ENERGETIC BIOCHIMIC

Energetic biochimic = domeniu din biochimie ce se ocup cu studiul transformrilor energetice care nsoesc reaciile biochimice.

Diversele activiti pe care le desfoar organismele vii (contracia muscular, transportul ionilor i moleculelor prin membrane mpotriva gradientelor de concentraie, biosinteza moleculelor complexe din precursori simpli, etc.) necesit energie. Ca urmare, toate organismele au capacitatea s dobndeasc energie din mediul nconjurtor i s foloseasc aceast energie n mod eficient pentru a desfura procesele respective. Omul este un organism chemotrofic: capteaz energie din mediu sub forma compuilor organici din componena nutrienilor (glucoz, acizi grai, aminoacizi; vom considera aceste molecule organice ca fiind combustibili biologici sau metabolici).

Energetica biochimic utilizeaz cteva concepte de baz din domeniul termodinamicii i respect legile termodinamicii. Noiunea de sistem termodinamic aplicat la domeniul biochimiei se refer la sistemul reactant - alctuit din participanii la o reacie biochimic (reactani i produi), solventul i mediul local. Transformrile energetice care au loc ntr-un asemenea sistem pot fi descrise cu ajutorul a trei tipuri de energie:

- energia liber Gibbs (G) fiecare compus implicat ntr-o reacie chimic conine o anumit cantitate de energie potenial (potenial chimic, care permite transformarea acelui compus ntr-un altul, n cadrul reaciei chimice), legat de tipul i numrul legturilor sale chimice (msurat n cal/mol sau J/mol; 1 cal = 4,18 J);

- entalpia (H) este coninutul de cldur al sistemului care reacioneaz (cal/mol sau J/mol);

- entropia (S) msoar gradul de dezordine (sau caracterul aleatoriu) al unui sistem (J/molK).

Pentru un sistem biologic care funcioneaz la temperatur i presiune constant (n particular un sistem reactant biochimic), energia capabil s efectueze travaliu, altfel spus energia care susine desfurarea reaciei biochimice este energia liber G. Funcionnd la temperatur constant, organismul viu nu poate utiliza cldura pentru a efectua un travaliu (nu este o main termic). Din acest punct de vedere, putem considera energia liber G ca o energie de calitate superioar, iar cldura o energie de calitate inferioar; energia liber se poate transforma n cldur, dar cldura nu poate fi transformat n energie liber.ntr-un sistem biochimic, modificrile celor 3 tipuri de energie sunt relaionate cantitativ prin ecuaia:

G = H T S

n cazul unei reacii chimice A B (A = reactant, B = produs), este diferena dintre energia produilor i energia reactanilor. G poate avea valoare:

- negativ (GB < GA), reacia are loc cu pierdere de energie liber i se numete exergonic;

- pozitiv (GB > GA), reacia are loc cu ctig de energie liber i se numete endergonic;

- zero (GB = GA), sistemul este la echilibru.

Considerm un sistem reactant A + B C + D.

Dac G este diferit de zero, reacia decurge spontan de la compuii cu energie liber mai mare spre compuii cu energie liber mai mic, pn n momentul n care se atinge echilibrul reaciei: rata formrii produilor este egal cu rata transformrii produilor n reactani, astfel nct nu mai are loc nici o transformare net n acel sistem. n general, numai o parte din energia liber coninut n reactani poate fi utilizat pentru a realiza transformarea chimic n produi, restul este disipat sub form de cldur sau pierdut sub forma unei creteri a entropiei.

Reacia de mai sus este caracterizat de o constant de echilibru:

Keq = [C]eq[D]eq/[A]eq[B]eq (parantezele ptrate reprezint concentraii molare)

Keq reflect compoziia amestecului de reacie ajuns la echilibru, care este aceeai indiferent de concentraiile iniiale ale reactanilor i produilor (deci Keq are o valoare fix pentru o reacie dat).Exist dou forme ale variaiei energiei libere: G i G. G este diferena de energie liber real, caracteristic pentru condiiile reale din celula vie (presiune, temperatur, pH i, mai ales, concentraii reale ale participanilor la reacie). G a reaciei directe (A B) este egal ca mrime i opus ca semn cu cea a reaciei inverse (A B). Cunoaterea valorii lui G este util din dou puncte de vedere:

- semnul lui G este predictiv pentru sensul de desfurare al unei reacii A B n condiiile reale din celula vie;

- mrimea lui G arat ct de departe de echilibru este sistemul reactant n momentul iniial i, deci, cuantific tendina de atingere a echilibrului (aceasta din urm reprezint o for motrice care pune n micare reacia biochimic).

Sunt posibile trei situaii:

dac G este negativ (reacie exergonic), reacia are loc spontan de la A ctre B cu pierdere de energie liber; dac G are valoare mare, reacia are, practic, caracter ireversibil (o cantitate mare de energie liber este degajat sub form de cldur, iar cldura nu poate fi utilizat pentru a permite desfurarea reaciei n sens invers); dac G = 0, reacia este la echilibru; dac G este pozitiv, reacia poate avea loc de la A ctre B (n sensul endergonic) numai n condiiile n care exist un aport de energie liber dintr-o alt surs; altfel, sensul spontan al unei asemenea reacii este de la B ctre A (sensul exergonic).Cu alte cuvinte, o reacie decurge spontan ntotdeauna n sensul exergonic.

G este diferena de energie liber standard, caracteristic pentru condiii standard (temperatura de 25C, pH = 7, reactanii i produii prezeni ntr-o concentraie iniial de 1M).

G poate fi calculat cunoscnd valoarea lui G i concentraiile participanilor la reacie, conform ecuaiei lui Gibbs:

G = G + RT ln [C][D]/[A][B]

R-constanta gazelor = 1,987 cal/molK,temperatura absolut, [A], [B], [C] i [D] sunt concentraiile reale din celul n momentul respectiv).

G a unei reacii care decurge spontan spre echilibru este ntotdeauna negativ (reacia poate avea loc numai n sensul exergonic) i variabil (datorit modificrii continue a concentraiilor reactanilor, pe msur ce reacia se desfoar): G devine din ce n ce mai puin negativ pe msur ce reacia are loc i este zero n punctul de echilibru, indicnd faptul c nu se mai poate produce o transformare net n acea reacie.

Deci cnd reacia a atins echilibrul, G = 0 i atunci:

G = RT ln [C]eq[D]eq/[A]eq[B]eq = RT ln KeqAadar, valoarea lui G pentru o anumit reacie poate fi calculat cunoscnd valoarea constantei de echilibru a acelei reacii. Keq fiind o constant, rezult c i G este o constant a crei valoare este caracteristic pentru fiecare reacie dat.

Dei valoarea lui G indic sensul de desfurare al unei reacii numai n condiii standard, care n majoritatea cazurilor sunt diferite de cele reale din celula vie, cunoaterea valorii sale este util deoarece permite compararea diverselor reacii biochimice n privina variaiei energiei libere.

Keq ln Keq G Sensul spontan al reaciei

> 1 > 0 < 0 spre dreapta (A B) 1 0 0 la echilibru (AB)< 1 < 0 > 0 spre stnga (A B)

O reacie cu G > 0 poate avea loc n sensul direct (spre dreapta) dac G < 0, acest lucru fiind posibil dac termenul RT ln [Produi]/[Reactani] este negativ i are o valoare absolut mai mare dect G. Aa se ntmpl n celul atunci cnd: (a) produsul de reacie este ndeprtat imediat pe msur ce se formeaz, prin angajarea ntr-o alt reacie, sau (b) are loc aportul continuu al unor cantiti mari de reactant provenit din snge sau dintr-o alt reacie. Ambele situaii menin raportul [P]/[R] mult sub 1, astfel nct termenul RT ln [P]/[R] are o valoare negativ mare.

Caracterul aditiv al valorilor G pentru reacii succesive:n cazul a dou reacii succesive, valorile lui G se nsumeaz:

(1) A B G1

(2) B C G2 Reacia global: A C Gtotal = G1 + G2

Acest principiu explic modul n care o reacie nefavorabil termodinamic (endergonic, avnd o diferen de energie liber Gen) poate avea loc n sensul direct prin cuplare cu o reacie exergonic (avnd Gex), cu condiia ca |Gex| > Gen, astfel nct Gtotal s fie < 0; o reacie nu poate avea loc n mod independent n sensul endergonic. Dou reacii sunt cuplate dac energia liber degajat n reacia exergonic susine desfurarea reaciei endergonice; cuplarea celor dou reacii se realizeaz printr-un intermediar chimic comun.

Ex. - formarea glucozo-6-fosfatului:

(1) Glucoz + Pi glucoz-6-fosfat + H2O (G1 = 3,3 kcal/mol) - reacia endergonic

(2) ATP + H2O ADP + Pi (G2 = 7,3 kcal/mol) - reacia exergonic

-----------------------------------------------------------------------------------------------------

Reacia global: Glucoz + ATP glucoz-6-fosfat + ADP (G total = 4 kcal/mol)Cele dou reacii mprtesc intermediarul comun Pi (fosfat anorganic). Reacia global este exergonic; energia stocat n ATP este utilizat pentru a susine sinteza glucozo-6-fosfatului. Din punct de vedere chimic, calea pe care are loc formarea G-6-P (prin transferul gruprii fosfat din ATP pe glucoz, neavnd loc o hidroliz a ATP) este diferit de reaciile 1 i 2, dar rezultatul net este acelai ca i suma celor dou reacii.

Pentru o cale metabolic ce cuprinde mai multe reacii succesive, fiecare avnd o anumit valoare a lui G:

diferena de energie liber pentru ntreaga cale este Gtotal = G1 + G2 + G3 + G4 + ..... (datorit caracterului aditiv al variaiei energiei libere pentru reaciile succesive). Dac Gtotal < 0, calea metabolic este exergonic n ansamblu i are loc n sensul figurat mai sus, chiar dac unele reacii individuale au G > 0.

Bioenergetic versus cinetic:

- G are o valoare predictiv pentru fezabilitatea energetic a unei reacii chimice; nu ofer nici o informaie despre viteza reaciei. Bioenergetica se ocup doar cu starea iniial i cea final a componenilor reaciei, nu cu mecanismul reaciei sau durata necesar pentru atingerea echilibrului.

- Viteza unei reacii depinde de mrimea energiei de activare, precum i de cantitatea i eficiena enzimelor disponibile pentru a cataliza reacia respectiv n celul; aceste aspecte aparin domeniului cineticii biochimice.

TRANSFERUL ENERGIEI LIBERE N CURSUL PROCESELOR METABOLICECelulele organismului uman i obin energia liber prin catabolismul combustibililor biologici coninui n nutrienii ingerai (glucide, lipide, proteine) i n depozitele tisulare (de glicogen, trigliceride, proteine). Catabolismul reprezint una din laturile metabolismului i cuprinde reacii de degradare (rupere de legturi covalente), care sunt exergonice.

Anabolismul, cea de a doua latur a metabolismului (sinteza moleculelor complexe din precursori simpli), cuprinde reacii de sintez (formare de legturi covalente), care sunt endergonice, deci se desfoar cu consum de energie liber.

Cum este posibil ca energia liber degajat n procesele catabolice s poate fi utilizat (transferat) n procesele anabolice, astfel nct ea s nu se piard sub form de cldur? Cu alte cuvinte, cum se poate realiza cuplarea unui proces exergonic cu unul endergonic? O modalitate important este aceea de a sintetiza un compus cu potenial energetic ridicat n procesul exergonic i de a-l utiliza n procesul endergonic, realiznd astfel un transfer de energie liber de la calea exergonic la calea endergonic.

Molecula care joac un rol central n transferul energiei libere de la procesele exergonice la cele endergonice este ATP (adenozin trifosfat).

Implicarea ATP ca donor de energie liber: Molecula ATP conine dou legturi cu potenial energetic ridicat: legtura dintre gruparea fosfat i gruparea fosfat i legtura dintre fosfatul i fosfatul (ambele sunt legturi de tip anhidrid acid fosforic). Potenialul energetic ridicat este obiectivat prin existena unui G cu valoare negativ mare pentru reacia de hidroliz n ADP i Pi (ruperea legturii dintre Pi PG = 7,3 kcal/mol) i pentru reacia de hidroliz n AMP i PPi (ruperea legturii dintre Pi PG = 10,9 kcal/mol).

n procesele biochimice, ATP este donor de energie liber n reaciile de sintez (n care are loc formarea de noi legturi covalente, catalizate de enzime din clasa ligazelor).

Donarea energiei din ATP nu are loc prin hidroliza ATP la ADP i Pi sau AMP i PPi, dei d.p.d.v. strict chimic aa pare a fi (hidroliza ATP nu realizeaz nimic dect eliberare de cldur, care nu poate fi transformat n energie liber pentru a permite desfurarea reaciei de sintez).

Donarea energiei din ATP implic participarea covalent a ATP n reacia chimic, cu scindarea sa n ADP i Pi (fosfat anorganic) sau n AMP i PPi (pirofosfat anorganic), parcurgndu-se dou etape:

- mai nti, gruparea fosfat sau AMP din ATP este transferat pe o molecul substrat (X) (sau pe un rest aminoacidic dintr-o enzim), devenind ataat covalent i crescnd coninutul de energie liber al moleculei respective;

- ntr-o a doua etap, gruparea Pi sau AMP este dezlocuit de ctre cel de al doilea substrat (Y). n felul acesta, o parte din energia legturii fosfoanhidridice din ATP este transferat i conservat n noua legtur covalent format ntre X i Y.

(1) X + Y + ATP XY + ADP + Pi sau (2) X + Y + ATP XY + AMP + PPi X + ATP X~P + ADP X + ATP X~AMP + PPi

X~P + Y XY + Pi X~AMP + Y XY + AMP

n reacia (2), pirofosfatul anorganic (PPi) este hidrolizat la 2Pi sub aciunea pirofosfatazei anorganice (enzim prezent n toate celulele), ntr-o reacie exergonic. ndeprtarea PPi din mediu face ca echilibrul reaciei de sintez s fie i mai mult deplasat spre dreapta.

i ali compui au potenial energetic ridicat (valori negative mari pentru G la hidroliz). Compuii fosforilai din organism pot fi mprii n dou grupe, n funcie de G pentru reacia de hidroliz:

- compui nalt energetici (conin legturi de tip macroergic, simbolizate prin ~) - au G la fel de negativ sau mai negativ dect ATP-ul (la scindarea n ADP i Pi: 7,3 kcal/mol);

- compui cu energie joas (conin legturi de tip microergic) - au G mai puin negativ dect aceast valoare.

Compuii nalt energetici au un potenial ridicat de transfer de grupare chimic - pot transfera o grupare fosfat (sau acil) pe un alt compus: ATP i ali nucleozid trifosfai - GTP, UTP, CTP (2 legturi tip anhidrid acid fosforic)

Fosfoenolpiruvat 1,3-Difosfoglicerat Acil-CoA

(legtur enol-fosfat) (legtur anhidridic (legtur tiol-esteric)

tip carboxil-fosfat)

Creatin-fosfat (legtur N-fosfat, tip fosfo-guanidin)

- ATP este un donor universal de energie, pentru diverse procese biochimice i fiziologice;

- UTP este utilizat n procesul de sintez a glucidelor;

- CTP este folosit n sinteza lipidelor complexe;

- GTP furnizeaz energie n procesul de sintez a proteinelor;

- fosfoenolpiruvat i 1,3-difosfoglicerat sunt intermediari ai glicolizei (cale de degradare a glucozei cu scopul de a genera energie);

- acil-CoA reprezint forma activ a acizilor grai, sub care acetia particip att la procesul de degradare ct i la sinteza diverselor clase de lipide.

n general, compuii fosforilai macroergici nu reprezint forme de stocare pe termen lung a energiei; ei sunt forme tranzitorii de depozitare a energiei, avnd rolul de a transporta energia dintr-un punct n altul, de la un sistem enzimatic la altul, n cursul defurrii proceselor biologice i chimice din celul. ATP-ul are un turnover rapid (viteza de degradare i resintez este mare).

Excepie face creatin-fosfatul, care reprezint o form de stocare a energiei n muchiul scheletic (i miocard), utilizabil n condiiile creterii substaniale a necesarului energetic n cursul efortului fizic susinut. Compui cu energie joas:

Esteri fosforici (ex. glucoz-6-fosfat, fructoz-6-fosfat, glicerol-fosfat)

ATP are o poziie intermediar n ceea ce privete valoarea G la hidroliz (tabelul 1); n consecin: ATP poate fi sintetizat prin transferul, pe ADP, a unei grupri fosfat de la compuii nalt energetici care au G mai negativ dect 7,3 kcal/mol, conform ecuaiei generale:

n cursul catabolismului nutrienilor (n vederea disponibilizrii energiei libere coninute n moleculele lor) au loc 3 asemenea reacii generatoare de ATP (vor fi expuse ulterior); la acestea se adaug reacia de sintez a ATP prin transferul unui fosfat nalt energetic din creatin-fosfat, care are loc n muchi. ATP poate dona un fosfat nalt energetic unor compui (cum sunt glucoza, fructoza, glicerolul, etc), transformndu-i n specii fosforilate mai reactive (mbogite n energie liber) i favoriznd, astfel, metabolizarea ulterioar a acestora; asemenea reacii sunt catalizate de kinaze:

Deci ATP-ul poate transporta energia liber ntre cele dou categorii de compui biochimici (nalt energetici i cu energie joas) servete ca moneda energetic universal n celulele vii.

Tabel 1. Valorile G la hidroliz pentru unii compui cu importan biochimic.

Compui chimiciG (kcal/mol)

nalt energetici

Fosfoenolpiruvat 14,8

1,3-Difosfoglicerat 11,8

Creatin fosfat 10,3

ATP ( AMP + PPi) 10,9

Acil-CoA 7,5

ADP ( AMP + Pi) 7,8

*ATP ( ADP + Pi) 7,3

Cu energie joas

PPi ( 2Pi) 4,6

AMP ( adenozin + Pi) 3,4

Glucoz-1-fosfat 5

Fructoz-6-fosfat 3,8

Glucoz-6-fosfat 3,3

Glicerol-3-fosfat 2,2

REACII DE OXIDO-REDUCEREEnergia liber coninut n moleculele combustibililor metabolici este disponibilizat n urma degradrii acestora pe diverse ci catabolice, n mod particular n reaciile de oxidare. Multe procese catabolice au natur oxidativ, deoarece atomii de C din moleculele cu rol de combustibil sunt ntr-o stare redus. Transferul de electroni (e) n reacii de oxido-reducere este responsabil, direct sau indirect, de majoritatea energiei libere degajate n cursul proceselor catabolice.

Fie reacia de oxido-reducere:

Ared + Box Aox + Bred (ex: Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+) donorul de e (Ared) este agentul reductor pierznd e, el se oxideaz;

acceptorul de e (Box) este agentul oxidant ctignd e, el se reduce.

Reacia de mai sus poate fi scris sub forma a dou jumti de reacie:

Ared Aox + n e

Box + n e BredAred/Aox i Bred/Box formeaz dou cupluri oxido-reductoare. Fiecare cuplu oxido-reductor este caracterizat de potenialul redox (E), care este o msur a afinitii pentru electroni (a disponibilitii de a accepta electroni).

ntr-o reacie de oxido-reducere, e se deplaseaz de la cuplul donor de e (cu afinitate mai mic pentru e, E mai mic) spre cuplul acceptor de e (cu afinitate mai mare pentru e, E mai mare).

Potenialul redox n condiiile reale existente n celul (E) poate fi calculat conform ecuaiei lui Nernst:

E = E + (RT/nF) ln [Ox]/[Red]

unde E este potenialul redox standard, n - numrul de e transferai, F - constanta Faraday = 96,480 J/Vmol, [Ox] i [Red] - concentraia formei oxidate, respectiv concentraia formei reduse a cuplului oxido-reductor.

n cursul proceselor catabolice, oxidrile sunt, n majoritatea cazurilor, dehidrogenri catalizate de dehidrogenaze (DH, enzime din clasa oxido-reductazelor):

AH2 + B A + BH2

n reaciile de dehidrogenare se transfer, de la o molecul donoare la o molecul acceptoare, 2 echivaleni reductori (termenul de echivalent reductor se refer la un electron, un atom de hidrogen sau un ion hidrid H:, care particip la o reacie de oxido-reducere).

n cadrul cilor metabolice de degradare a combustibililor biologici, n reaciile de dehidrogenare catalizate enzimatic, electronii de la multiple substrate diferite sunt canalizai spre cteva tipuri de transportori de e universali: coenzimele piridinice i cele flavinice.

Dehidrogenaze dependente de coenzimele nicotinamidice (sau piridinice, provenite din vitamina PP sau nicotinamida) catalizeaz reacii de tipul:

AH2 + NAD(P)+ A + NAD(P)H + H+

NAD+ i NADP+ accept un ion hidrid (H: - un atom de hidrogen cu un electron suplimentar) de la un substrat care cedeaz doi atomi de hidrogen, un proton fiind eliberat n mediu:

NAD(P)+ + 2e + 2H+ NAD(P)H + H+

NAD+ NADHMajoritatea dehidrogenazelor care acioneaz n catabolism sunt specifice pentru NAD+ ca acceptor de e; unele sunt localizate n citosol, altele n citoplasm, iar altele au izoenzime mitocondriale i citosolice.

Dehidrogenaze dependente de coenzimele flavinice (provenite din vitamina B2 sau riboflavina) fac parte din categoria flavoproteinelor i catalizeaz reacii de tipul:

AH2 + FMN/FAD A + FMNH2/FADH2

FMN i FAD accept doi atomi de H de la substrat:

FMN/FAD + 2e + 2H+ FMNH2/FADH2

FAD FADH. FADH2Coenzimele flavinice, spre deosebire de cele nicotinamidice, sunt legate ferm de apoenzim, de aceea se mai numesc grupri prostetice. E (potenialul de reducere standard) pentru coenzima legat de apoenzim are o valoare particular pentru acea flavoprotein, depinznd de proteina cu care coenzima este asociat, aceast valoare fiind de multe ori diferit de valoarea E pentru flavina liber.

Coenzimele flavinice pot accepta de la substrat un singur atom de H (transformndu-se n forma parial redus FADH.) sau 2 atomi de H (transformndu-se n forma complet redus FADH2). Ca urmare, flavoproteinele pot servi ca intermediari ntre reaciile n care sunt cedai 2 e i reaciile n care este acceptat un singur e.

Prin reducerea celor dou tipuri de coenzime n procesele catabolice, are loc conservarea unei mari pri a energiei libere degajate prin oxidarea combustibililor metabolici.

FOSFORILAREA OXIDATIV (PO)

Reprezint punctul culminant al metabolismului generator de energie: toate cile de degradare oxidativ a glucidelor, lipidelor i aminoacizilor converg spre aceast etap final, n care energia eliberat n procesele de oxidare este utilizat pentru sinteza ATP.

Energia liber degajat n cursul proceselor catabolice (n reaciile de dehidrogenare) este conservat temporar n molecula coenzimelor reduse NADH i FADH2; prin oxidarea ulterioar a acestora (transferul electronilor la oxigen), energia conservat devine disponibil pentru a susine sinteza ATP din ADP i Pi.

PO are dou componente:

componenta exergonic: lanul transportorilor de electroni (lanul respirator, LR), care transfer echivalenii reductori de la NADH i FADH2 pn la oxigen;

componenta endergonic: sinteza ATP prin fosforilarea ADP-ului, sub aciunea ATP sintazei.

Sediul PO este mitocondria. Acest organit celular are dou membrane care nconjoar matricea mitocondrial:

Membrana extern este permeabil pentru molecule mici i ioni, care trec liber prin canale proteice transmembranare.

Membrana intern este impermeabil pentru majoritatea moleculelor mici hidrosolubile i a ionilor; moleculele care o pot strbate o fac cu ajutorul unor transportori specifici. Aceast membran conine componentele LR i ATP sintaza.

Matricea mitocondrial conine enzimele care intervin n toate cile de degradare oxidativ a substratelor energogene, cu excepia glicolizei.

PO implic reducerea O2 la H2O cu electronii cedai de ctre NADH i FADH2, care la rndul lor au colectat aceti e din cile catabolice. Dac transferul de e de la NADH sau FADH2 la O2 s-ar face direct, s-ar degaja o cantitate extrem de mare de cldur; ca urmare, acest transfer se realizeaz n mai multe etape, prin intermediul unor transportori de e care acioneaz secvenial i care constituie lanul respirator (acesta fiind calea final comun prin care electronii provenii de la diveri combustibili biologici sunt transferai pe oxigen). Componentele LR cuprind:

Ubiquinona (coenzima Q) este o benzoquinon liposolubil cu o caten lateral izoprenoid lung. Poate accepta 1 H (devenind radical semiquinonic .QH, forma parial redus) sau 2 H (devenind ubiquinol QH2, forma complet redus) ca i flavoproteinele, poate aciona la jonciunea dintre un donor de 2 e i un acceptor de 1 e. Avnd o molecul mic i hidrofob, este uor difuzibil prin bistratul lipidic al membranei mitocondriale interne.

Proteinele cu Fe-S conin fier nu n componena hemului, ci n asociere cu atomi de sulf anorganic sau cu sulf aparinnd unor resturi de Cys din partea proteic. Variaz de la structuri simple cu un singur atom de Fe coordinat la 4 grupri SH ale Cys, pn la centri cu Fe-S mai compleci, cu 2 sau 4 atomi de Fe. Toate proteinele cu Fe-S particip la transferuri de 1 e.

Citocromii sunt hemoproteine, de 3 tipuri (a, b, c) cu spectre de absorbie diferite n vizibil. Hemul din cit a i b este legat ferm, dar necovalent de partea proteic, pe cnd cel din cit c este legat covalent prin intermediul unor resturi de Cys. E (potenialul de reducere standard) al atomului de Fe hemic al unui citocrom depinde de asocierea cu o anumit parte proteic, fiind diferit pentru fiecare citocrom. Citocromii tip a, b i c1 sunt proteine integrale din membrana mitocondrial intern; excepie face cit c, care este o protein solubil ce se asociaz cu faa extern a membranei mitocondriale interne. Citocromii pot accepta/ceda un singur electron:

cit (Fe3+) + 1 e cit (Fe2+) (forma oxidat) (forma redus)Componentele lanului respirator sunt aezate n ordinea creterii potenialului redox (E).

Transportorii de e din LR sunt organizai n 4 complexe supramoleculare integrate n membrana mitocondrial intern. Complexele I i II catalizeaz transferul de e ctre coenzima Q, de la doi donori de e diferii: NADH, respectiv succinat.

Complexul I (NADH dehidrogenaza)

Conine o flavoprotein cu FMN i mai muli centri cu Fe-S. Catalizeaz transferul unui ion hidrid (H:+) de la NADH i al unui proton din matrice, la coenzima Q, conform ecuaiei generale:

NADH + H+ + CoQ NAD+ + CoQH2

Electronii curg de la NADH FMN centrii cu Fe-S coenzima Q. Complexul II (succinat dehidrogenaza)Este o enzim legat de membrana mitocondrial intern. Conine centri cu Fe-S i FAD legat ferm. Catalizeaz transferul a 2 atomi de H de la succinat la coenzima Q, prin oxidare succinatul transformndu-se n fumarat (succinatul este un intermediar dintr-o cale metabolic degradativ numit ciclul Krebs, care va fi descris ulterior).

Fluxul e prin complexul II este de la succinat (substratul enzimei) FAD centrii cu Fe-S situsul de legare al coenzimei Q. Ecuaia reaciei catalizate de ctre complexul II este:

Succinat + CoQ fumarat + CoQH2

n afar de succinat, mai exist i alte substrate care sunt oxidate de ctre dehidrogenaze mitocondriale i care i trimit e n LR la nivelul coenzimei Q, dar nu prin intermediul complexului II:

- acil-CoA dehidrogenaza este o flavoprotein care intervine n degradarea acizilor grai; ea catalizeaz transferul e de la acil-CoA la FAD-ul din componena enzimei, apoi electronii sunt transferai la ETF (electron transferring flavoprotein), iar de aici la ETF:ubiquinon oxidoreductaza, care i transfer n cele din urm pe coenzima Q;

- glicerol-3-fosfat dehidrogenaza este o flavoprotein localizat pe faa extern a membranei mitocondriale interne, care canalizeaz e din glicerol-3 fosfat spre coenzima Q; aceast enzim are rol important n transferul echivalenilor reductori de la NADH citosolic n lanul respirator.

CoQH2 (coenzima Q care a fost redus sub aciunea complexului I sau a complexului II) difuzeaz n membrana mitocondrial intern pn la complexul III, unde va fi oxidat. Fiind capabil s accepte i s cedeze 1 sau 2 electroni, coenzima Q are o poziie intermediar ntre un donor de 2 e (NADH, prin intermediul complexului I i succinat, prin intermediul complexului II) i un acceptor de 1 e (citocromul b din componena complexului III).

Complexul III (citocrom c reductaza)

Conine citocromii b i c1 i proteine cu Fe-S. Transfer e de la coenzima Q redus la citocromul c, conform ecuaiei:

CoQH2 + 2 cit c (Fe3+) CoQ + 2 cit c (Fe2+) + 2 H+

Rezultatul net al activitii complexului III: CoQH2 este reoxidat i 2 molecule de cit c sunt reduse.

Citocromul cEste o protein solubil din spaiul intermembranar, asociat cu faa extern a membranei mitocondriale interne. Accept 1 e de la complexul III, dup care se deplaseaz spre complexul IV pentru a-i ceda electronul.

Complexul IV (citocrom c oxidaza)

Transport e de la citocromul c la oxigenul molecular, reducndu-l la H2O. Conine citocromii a i a3 (asociai), precum i ioni de cupru: CuA (Cu complexat cu o grupare SH aparinnd cisteinei, formnd un centru Cu-S asemntor centrilor Fe-S) i CuB (asociat cu cit a3).Transferul de e prin complexul IV este de la cit c CuA hemul a hemul a3 CuB O2. Pentru fiecare 2 e pasai prin complex, 2 H+ din matrice sunt utilizai pentru a transforma O2 n H2O. Ecuaia reaciei catalizate de complexul IV:

2 cit c (Fe2+) + 2 H+ + O2 2 cit c (Fe3+) + H2O

Transferul global al electronilor prin lanul respirator:

Energia degajat prin transferul e prin LR este conservat eficient n gradient de protoni:

Transferul a 2 e de la NADH prin lanul respirator pn la O2 poate fi scris astfel:

NADH + H+ + O2 NAD+ + H2O

Reacia este puternic exergonic: G = 52,6 kcal/mol.

Pentru oxidarea succinatului: succinat + O2 fumarat + H2O, G = 35,8 kcal/mol.

Mare parte din energia liber degajat prin transferul e la oxigen este utilizat pentru a pompa H+ n afara matricei mitocondriale (din matrice spre spaiul intermembranar). Pentru fiecare pereche de e transferai la O2, 4 H+ sunt pompai de ctre complexul I, 4 H+ de ctre complexul III i 2 H+ de ctre complexul IV (deci complexele I, III i IV joac rol de pompe de H+).

n felul acesta se creeaz un gradient al protonilor: concentraie mai mare de H+ pe faa extern a membranei mitocondriale interne i concentraie mai mic n matrice. Acest gradient are dou componente:

- gradient electric: exteriorul membranei mitocondriale interne este mai pozitiv fa de interiorul su;

- gradient chimic: pe faa extern a membranei mitocondriale interne, pH-ul este mai acid n comparaie cu faa sa matriceal.

n acest gradient este stocat o energie electro-chimic, ce reprezint o conservare temporar a unei mari pri a energiei eliberate prin transferul e pn la oxigen (aprox. 90%). Energia stocat astfel se numete for proton-motoare: atunci cnd H+ curg spontan n sensul gradientului lor electrochimic, energia stocat n acest gradient devine disponibil pentru a efectua travaliu: susinerea sintezei ATP din ADP i Pi.

Sinteza ATPAre loc la nivelul complexului V: ATP sintaza sau complexul Fo-F1. Acest complex are dou componente (domenii funcionale):

Fo este integrat n membrana mitocondrial intern; este alctuit din 3 tipuri de subuniti (a, b i c) n proporiile ab2c10. Are un canal (por) central pentru H+ prin care protonii curg n sensul gradientului de concentraie, din spaiul intermembranar spre matrice.

F1 este localizat pe faa intern a membranei mitocondriale interne (proemin spre matrice) i este asociat cu Fo. Este alctuit din 9 subuniti: Subunitile ialterneaz, fiind dispuse ca feliile de portocal. Fiecare din cele trei subuniti conine un centru catalitic pentru sinteza ATP. Subunitatea formeaz un ax central care trece prin F1 i este asociat cu Fo.

a) F1 izolat de Fo catalizeaz hidroliza ATP (ATP + H2O ADP + Pi, G = 7,3 kcal/mol), motiv pentru care a fost denumit iniial F1 ATP-aza.b) F1 integrat n membrana mitocondrial intern, asociat cu Fo, catalizeaz sinteza ATP: ADP + Pi ATP + H2O. Reacia fiind puternic endergonic (G = 7,3 kcal/mol), poate avea loc doar n condiiile n care att ATP ct i H2O sunt ndeprtate eficient din mediul de reacie, astfel nct concentraia lor s fie meninut la valori mult mai mici dect concentraia ADP i Pi (n felul acesta G real poate fi negativ). Aceste condiii sunt create n centrii catalitici ai ATP sintazei:

- mediul hidrofob menine concentraia moleculelor de H2O la o valoare redus;

- ATP este ndeprtat printr-un mecanism rotativ mobilizat de curentul de protoni care trec din spaiul intermembranar spre matricea mitocondrial (n sensul gradientului de concentraie), prin porul existent n componenta Fo.

Mecanism de cataliz rotaional la nivelul ATP sintazei, propus de ctre Paul Boyer:

Cei 3 centri catalitici ai subunitilor se pot gsi n 3 conformaii diferite: -ATP (cu afinitate mare pentru ATP),-ADP (cu afinitate mare pentru ADP) i-empty (cu afinitate foarte mic pentru ATP i ADP). Fiecare centru catalitic trece succesiv prin fiecare din cele trei stri: mai nti-ADP (leag ADP i Pi) are loc sinteza ATP, n acelai timp centrul catalitic trecnd la conformaia -ATP n final, subunitatea trece la conformaia -empty, cu afinitate foarte mic pentru ATP, care va fi eliberat de pe suprafaa enzimei. Apoi ncepe o nou rund de cataliz.

Aceste modificri conformaionale ciclice sunt determinate de pasajul H+ prin porul Fo: acest curent de H+ determin rotaia cilindului format din subunitile c i a subunitii ataate. Aceasta din urm trece prin centrul sferoidului . Cu fiecare rotaie de 120, vine n contact cu o subunitate diferit, iar contactul foreaz acea subunitate s treac n conformaia -empty, determinnd eliberarea ATP.

n concluzie:

- prin transferul e de la NADH sau succinat la O2, prin lanul respirator, se degaj o anumit cantitate de energie liber aceasta este utilizat la pomparea de H+ n afara matricei mitocondriale de ctre complexele I, III i IV se creeaz un gradient de H+;- energia electro-chimic ce este coninut n gradientul de H+ reprezint o for proton-motoare: aceasta permite sinteza ATP la nivelul componentei F1 a ATP sintazei, pe msur ce H+ curg pasiv (n sensul gradientului lor electrochimic) napoi n matrice prin porul de la nivelul Fo.

Pentru ca fora proton-motoare s poat fi folosit la sinteza ATP, este absolut necesar ca membrana mitocondrial intern s fie impermeabil pentru H+, astfel nct gradientul de H+ s se menin i protonii acumulai n spaiul intermembranar s se poat ntoarce n matrice numai prin porul Fo.

Acest model pentru sinteza ATP se numete modelul chemiosmotic i a fost propus de ctre Peter Mitchell: termenul chemiosmotic descrie o reacie enzimatic ce implic, simultan, o reacie chimic i un proces de transport.

ADP + Pi + nH+ext ATP + H2O + nH+int

(H+ext sunt protonii de pe faa extern a membranei mitocondriale interne; H+int sunt protonii ajuni pe faa intern a membranei mitocondriale interne).

Raportul P/O = numrul de molecule de ATP sintetizate pentru O2 redus la H2O, sau pentru fiecare 2 e transferai n LR:

- experimental s-a constatat c numrul de H+ necesari pentru sinteza unei molecule de ATP este 4;

- atunci cnd NADH este oxidat n LR, sunt pompai 10 H+ la nivelul complexelor I, III i IV (4 + 4 + 2) raportul P/O este 10:4 = 2,5 (prin rotunjire se va considera ca fiind 3);

reacia de oxidare a NADH cuplat cu sinteza ATP este:

NADH + H+ + O2 + 3ADP + 3Pi NAD+ + 3ATP + 4H2O- atunci cnd succinatul este oxidat n LR, sunt pompai 6 H+ la nivelul complexelor III i IV (4 + 2) raportul P/O este 6:4 = 1,5 (prin rotunjire se va considera ca fiind 2);

reacia de oxidare a succinatului cuplat cu sinteza ATP este:

succinat + O2 + 2ADP + 2Pi fumarat + 2ATP + 3H2O Cele 2 procese - lanul respirator i fosforilarea ADP - sunt cuplate n mod obligatoriu: nici unul nu poate avea loc fr cellalt.

Inhibitorii pasajului electronilor de la NADH sau succinat pn la O2 blocheaz sinteza ATP:

Pentru ca transferul de e prin LR s degaje energie liber, care apoi s poat fi utilizat la sinteza ATP, este necesar ca e s ajung pn la acceptorul final (O2), astfel nct componentele LR s se reoxideze i s fie apte de a transfera noi e. Blocarea LR la un anumit nivel face ca transportorii situai nainte de blocaj s rmn n stare redus, incapabili de a mai transporta noi e spre oxigen; n consecin, nceteaz degajarea de energie liber sinteza ATP devine imposibil.

- amital (un barbituric) i rotenona (produs din plante utilizat ca insecticid) inhib fluxul e de la complexul I la coenzima Q;

- malonatul (similitudine structural cu succinatul) inhib competitiv complexul II (succinat dehidrogenaza);

- antimicina A (un antibiotic toxic) inhib LR ntre cit b i cit c1 (n cadrul complexului III);

- cianurile i monoxidul de carbon inhib citocrom oxidaza (complexul IV).

Inhibarea sintezei de ATP blocheaz transferul e la O2:

Dac sinteza ATP nu poate avea loc sau fluxul H+ spre matrice (prin componenta Fo) este blocat, H+ pompai nu se mai pot ntoarce n matrice. Pe de alt parte, ei continu s fie expulzai prin activitatea LR, ceea ce duce la crearea unui gradient de H+ foarte mare. La un moment dat, energia eliberat prin transferul e de la NADH la O2 devine mai mic dect energia necesar pomprii protonilor. n acest moment, transferul e nu mai poate continua, trebuie s se opreasc.

- oligomicina este un antibiotic toxic care inhib ATP sintaza (componenta Fo) inhib att sinteza ATP ct i transferul e la O2.

Decuplarea lanului respirator de fosforilarea ADP poate fi realizat:

- 2,4-dinitrofenolul este un decuplant chimic: acid slab cu molecul hidrofob, care poate strbate membrana mitocondrial intern. Intr n matrice n form protonat i elibereaz un H+ se ntoarce n spaiul intermembranar n form deprotonat; aici capteaz un proton traverseaz din nou membrana i elibereaz protonul n matrice .a.m.d.; n felul acesta, DNP permeabilizeaz membrana mitocondrial intern pentru H+, disipnd astfel gradientul de protoni transmembranar (este un protonofor).

- ionofori ca valinomicina permit ionilor anorganici s treac prin membrana mitocondrial intern, disipnd componenta electric a gradientului electro-chimic.

n urma decuplrii celor dou procese, transferul de e n LR continu, dar energia eliberat n cursul acestui proces nu mai poate fi utilizat pentru sinteza ATP este disipat sub form de cldur.

Decuplani fiziologici: n esutul adipos brun, bogat reprezentat la animalele hibernante, prezent i la nou nscui, exist o protein numit termogenina (UCP1 - uncoupling protein 1): aceasta formeaz un canal n membrana mitocondrial intern, care permite transferul protonilor din spaiul intermembranar spre matrice. n felul acesta, gradientul de protoni format prin activitatea lanului respirator este disipat i ATP sintaza este scurt-circuitat, energia degajat n lanul respirator fiind transformat n cldur. Aadar termogenina are rol n termogenez. Reglarea fosforilrii oxidative - de ctre nevoile energetice celulare:Rata respiraiei (consumul de oxigen, sau altfel spus viteza transportului electronilor prin lanul respirator) n mitocondrie este reglat riguros; n general este limitat de disponibilitatea de ADP ca substrat pentru fosforilare, avnd n vedere cuplarea dintre cele dou procese (n prezena ADP, rata consumului de O2 este semnificativ mai mare dect n absena ADP).

Concentraia intracelular a ADP este o msur a statusului energetic al celulei.

atunci cnd consumul de ATP crete (pentru diverse procese ce au loc cu consum de energie), acesta este scindat n ADP i Pi rezervele de ATP scad iar concentraia ADP crete (aceasta semnific faptul c rezervele energetice ale celulei trebuie refcute) crescnd cantitatea de ADP disponibil pentru procesul de fosforilare, rata respiraiei va crete aceasta va determina regenerarea ATP;

atunci cnd consumul de ATP este redus, n celul se menin concentraii ridicate de ATP (ceea ce semnific satisfacerea necesitilor energetice) n aceste condiii, concentraia ADP este sczut scznd cantitatea de ADP disponibil pentru fosforilare, rata respiraiei va scdea.

Reglarea ratei respiraiei are loc sincronizat cu reglarea vitezei cilor metabolice de degradare a combustibililor biologici, care duc la sintez de ATP. Acestea sunt, n general, controlate feedback de nivelul ATP: o cretere a concentraiei ATP (ca urmare a utilizrii sale reduse) determin scderea vitezei cilor degradative, n timp ce creterea utilizrii ATP duce la scderea nivelului su i creterea nivelului ADP sau AMP, avnd ca efect creterea vitezei cilor de oxidare a combustibililor.

Se poate vorbi, astfel, de homeostazia ATP: aceasta se refer la capacitatea celulelor de a menine niveluri constante de ATP n ciuda fluctuaiilor mari n rata utilizrii sale. ATP-ul se formeaz att de rapid pe ct este utilizat n activitile celulare consumatoare energie.

PAGE 15