ENERGETICĂ BIOCHIMICĂENERGETICĂ BIOCHIMICĂ

Localizarea principalelor procese metabolice biochimice in celula eucariotaLocalizarea principalelor procese metabolice biochimice in celula eucariota

Principiile trmodinamiciiPrincipiile trmodinamicii

Legea echilibrului: daca doua sisteme termodinamice deschise sunt fiecare in echilibru termic cu al treilea, atunci cele doua sisteme sunt in echilibru termic unul cu altul.

Principiul I: Energia nu poate fi creata sau distrusa ci doar transformata dintr-o forma in alta. Intr-un sistem izolat, indiferent de procesele interne ale sistemului, cantitatea totala de energie se conserva.

Principiul II: sistemele termodinamice au tendinta de a-si creste entropia (gradul de dezordine).

Energetică biochimică

3 tipuri de energie într-un sistem reactant:

- energia liberă Gibbs (G) – potentialul de a face lucru (“energie superioara”)

- entalpia (H) – variatia ei inseamna caldura (“energie inferioara”)

- entropia (S) – dezordinea sistemului

▪ G = H – T x S (T- temperatura in K, masoara gradul de agitatie termica)

Reacție chimică A → B (delta inseamna variatie)

G = GB – GA

G < 0 - reacție exergonică

G > 0 - reacție endergonică

A + B ↔ C + D

Keq = [C]eq[D]eq/[A]eq[B]eq

Energetică biochimică

G (diferenţa de energie liberă reală):

- semnul său este predictiv pentru sensul de desfășurare al unei reacții în condițiile din celulă:

- G < 0 → reacția are loc spontan în sensul A → B (reacție exergonică)

- dacă G are valoare negativă mare → reacția este ireversibilă

- G = 0 → reacția este la echilibru

- G > 0 → spontan, reacția are loc în sensul A ← B

- ea poate avea loc în sensul A → B numai dacă există un aport de energie liberă (dintr-o reacție exergonică)

G° (diferenţa de energie liberă standard, doar in conditii ideale, cu concentratii 1 molar, este o constanta) – diferita de G !

Ecuația lui Gibbs: G = G° + RT ln [C][D]/[A][B] (logaritmul raportului dintre concentratiile produsilor si reactantilor). Ecuatia seamana cu ecuatia HH !

G pentru o reacție care are loc spontan spre echilibru este negativă și variabilă

- la echilibru: G = 0 => G° = – RT ln Keq

Energetică biochimică

Cuplarea unei reacții endergonice cu o reacție exergonică:

(1) A → B G°en

(2) C → D G°ex

Suma: A + C → B + D G°total = G°en + G°ex

dacă │G°ex│ > G°en => G°total < 0

▪ Ex - formarea glucozo-6-fosfatului:

Glucoză + Pi → glucoză-6-fosfat + H2O (G°1 = 3,3 kcal/mol) - reacţia endergonică

ATP + H2O → ADP + Pi (G°2 = − 7,3 kcal/mol) - reacţia exergonică

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

Suma: Glucoză + ATP → glucoză-6-fosfat + ADP (G° total = − 4 kcal/mol)

Cale metabolică

Gtotal = G1 + G2 + G3 + G4 + .....

- dacă Gtotal < 0 → calea este exergonică și are loc în sensul figurat, chiar dacă unele reacții individuale au G > 0

Model mecanic al cuplării unei reacții endergonice cu o reacție exergonică

ATP transferă energia de la procesele exergonice la procesele endergonice

(1) X + Y + ATP → X−Y + ADP + Pi X + ATP → X~P + ADP X~P + Y → X−Y + Pi

(2) X + Y + ATP → X−Y + AMP + PPi X + ATP → X~AMP + PPi X~AMP + Y → X−Y + AMP

ATP (adenozin trifosfat)

Cuplarea energetica a degradarilor metabolice cu procesele de biosinteza

Compuşi înalt energetici:

1,3-DifosfogliceratFosfoenolpiruvat Acil-CoA Creatin-fosfat

Compuşi cu energie joasă:

Esteri fosforici

ATP – intermediar energetic:Adenina (o baza azotata)

(nucleozid)

Mono-Di-Trinucleotide

Compuşi chimici G° (kcal/mol)

Înalt 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 joasă

PPi (→ 2Pi) −4,6

AMP (→ adenozină + Pi) −3,4

Glucoză-1-fosfat −5

Fructoză-6-fosfat −3,8

Glucoză-6-fosfat −3,3

Glicerol-3-fosfat −2,2

Sinteza ATP prin fosforilare la nivel de substrat:

Rolul ATP ca donor de fosfat înalt energetic:

Poziția intermediară a ATP pe scara valorilor G°

Reacții de oxido-reducere

Ared + Box ↔ Aox + Bred (ex: Fe2+ + Cu2+ ↔ Fe3+ + Cu+)

Ared → Aox + n e−

Box + n e− → Bred

▪ Ared/Aox şi Bred/Box = cupluri oxido-reducătoare, caracterizate de potențialul redox E

(o măsură a afinității pentru e−)

▪ e− se deplasează de la cuplul donor de e− (E <) spre cuplul acceptor de e− (E >)

▪ Ecuația lui Nernst: E = E° + (RT/nF) ln [Ox]/[Red]

Reacții de dehidrogenare - catalizate de dehidrogenaze

AH2 + B ↔ A + BH2

- B = transportori de e− universali:

▪ coenzimele piridinice (derivați ai vit. PP) - NAD+ și NADP+

▪ coenzimele flavinice (derivați ai vit. B2) - FMN și FAD

Structura NAD+ și NADP+

- acceptă 2 electroni sub formă de ion hidrid H:−

Structura FAD

- acceptă 2 electroni sub forma a 2 atomi de H

Dehidrogenaze dependente de coenzimele nicotinamidice:

AH2 + NAD(P)+ → A + NAD(P)H + H+ [ NAD(P)+ + 2e− + 2H+ → NAD(P)H + H+ ]

Dehidrogenaze dependente de coenzimele flavinice:

AH2 + FMN/FAD → A + FMNH2/FADH2 [ FMN/FAD + 2e− + 2H+ → FMNH2/FADH2 ]

Fosforilarea oxidativă

Mitocondria – sediul fosforilării oxidative

Ubiquinona (coenzima Q)

Proteinele cu Fe-S

Citocromii

Complexul I (NADH dehidrogenaza)

NADH + H+ + CoQ → NAD+ + CoQH2

Complexul II (succinat dehidrogenaza)

Succinat + CoQ → fumarat + CoQH2

Transferul e− de la NADH, succinat, acil-CoA și glicerol-3-P la coenzima Q

Complexul IV (citocrom c oxidaza)

Complexul III (citocrom c reductaza)

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

2 cit c (Fe2+) + 2H+ + ½O2 → 2 cit c (Fe3+) + H2O

Transferul electronilor în lanţul respirator

Transferul electronilor în lanţul respirator

Transferul e− în LR cuplat cu generarea gradientului de H+

ATP sintaza (complexul Fo-F1)

Oxidarea NADH:

NADH + H+ + ½O2 + 3ADP + 3Pi → NAD+ + 3 ATP + 4H2O

Oxidarea succinatului:

succinat + ½O2 + 2ADP + 2Pi → fumarat + 2 ATP + 3H2O

Inhibitori ai lanțului respirator

Inhibitori ai lanțului respirator

Decuplanți ai fosforilării oxidative - dinitrofenolul (DNP)

Decuplanți ai fosforilării oxidative - termogenina

MITOCONDRIE

CITOPLASMA

Privire generala asupra principalelor metabolismegeneratoare de energie

ATP produs directprin fosforilare la substrat

ATP produs prin fosforilare oxidativa

Bibliografie

• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. 5th edition, 2008.

• Colleen Smith, Allan D. Marks, Michael Lieberman. Mark’s Basic Medical Biochemistry: A Clinical Approach. 2nd edition, 2004.

• Robert K Murray, Darryl K. Granner, Peter A. Mayes, Victor W. Rodwell. Harper’s Illustrated Biochemistry. 27th edition, 2006.

• Pamela C. Champe, Richard A Harvey, Denise R. Ferrier. Lippincott’s Illustrated Reviews – Biochemistry. 4th edition, 2007.

• Reginald H. Garrett, Charles M. Grisham. Biochemistry. 2nd edition, 1999.

• Mary K. Campbell, Shawn O. Farrell. Biochemistry. 6th edition, 2007.