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Nucleotidi e coenzimi
Prof. Giorgio Sartor
Copyright © 2001-2009 by Giorgio Sartor.
All rights reserved.
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 3 -
Purine
• Le basi puriniche sono:
Adenina - A6-amminopurina
Guanina - G6-idrossi-2-aminopurina
NHN
NN
NH2
NHN
NN
OH
NH2
6
2
6
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 4 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 5 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 6 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 7 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 8 -
Ribosio e 2-deossiribosio
-ribosio 2-deossi--ribosio
OOH
OHOH
CH2OH
OOH
OH
CH2OH
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 9 -
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'
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 10 -
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'
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 11 -
Nucleotidi
• Più in generale:
BASE AZOTATAO
PO
O
O
O
OHOH
BASE AZOTATA
O
OHOH
--O3PO
1'
3'
5'
1'
3'
5'
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 12 -
Deossinucleotidi
• Più in generale:
BASE AZOTATAO
PO
O
O
O
OH
BASE AZOTATA
O
OH
--O3PO
1'
3'
5'
1'
3'
5'
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 13 -
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'
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 14 -
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)
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 15 -
Nucleotidi e acidi nucleici
RNA DNA
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 16 -
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'
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 17 -
Nucleotidi liberi
• I monofosfonucleotidi hanno la possibilità di essere ulteriormente fosforilati per formare i difosfonucleotidi (ADP) e i trifosfonucleotidi (ATP)
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 18 -
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+
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 19 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 20 -
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
• …
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 21 -
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 22 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 23 -
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
..
+
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 24 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 25 -
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
..
+
..
+
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 26 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 27 -
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+
=
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 28 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 29 -
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++
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 30 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 31 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 32 -
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…
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 33 -
…gli ENZIMI
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 34 -
Enzimi
• Permettono l’accoppiamento di reazioni chimiche:
– Nello stesso posto– Nello stesso momento
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 35 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 36 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 37 -
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!
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 38 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 39 -
Trasporto di elettroni
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-)
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 40 -
Trasporto di elettroni
Come funziona il NAD+
Stato ossidato Stato ridotto
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 41 -
Trasporto di elettroni
N+
O
NH2
H
R R
N
O
NH2
HH
+ +H+ 2e-
NAD+ NADH
(H-)
• Trasporta DUE elettroni per molecola• Reazione catalizzata dalle DEIDROGENASI
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 42 -
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++
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 43 -
Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12)
Cys carbossimetilata
NAD+
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 44 -
Trasporto di elettroni
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 45 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 46 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 47 -
Trasporto di elettroni
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)
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 48 -
Trasporto di elettroni
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)
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 49 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 50 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 51 -
Proteina acil-CoA
• Complesso tra la proteina legante acil-CoA, Coa e palmitoile
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 52 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 53 -
Tiamina
N+
CH3
S
N NH2
NOH
CH3
H
P OO
O
N+
CH3
S
N NH2
NO
CH3
P
O
OO
H
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 54 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 55 -
Piridossina, piridossale, piridossamina Piridossalfosfato
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 56 -
Biotina
NH NH
S
CH3CH3
O
OH
O
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 57 -
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
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 58 -
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-
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 59 -
Acido ascorbico
O
H
OH O
OH
H
OH
H O
H
H
+
V.1.6.1 © gsartor 2001-2009 Nucleotidi e coenzimi - 60 -
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]