma di G).

• Per produrre ATP un modo consiste nell’accoppiarne la sintesi (da ADP e Pi) all’idrolisi di molecole con G di idrolisi maggiore (in valore assoluto).

• Tutto ciò avviene attraverso…


…gli ENZIMI


Enzimi

• Permettono l’accoppiamento di reazioni chimiche:

– Nello stesso posto– Nello stesso momento


Reazioni accoppiate

• Consideriamo l’equilibrio

• Se la reazione è accoppiata all’idrolisi di ATP attraverso un enzima:

A B G°' = 4 kcal mole-1

Keq = = 10[B]eq

[A]eq

G°'

RT-

= 1.15 10-3 (a 25°C)

A + ATP + H2O B + ADP + Pi + H+ G°' = -3.3 kcal mole-1

Keq = = 2.67 102[B]eq [ADP]eq [Pi]eq

[A]eq [ATP]eq

[B]eq

[A]eq [ADP]eq [Pi]eq

[ATP]eq = Keq


Reazioni accoppiate

• Nella cellula il rapporto:

• In presenza di idrolisi di ATP la Keq di una reazione può aumentare di 108 volte;

• Se l’idrolisi di una mole di ATP (-7.3 kcal) non bastano più moli di ATP possono essere impiegate.

[B]eq

[A]eq

[ADP] [Pi]

[ATP]~ 500

= 2.67 102 x 500 = 1.34 105

1.34 105

1.15 10-3 ~108


Reazioni accoppiate

A e B

• Non sono necessariamente due composti chimici ma possono essere:– differenti conformazioni di una molecola;– differenti concentrazioni di uno ione ai lati di una

membrana,– ecc…– … stati iniziali e finali di una TRASFORMAZIONE!


Trasporto di elettroni

NAD+ nicotinamide adenindinucleotide

N

O

OH

N

O

NH2

PO

O

OP

O

O

NO

N

N

OHOHN

NH2

O

OH OH

O

O

N+

O

NH2

H

Nicotinamide Adenina

Dinucleotide

Nicotinamide

Acido nicotinico



Come funziona il NAD+

Stato ossidato

Stato ridotto

PO

O

OP

O

O

NO

N

N

OHOHN

NH2

O

OH OH

O

O

N+

O

NH2

H

PO

O

OP

O

O

NO

N

N

OHOHN

NH2

O

OH OH

O

O

N

O

NH2

HH

+ +H+ 2e-

NAD+

NADH

(H-)



Come funziona il NAD+

Stato ossidato Stato ridotto



N+

O

NH2

H

R R

N

O

NH2

HH

+ +H+ 2e-

NAD+ NADH

(H-)

• Trasporta DUE elettroni per molecola• Reazione catalizzata dalle DEIDROGENASI


Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12)

SR

O

CH2OPO3--

H

OHH

O

CH2OPO3--

O

OHH

O--O3P

B

SH

NAD+ NAD+

B

SH

NAD+

B+H

S

H

O

R

NAD+

B+H

SR

O

R

OH

O

PO

OHO

B+H

R

OOPO3--

H

1,3-bifosfoglicerato1,3BPG

NAD+

NAD

NADH

NAD+GAP

ComplessoEnzima-substrato

Intermediotioacetalico

Intermedioaciltioestere

NADH

1,3BPG

G°' = +6.3 kJ mol-1

1

2 3

5

4

come3-fosfogliceraldeideGAP

HPO4--

H

H+

H++


Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12)

Cys carbossimetilata

NAD+



NADP+ nicotinamide adenindinucleotide fosfato

O

PO

O

PO

O

OP

O

O

NO

N

N

OOHN

NH2

O

OH

O

O

N+

O

NH2

H

OH

Nicotinamide Adenina Fosfato

Dinucleotide


Trasporto di elettroniFAD (flavinadenindinucleotide)(Forma ossidata)

PO O

PO

O

NO

N

N

OHOHN

NH2

OO

N

NH

N

NCH3

CH3 O

O

H

O

OH OH

OH

H

H

H

H

Ribosio informa aperta

Base di Shiffridotta



Come funziona il FAD

N

NH

N

NCH3

CH3 O

O

R

RR'

H

HH

H

N

NH

N

NCH3

CH3 O

O

R

H

H

H R'

R H

+ +

FAD(ossidato)

FADHz

(ridotto)



Il FAD è legato alle proteine, (in questo caso la alcolvanillilico ossidasi)

O

OH CH3

OHH

H

O

OH

O

CH3

H

Alcool Vanillico Aldeide Vanillica(Vanillina)


Trasporto di acili• Gli acili e

• gli acetili

• Vengono trasportati dal coenzima A (CoA)

P

OO

PO

O

NO

N

N

OHOHN

NH2

OO

O

CH3CH3

OHHNN

SH

O

H

O

H

ADP

-mercaptoetilamina

acido pantotenico

RO

CH3

O


Trasporto di acili• Attraverso la formazione di un legame tioestere

RO

P

OO

PO

O

NO

N

N

OHOHN

NH2

OO

O

CH3CH3

OHHNN

S

O

H

O

H

Legame tioestere


Proteina acil-CoA

• Complesso tra la proteina legante acil-CoA, Coa e palmitoile


Coenzimi

• Molecole non proteiche legate che permetto a proteine di svolgere attività enzimatiche:– Tiamina (Vit. B1) Tiamina pirofosfato

– Riboflavina (Vit. B2) FAD e FMN

– Acido Nicotinico (niacina) NAD+ e NADP+

– Piridossina, piridossale, piridossamina (Vit. B6) Piridossalfosfato

– Acido pantotenico Coenzima A– Biotina legata alla carbossilasi– Acido folico Tetraidrofolato

– Cobalamina (Vit. B12) coenzimi a cobamide

– Acido ascorbico antiossidante


Tiamina

N+

CH3

S

N NH2

NOH

CH3

H

P OO

O

N+

CH3

S

N NH2

NO

CH3

P

O

OO

H


Piridossina, piridossale, piridossamina Piridossalfosfato

N+

OH

OH

CH3

H

OH

HH

N+

O

OH

CH3

H

OH

H

N+

NH2

OH

CH3

H

OH

HH

OP O

O

N+

O

OH

CH3

H

O

H


Piridossina, piridossale, piridossamina Piridossalfosfato


Biotina

NH NH

S

CH3CH3

O

OH

O


Acido folico e acido tetraidrofolico

N

NN

N

N

O

N

O

OH

OHO

O

NH2

H

H

H

N

NN

N

O

NH2

H

HHH

N

O

N

O

OH

OHO

H

H

H

H


Cobalamina

Co3+

NH

N

NH

NH

NH

CH3

N

CH3

CH3

CH3CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

O

NH2

O

NH2O

NH2

O

CH3OH

NH2 O

NH O

NH2

O

NH2O

OP

OH

OOH

O

CH3

R

O

OH

N

OHN

N

N

NH2OH

CH3

CN-


Acido ascorbico

O

H

OH O

OH

H

OH

H O

H

H

+

Crediti e autorizzazioni all’utilizzo• Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica:

– CHAMPE Pamela , HARVEY Richard , FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BIOCHIMICA [ISBN 978-8808-17030-9] – Zanichelli

– NELSON David L. , COX Michael M. I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER - Zanichelli – GARRETT Reginald H., GRISHAM Charles M. BIOCHIMICA con aspetti molecolari della Biologia

cellulare - Zanichelli– VOET Donald , VOET Judith G , PRATT Charlotte W FONDAMENTI DI BIOCHIMICA [ISBN 978-8808-

06879-8] - Zanichelli

• E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali:– Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes http://www.genome.ad.jp/kegg/– Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/– Protein Data Bank: http://www.rcsb.org/pdb/ – Rensselaer Polytechnic Institute:

http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/MB1index.html

• Il materiale è stato inoltre rivisto e corretto dalla Prof. Giancarla Orlandini dell’Università di Parma alla quale va il mio sentito ringraziamento.

Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da:http://www.ambra.unibo.it/giorgio.sartor/ oppure da http://www. gsartor.org/

Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l’autore usando questa frase:

Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio SartorUniversità di Bologna a Ravenna

Giorgio Sartor - [email protected]

http://www.genome.ad.jp/kegg/



http://www.brenda.uni-koeln.de/

http://www.brenda.uni-koeln.de/

http://www.rcsb.org/pdb/





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