Metabolismul intermediar

1

METABOLISMUL

Totalitatea transformrilor de substan, energie i informaie care au loc ntr-un organism viu

Metabolismul general prezint dou aspecte eseniale :

catabolismanabolism

2

Sistemele biologice = sisteme informaionale deschise

CATABOLISM

Totalitatea reaciilor de degradare din organism

sunt frecvent reacii de oxido-reducere

au loc cu eliberare de energie

au loc cu creterea entropiei

energia eliberat este conservat n structuri cu legturi macroergice

(de exemplu - ATP, GTP)

Substanele macromoleculare cu mare specificitate structural, cu

nalt nivel de organizare, provenite din mediul nconjurtor sunt

transformate conform principiului termodinamicii n compui cu

molecul mic, cu specificitate redus, cu nivel sczut de

organizare.3

ANABOLISM

Totalitatea proceselor de biosintez

decurg cu o scdere a entropiei sistemului (procese antientropice)

decurg cu consum de energie

sunt procese endergonice

Catabolismul i anabolismul se desfoar concomitent n celule

i sunt nsoite de schimburi de energie.

ATP PRINCIPAL - rezervor- furnizor- transportor- intermediar de energie

Procese amfibolice

4

Substrat redus Substrat oxidat

Catabolism

Anabolism

ADP + PiATP

Produs de biosintez

(stare redus)

Precursor

(stare oxidat)

Procesele catabolice sunt cuplate cu procesele anabolice prin mecanisme caracteristice, care implic frecvent participarea ATP-ului.

ATP-ul joac un rol de principal rezervor, furnizor i transportor intermediar de energie n organismele vii.

5

Aminoacizi Hexoze

Pentoze

Acizi grasi

Glicerol

Proteine Polizaharide Lipide

Acetil~SCoA

Ciclul

citratului

2H 2H 2H 2H

Oxidarea biologic

H2OCO2

O2 ATP

Stadiul I

Stadiul II

Stadiul III

Stadiul IV

MECANISME GENERALE DE TRANSFORMARE A CONSTITUENILOR ORGANICI FUNDAMENTALI AI ORGANISMELOR VII

6

Stadiul IV

OXIDAREA BIOLOGIC

RESPIRAIA CELULAR

7

OXIDAREA BIOLOGIC

Proces cu caracter de universalitate pentru toate organismele aerobe.

Oxidarea hidrogenului coninut n moleculele substratelor organice din

alimente de ctre oxigenul atmosferic, cu formare de ap i eliberare de

energie.

Hidrogenul substratului este transferat oxigenului molecular prin

intermediul unor transportori intermediari de hidrogen i electroni care

sunt sisteme oxidoreductoare cu poteniale redox cresctoare.

Substrat - H2

1/2 O2(atmosferic)

2 H+

O2-

2e-

+ 57 kcal/mol

H2O

8

Mitocondria sediul respiraiei celulare

9

OXIDAREA BIOLOGIC

Procesele de respiraie ce au loc la nivel mitocondrial reprezint etapa

terminal, comun, de oxidare biologic a moleculelor din alimente,

n cadrul creia se elibereaz o cantitatate mare de energie.

O parte din energia eliberat este utilizat sub diferite forme(cldur, energie osmotic, mecanic, etc) pentru nevoile imediate ale celulei

O alt parte din energia eliberat este recuperat i stocat n celul sub form de legturi macroergice, n cadrul unor compui specifici bogai n energie, cum este adenozin trifosfatul (ATP)

10

LANUL RESPIRATOR MITOCONDRIAL Definiie

TOTALITATEA SISTEMELOR

OXIDOREDUCTORE ENZIMATICE

PRIN INTERMEDIUL CRORA

HIDROGENUL SUBSTRATULUI ESTE

OXIDAT DE OXIGENUL ATMOSFERIC

CU FORMARE DE AP I CU

ELIBERAREA A 57 kcal/mol

CORESPUNZTOARE DIFERENEI DE 1,2V

DE LA POTENIALUL

HIDROGENULUI SUBSTRATULUI

(- 0,42 V) LA CEL AL O2 (+ 0,81 V).

11

E'o este potenialul redox standard msurat la pH 7 i 25oC, iar n este numrul de

electroni transferai n reacia general: Oxidant + ne- Reductor

* valoarea este pentru molecula de FAD libera; FAD legat de flavoproteinele specifice (de ex. succinat dehidrogenaza) are un E'o diferit (- 0,05V), ce depinde de componenta proteic. (dup Lehninger, 2008)

Sistemul redox

Potenialul

redox

standard

E'o (voli)1/2O2 + 2H

+ + 2e- H2O

Citocrom a3 (Fe3+) + e- Citocrom a3 (Fe

2+)

Citocrom a (Fe3+) + e- Citocrom a (Fe2+)

Citocrom c (Fe3+) + e- Citocrom c (Fe2+)

Citocrom c1 (Fe3+) + e- Citocrom c1 (Fe

2+)

Citocrom b (Fe3+) + e- Citocrom b (Fe2+)

Ubichinon + 2H+ + 2e- Ubichinol

FAD + 2H+ 2e- FADH2NAD+ + H+ + 2e- NADH22H+ + 2e- H2

+ 0,816

+ 0,350

+ 0,290

+ 0,250

+ 0,210

+ 0,120

+ 0,01

- 0,219*

- 0,320

- 0,420

Sistemele redox ce fac parte din lanul transportor de electroni mitocondrial

12

COMPONENTELE LANULUI RESPIRATOR

Sisteme oxidoreductoare specializate:

1. Substratul donor de hidrogen;

2. Oxidoreductazele piridinice: coenzima piridinic - nicotinamida

adenin dinucleotidul (NAD+);

3. Flavin enzimele ce au drept grupri prostetice flavin

mononucleotidul (FMN) sau flavin adenin dinucleotidul (FAD);

4. Fier-sulf (Fe-S) proteinele;

5. Coenzima Q (CoQ) sau ubichinona;

6. Citocromii;

7. Citocromoxidaza - reacioneaz direct cu oxigenul molecular.

13

Lanul respirator funcioneaz ca o succesiune de reacii redox n care

fluxul de echivaleni reductori este dirijat de la perechea cu

potenialul standard cel mai negativ donorul de hidrogen - spre

perechea cu potenialul standard cel mai pozitiv - oxigenul molecular.

Componentele sistemului enzimatic transportor de hidrogen au rolul de

a activa hidrogenul sub form de proton (H+).

Componentele transportoare de electroni citocromii, au rolul de

a activa oxigenul molecular sub form de anion (O2-).

Aceste forme moleculare activate vor reaciona i vor forma apa (H2O).

14

Substrat - H2

Substrat - Ox

NAD+

NADH+H+

Fp-H2

Fp(FMN*FAD**)

(FMNH2FADH2)

CoQ

CoQH2 2 cit-b Fe3+

2 cit-b Fe2+

2e-

2 cit-c Fe3+

2 cit-c Fe2+

2e-

2 cit a-a3 Fe3+

2 cit a-a3 Fe2+

2e-

1/2 O2

O2-

2e-

2H+Transport de hidrogen

Transport de electroni

O2-H2O

- 0,42 V - 0,32 V- 0,12 V*

- 0,06 V** + 0,01 V + 0,12 V + 0,25 V + 0,29 V + 0,81 V

0,2 V

G = - 11,9 kcal

ATP

7,3 kcal

0,13 V

G = - 9,9 kcal

ATP

7,3 kcal

0,52 V

G = - 23,9 kcal

ATP

7,3 kcal

Lanul respirator mitocondrial

15

Substrat - H2

NADH + H+

Acid

succinic

Complexul I

Proteine FMN

Proteine Fe-S

(8 atomi Fe

neheminic)

NADH2 - ubichinon

oxidoreductaza

Ubichinona

(CoQ)

Proteine FAD

Proteine Fe-S

(3 atomi Fe

neheminic)

Cit c

Complexul II

Complexul III Complexul IV

Citocrom a-a3:

oxidoreductaza

Cit a-a3Proteine cu cupru

1/2 O2

Succinat - ubichinon

oxidoreductaza

Ubichinon: cit c oxidoreductaza

2 Cit b

1 Cit c12 atomi Fe

neheminic

Proteine Fe-S

2H+ H2O O2-

Structura lanului respirator mitocondrial organizat funcional n complexele enzimatice Green

(Complexele I IV)

16

17

Schema lanului respirator mitocondrial organizat funcional n complexele enzimatice Green

Energetica lanului respirator

Orice sistem redox se caracterizeaz printr-un potenial de oxidoreducere,

exprimat n voli (V).

Se exprim prin relaia lui Nernst:

E = E'o + 2,303 RT

n Flg

[Oxidant]

[Reductor]

E - potenialul de oxidoreducere al sistemului redox;

E'o - potenialul standard (normal) al sistemului redox,

respectiv potenialul sistemului n care concentraia

oxidantului este egal cu concentraia reductorului;

R - 8,315 J/mol x K (1,987 cal/mol x K), constanta

gazelor ideale;

F - 96 485 coulomb sau 96,480 J/V x mol, numrul lui

Faraday sau echivalent caloric = 23,28 kcal/mol;

T - temperatura absolut exprimat n grade Kelvin (K);

Condiii standard: 298K = 25oC

n - numrul de electroni transferai n timpul procesului de

oxidoreducere;

2,303 - coeficientul de transformare a logaritmilor naturali

(ln) n logaritmi zecimali (lg). 18

Variaia energiei libere standard (Go, cal/mol) ntr-un sistem redox:

G = - RT ln[Oxidant]

[Reductor]

La transferul unui echivalent de electroni (n=1), i la o diferen de potenial

de 1 volt (E'o = 1 volt) se dezvolt o energie liber de 23,3 kcal/mol.

Go = - n F E'o

Go = - 1 x 23,3 = - 23,3 kcal/mol

La transferul a doi electroni, eliberarea de energie pentru o variaie de

potenial de 1 Volt :

Go = - 2 x 23,3 = - 46,6 kcal/mol

Energetica lanului respirator

19

Substrat - H2

1/2 O2(atmosferic)

2 H+

O2-

2e- H2O + 57 kcal/mol

E'o = - 0,42 V

E'o = + 0,81 V E'o = Eo(oxidant) - Eo(reductor)

E'o = + 0,81 - (- 0,42) = 0,81 + 0,42 = 1,23 V

E'o = 1,23 V

Go = - n F E'o unde n = 2 electroni

F = echivalentul caloric al lui Faraday (23,3 kcal/mol) Go = - 2 x 23,3 x 1,23

Go = - 57,318 kcal/mol

Energetica lanului respirator

E'o este pozitiv => transferul de electroni din cadrul lanului transportor

de electroni are loc spontan, deci Go este negativ20

Conservarea energiei biologiceFosforilarea oxidativ

Fosforilare oxidativ: procesele prin care oxidarea (transportul de

electroni) este intim cuplat cu formarea de compui fosforilai bogai

n energie.

ATP se poate forma numai n etapele n care variaiile de potenial

(E'o) sunt ndeajuns de mari ( > 0,12V) pentru a permite eliberarea

unei cantiti de energie superioar celei necesare formrii unei

legturi macroergice (~ 7kcal).

Treptele de fosforilare = locurile specifice, precise de conservare a

energiei - locuri de fosforilare

Raportul dintre cantitatea de fosfat legat sub form de ATP i

cantitatea de oxigen consumat n timpul desfurrii lanului

respirator = ct de fosforilare21

raportul P/O = ct de fosforilare

Raportul P/O = 3 n cazul oxidrilor care au loc

prin intermediul enzimelor piridinice

(NADH+H+)

Raportul P/O = 2 n cazul oxidrilor care au loc direct

prin intermediul flavin enzimelor

(FADH2)

1 NADH2 . . . . . . . 3 ATP

1 FADH2 . . . . . . . . 2 ATP

Conservarea energiei biologiceFosforilarea oxidativ

22

Randamentul energetic al lanului respirator

Procesul global de oxidoreducere poate fi scris sub forma a 2 reacii:

- reacie exergonic

NADH + H+ + 1/2O2 H2O + 57 kcal/mol

G = -57 kcal/mol

- reacie endergonic

3 ADP + 3 Pi 3 ATP + 3 H2O

G = 3 x 7 = 21 kcal/mol

Ecuaia global a fosforilarii oxidative poate fi scris astfel:

NADH + H+ 1/2 O2 + 3 ADP + 3Pi 3 ATP + 4 H2O + NAD+

NAD+

23

Din transferul a 2 atomi de hidrogen de la NADH la oxigen rezult

o variaie a energiei libere de 57 kcal/mol din care sunt stocai n

legtura fosfat macroergic din ATP doar 21 kcal. Din energia de

formare a apei este nmagazinat ca energie biologic util energia

corespunztoare formrii a 3 molecule de ATP (21 kcal).

Randamentul energetic al lanului respirator

Randamentul procesului () va fi:

Total 57 kcal ..21 kcal (ATP)

100 kcal ......X

X 37% ()

Energia liber care nu este captat n legturile fosfat macroergice este

eliberat sub form de cldur sau este transformat n alte forme de

energie necesare pentru funcionarea celulei: energie mecanic, osmotic

sau energie luminoas (bioluminiscen). 24

TEORIA CHEMIOSMOTIC

(ipoteza Mitchell, 1961)

Componentele principale care particip la procesul de fosforilare

oxidativ sunt:

pompa de protoni

ATP sintetaza

Fiecare din cele trei complexe - I, III i IV acioneaz ca pomp de

protoni. Complexul enzimatic ATP sintetazic (EC: 3.6.3.14)

(cunoscut i sub numele de complexul V) sintetizeaz ATP prin

utilizarea energiei gradientului de protoni generat de lanul

transportor de electroni.

BIOSINTEZA ATP

25

Reprezentarea schematic a modelului teoriei chemiosmotice

BIOSINTEZA ATP

TEORIA CHEMIOSMOTIC

(ipoteza Mitchell, 1961)

26

27

n cursul respiraiei, transportul electronilor este cuplat cu transportulprotonilor (H+) prin membrana intern mitocondrial, dinspre matrix ctrespaiul intermembranar. Acest proces induce formarea unui gradientelectric () prin membrana intern mitocondrial (cu mai multe sarcinipozitive n exteriorul membranei dect n interior), i a un gradient de pH(n exteriorul membranei pH-ul este mai sczut fa de micromediulinterior).Ipoteza chemiosmotic susine deci posibilitatea ca fluxul de protoni, odattransferai n spaiul intermembranar, s poat reintra n matrixulmitocondrial prin trecerea lor prin interiorul domeniului FO al ATPsintetazei. Aceast trecere reprezint fora motrice care determin sintezaATP din ADP i Pi. Gradientul de protoni va determina eliberarea ATP de pesuprafaa enzimei (n absena unui gradient de protoni, ATP nou sintetizatnu prsete suprafaa enzimei). n acelai timp, acest gradient de protonipoate s disipeze att gradientul electric ct i cel de pH, i s restabileascstarea de echilibru iniial.

BIOSINTEZA ATP

TEORIA CHEMIOSMOTIC

(ipoteza Mitchell, 1961)

Reprezentarea schematic a

structurii complexului enzimatic al

ATP sintetazei mitocondriale FO F1

BIOSINTEZA ATP

TEORIA CHEMIOSMOTIC

(ipoteza Mitchell, 1961)

28

Peter Mitchell a dezvoltat teoria chemisomotic din anul 1961, i a fost laureat al Premiului Nobel pentru chimie n anul 1978.n mitocondrie, FOF1 ATP sintetaza este constituit din dou domenii funcionale: un domeniu axial FO, de form cilindric, inserat n membrana intern, i un domeniu de form sferic F1, liber, situat deasupra membranei, n matrixul mitocondrial. Denumirea de FO deriv de la faptul c oligomicina un inhibitor al ATP sintetazei, se leag specific de aceast poriune. Domeniul F1 al complexului ATP sintetazic conine 9 subuniti, care alterneaz ntr-o structur asimetric, cu compoziia 33. Fiecare din cele 3 subuniti are cte un centru activ care catalizeaz sinteza ATP.

Transformarea energiei de oxidoreducere n energie luminoas

BIOLUMINISCENA

Variaia de energie n cursul oxido-reducerilor este utilizat pentru a excita

o molecul numit luciferin care trece ntr-o stare energetic ridicat,

instabil. Prin revenirea la starea stabil, iniial, aceasta emite radiaii

luminoase.

LH2 + ATP + luciferaz PPi + LH2-AMP-luciferaz

LH2-AMP-luciferaz + O2 L + H2O + luminiscenMg2+

Mg2+

29

Inhibitorii lanului respirator i fosforilrii

oxidative

a) Inhibitori ai transferului de hidrogen sau de electroni n lanul

respirator.

Rotenona (substan toxic de origine vegetal, utilizat ca insecticid)

Amitalul (amobarbitalul medicament din clasa barbituricelor)

blocheaz transferul de hidrogen de la centrii Fe-S asociai NADH

dehidrogenazei, la ubichinon

Antimicina A inhib transferul electronilor de la citocromul b

la citocromul c1 Piericidina este un antibiotic cu structur asemntoare CoQ, cu care

intr n competiie

Cianurile, monoxidul de carbon (CO), hidrogenul sulfurat (H2S),

i azida de sodiu (NaN3) inhib mai ales citocromoxidaza a/a3.

Malonatul este un inhibitor competitiv al succinat dehidrogenazei

30

NAD+ [4Fe-S] CoQ [2Fe-S] cyt b [Fe-S] cyt c1 cyt c cyt a a3 O2(-) CN-

(-) H2 S

(-) CO

(-) Antimicina A

(-) Piericidina

(-) Rotenona(-) Amital

Succinat

ATP ATP ATPSuccinat-DH

FAD

FADH2

(-) Malonat

FP2

(-) 2,4-DNP(-) 2,4-DNP(-) 2,4-DNP

FMN

(-) NaN3

Inhibitorii lanului respirator i fosforilrii oxidative

Numeroase substane, printre care i medicamente pot influena

oxidoreducerile tisulare i fosforilarea oxidativ.

Hormonii tiroidieni sunt stimulatori ai oxidoreducerilor tisulare.

31

b) Decuplanii fosforilrii oxidative nu influeneaz semnificativ reaciile

lanului respirator, fluxul de electroni, dar opresc sinteza de ATP.

Determin creterea permeabilitii membranei interne

mitocondriale la protoni.

Transportul de electroni are loc cu o vitez mrit fr a stabili i un

gradient normal de protoni.

Exemple:

2,4-dinitrofenolul (DNP)

Valinomicina

Aspirina

Arseniatul

Thermogenina

32

c) Inhibitorii globali ai fosforilrii oxidative inhib concomitent

i respiraia i fosforilarea.

Oligomicina este un antibiotic care se leag de ATP

sintetaz, nchide canalul de H+, i previne reintrarea

protonilor n matrixul mitocondrial;

transportul de electroni se oprete datorit dificultii de a

pompa mai muli protoni mpotriva excesului de gradient.

transportul de electroni i fosforilarea sunt procese cuplate

dac unul din ele se oprete, nceteaz i cellalt.

INHIBITORII = utilitate practic, experimental, n studiul proceselor de

respiraie tisular, prin blocarea diferitelor segmente ale lanul transportor

de electroni i/sau a fosforilrii oxidative.

33

LANUL RESPIRATOR MITOCONDRIAL

- CONCLUZII -

1. Lanul respirator componenta major a respiraiei celulare este unproces universal i fundamental deoarece este generator de energie. Else desfoar la toate vieuitoarele aerobe, n toate celulele careconin mitocondrii (o excepie o reprezint eritrocitele), i n toateetapele vieii celulare. n esen, are loc oxidarea hidrogenului.

2. Componentele lanului respirator sunt situate n membrana internmitocondrial, n ordinea cresctoare a potenialelor perechilor lorredox.

3. Succesiunea acestor componente este foarte bine determinat, ele fiindasamblate n complexe Green.

4. Oxidarea biologic este cuplat cu fosforilarea, respectiv cu formareade compui macroergici fosforilai ATP, sub aciunea complexuluienzimatic al ATP sintetazei.

5. Moleculele de ATP se formeaz n anumite trepte, acolo unde diferenade potenial este > 0,12 voli i permite eliberarea unei energii > 7 kcal,necesar formrii unei molecule de ATP.

34

ALTE SISTEME TRANSPORTOARE DE

HIDROGEN I ELECTRONI.

OXIDOREDUCERILE MICROZOMALE

35

36

Pe lng lanul respirator mitocondrial, mai exist n celule i alte sistemeoxidoreductoare, care pot folosi ali acceptori de electroni sau hidrogendect oxigenul sau avnd tot oxigenul drept acceptor final, i care decurg nparalel (separat), dup mecanisme diferite.

Denumirea de citocrom P450 se datorete faptului c avnd structurcitocromic, forma redus a derivatului su combinat cu monoxidul de carbon prezint un maximum de absorbie la = 450 nm.

Citocromul P450 se gsete n toate formele de via, i constituie o familie multigenic de enzime, reprezentat de un numr foarte mare de izoforme, ce catalizeaz o varietate extins de molecule. Aceste izoenzime au rolul de a cataliza hidroxilarea a numeroi compui endogeni i exogeni, printre care steroizii, aminoacizii- mai ales cei aromatici, acizii biliari, precum i numeroase medicamente (fenobarbital, morfin, codein, amfetamine etc.). Unele hidrocarburi polinucleare carcinogenetice de tipul metilcolantrenului, precum i alte substane xenobiotice" (strine de organismul gazd: pesticide, aditivi alimentari, compui poluani, etc) pot fi detoxifiate sub aciunea unor astfel de oxidaze mixte.

ALTE SISTEME TRANSPORTOARE DE HIDROGEN I ELECTRONI. OXIDOREDUCERILE MICROZOMALE

Localizat n reticulul endoplasmatic neted (fraciunea microzomal)

Sistem transportor de electroni care nu este fosforilant (nu este productor

de ATP)

Implicat n procesele de hidroxilare i de dehidrogenare

Sistemul cuprinde:

donorul de echivaleni reductori - NADPH2

flavoprotein

fier-sulf-protein

citocrom microzomal specific, denumit citocromul P450, care are rol de

oxidaz mixt, cataliznd concomitent procese de hidroxilare i de formare a

apei.

Hidroxilazele utilizeaz NADPH, n calitate de cosubstrat i oxigenul molecular,

cataliznd urmtoarea reacie general:

R-H + NADPH + H+ + O2

R-OH + NADP+ + H2O

37

R-H O

R-HO

2

R-H

O2

O

O2-

citP450-Fe3+

(Oxidat)

Produs

hidroxilat

citP450-Fe3+

citP450-Fe3+

citP450-Fe2+

citP450-Fe2+

Citocrom P450

reductaza

Substrat (R-H)

NADPH+H+

1e-

primul

electron

al doilea

electron

2H+

H2O

(R-OH)

R-OH

NADP+

FAD

FADH22Fe3+-Sulf

proteine

2Fe2+-Sulf

proteine

2e-

1e-

R-H + NADPH + H+ + O2

R-OH + NADP+ + H2O

Mecanismul secvenial al oxidoreducerilor microzomale

Citocromul

P450

Substrat (R-H)

Compus aromatic

Compus steroidic

Acizi biliari

Metabolit toxic endogen

Medicament

38

39

Schema ilustreaz legarea substratului (R-H) de citocromul P450, transferul individual, secvenial, al celor doi electroni de la NADPH-citocrom P450 reductaz, i legarea de oxigenul activat, cu formarea substratului hidroxilat (R-OH) i a apei (H2O)

n prima etap, substratul R-H se combin cu forma oxidat (Fe3+) a P450 care este apoiredus cu un electron (ce provine de la NADPH) la forma Fe2+. Acest transfer al primului electron se face prin intermediul flavoproteinei (NADPH citocrom P450 reductaza). Fier-Sulf proteinele, au rolul de a separa cei doi electroni provenii de de la NADPH. Complexul format din citocromul P450 (Fe

2+) i substrat (R-H) reacioneazcu oxigenul molecular (O2) ntr-un asemenea mod nct unul din atomii de oxigen este redus la ap, iar cellalt este introdus n substratul organic, rezultnd substratulhidroxilat (R-OH). Ca mecanism, complexul este oxigenat i primete un al doileaelectron de la NADPH, rezultnd oxigen activat sub form de anion O2-. Urmeaz o oxidoreducere intern cu formarea substratului hidroxilat i a apei (H2O), ambiiprodui de reacie coninnd atomii de oxigen din molecula de O2. Citocromul P450liber este regenerat sub form de Fe3+. Transferul de echivaleni reductori de la NADPH se face n dou trepte, datorit aciunii Fe-S proteinelor.

Mecanismul secvenial al oxidoreducerilor microzomale

R-H - substratul care urmeaz a fi hidroxilat: compui aromatici,

compui steroidici, acizi biliari, medicamente, metabolii toxici

endogeni;

Un atom din molecula de O2 este ncorporat n substratul R-H iar

cellalt este redus cu formarea apei.

Flavoproteina microzomal i citocromul P450 prezint fenomenul de

inducie enzimatic: biosinteza i deci concentraia lor n ficat crete

semnificativ sub aciunea barbituricelor i a altor medicamente.

Aceti ageni stimuleaz proliferarea reticulului endoplasmatic din

celulele hepatice = > adaptare cu rol protector a celulei.

R-H + NADPH + H+ + O2

R-OH + NADP+ + H2O

40

STADIUL III

CICLUL CITRATULUI

CICLUL KREBS

CICLUL ACIZILOR TRICARBOXILICI

41

Aminoacizi Hexoze

Pentoze

Acizi grasi

Glicerol

Proteine Polizaharide Lipide

Acetil~SCoA

Ciclul

citratului

2H 2H 2H 2H

Oxidarea biologic

H2OCO2

O2 ATP

Stadiul I

Stadiul II

Stadiul III

Stadiul IV

42

Hans Krebs (1900 1981) a descoperit ciclul citratului

n anul 1937

Acetil-CoA intr n ciclul Krebs (al acizilor tricarboxilici sau al

citratului), care reprezint o cale final comun pentru

catabolismul tuturor constituenilor fundamentali ai materiei vii.

43

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1953 was divided equally between Hans Adolf Krebs "for his discovery of the citric acid cycle" and Fritz Albert Lipmann "for his discovery of co-enzyme A and its importance for intermediary metabolism".

Reacia global care are loc n cursul ciclului Krebs este:

CH3-COOH + 2 H2O 2 CO2 + 8H

Formarea CO2 din acetil-CoA are loc prin intermediul unei serii de

8 reacii enzimatice care constituie un ciclu.

Ciclul citratului n ansamblul lui, reprezint un sistem catalitic care

asigur degradarea unui numr nelimitat de molecule de acid acetic

activate sub form de acetil-CoA.

Premisele experimentale n descoperirea ciclului Krebs

Localizarea intracelular a enzimelor ciclului citratului: matrixul

mitocondrial

CICLUL CITRATULUI (CICLUL KREBS)

44

45

Etapele acestui ciclu au fost mai nti postulate, i apoi demonstrate de H. Krebs, care n anul 1937, utiliznd metoda Warburg a observat c o suspensie de celule consum mai mult oxigen, dac se adaug aciziorganici dicarboxilici i tricarboxilici, respectiv acid succinic, fumaric icitric.Reaciile ciclului Krebs au loc n mitocondrie, n matrix, i sunt cuplate culanul respirator. Astfel exist o vecintate spaial a celor dou procese biochimice.Cercetri fcute de E. P. Kennedy i A. L. Lehninger nc din anul 1948 au demonstrat c mitocondriile izolate prin ultracentrifugarea omogenatelor de esut hepatic asigur transformarea tuturor intermediarilor ciclului citratului, deci conin toate enzimele ciclului citratului. Ciclul citratului se desfoar n compartimentul intern al mitocondriei i anume, unele enzime sunt repartizate n matricea solubil, n timp ce altele sunt legate de membrana mitocondrial intern.

Reaciile ciclului Krebs

46

O

CH3

O

COOH

COOH

COOHCH2

COOHOH

COOHCH2

COOH

COOHCH

COOHCH2

COOH

OH CH COOH

COOH

CH2

CH2

C=O

COOH

COOH

COOHCH

COOHCH

CH2

OH

12

3

45

COOH

CH2

CH2

O

COOH

CH2

COOH

C ~ SCoA

C

Acetil~SCoA

Acid oxalilacetic

+ H2OHSCoA

C

- H2O

CAcid cis-aconitic

+ H2O

Acid citric

HCAcid izo-citric

Acid -cetoglutaric

CO2

NAD+

NADH+H+

CO2NAD+NADH+H+

HSCoA

C ~ SCoA

Succinil~SCoA

HSCoAGDP+Pi

GTP + H2O

Acid succinic

FAD

FADH2

COOHAcid fumaric

+ H2O

COOH

Acid L-malic

NAD+

NADH+H+

1

3

4

5

6

8

7

CH2

CH2

CH2

CH

+ H2O

2

2

OCH3

O

CH2

COOH

COOH

C ~ SCoA

C

Acetil~SCoA

Acid oxalilacetic

citratsintaza

1

+

O

CH2

COOHOH

CH2

COOH

C ~ SCoA

C

Citril~SCoA

+ H2O

HSCoA

COOH

CH2

COOHOH

CH2

COOH

1

2

3

4

5

C

Acid citric

aconitaza

- H2O

2

COOH

CH2

COOH

COOH

CH

C

Acid cis-aconitic

aconitaza

+ H2O

COOH

CH2

COOH

OH CH

COOH

HC

Acid izo-citric

izocitrat-DH

CO2

NAD+

NADH+H+

3

COOH

CH2

CH2

C=O

COOH

Acid a-cetoglutaric47

COOH

CH2

CH2

C=O

COOH

a-cetoglutarat-DHTPP

Acid lipoic

FAD

NAD+

CoASHCO2

NAD+

NADH+H+

HSCoA

4

Acid -cetoglutaric

COOH

CH2

CH2

O

C ~ SCoA

Succinil~SCoA

COOH

CH2

CH2

succinil tiokinaza

HSCoA

GDP+Pi

+ H2O

COOH

Acid succinic

5

succinat-DH

FAD

FADH2

6

COOH

CH

COOH

HC

Acid fumaric

fumaraza

+ H2O

7

COOH

CHOH

CH2

COOH

Acid L-malic

malat-DH

NAD+

NADH+H+

8

COOH

CH2

O

COOH

C

Acid oxalilacetic

GTP + ADP ATP + GDP

GTP

48

Principalele reacii ale ciclului Krebs:

a) 1 reacie de condensare (C2 + C4).

b) 4 dehidrogenri dintre care trei catalizate de NAD+ (izocitrat,

-cetoglutarat i malat) i una de FAD (succinat).

c) 2 decarboxilri (izocitrat i -cetoglutarat).

d) 2 hidratri efective (hidratarea fumaratului i formarea acidului

succinic din succinil-CoA).

e) 1 reacie de hidratare reversibil (reacia aconitazic).

Bilanul chimic al ciclului citratului poate fi redat prin ecuaia global:

CH3-CO~SCoA + 3H2O + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi

2CO2 + HS-CoA + 3NADH+H+ + FADH2 + GTP

Bilanul chimic al ciclului Krebs

49

Simplificat, se poate scrie:

CH3-COOH + 2 H2O 2 CO2 + 8H

Prin oxidarea unei molecule de acetil-CoA se formeaz 2 molecule de CO2i 4 perechi de echivaleni reductori (3 NADH+H+ + FADH2)

6 3 NADH2 x 3ATP = 9ATP 8H 11ATP+ 1GTP ATP 2 1 FADH2 x 2ATP = 2ATP

Bilanul chimic al ciclului Krebs

50

12ATP

BILANUL CHIMIC I ENERGETIC AL CICLULUI KREBS CUPLAT CU LANUL RESPIRATOR

CH3-COOH + 2 H2O + 2O2 2 CO2 + 4 H2O + energie

stocat n compui macroergici

12 ATP (11ATP + 1GTPATP)

Oxidarea acetatului prin ciclul citratului cuplat cu lanul respirator

conduce la formarea a 228 kcal, corespunztoare celor patru

molecule de ap formate (4 x 57 kcal)

Pe seama energiei eliberate n acest proces, se formeaz

12 molecule de ATP, crora le corespund 84 kcal (7 x 12).

Din totalul de 228 kcal eliberate, 84 kcal au fost stocate sub form

de ATP, ceea ce corespunde unui randament () de cca 37%.

51

12 ATP 12 x 7 84 kcal Proces endergonic

4 H2O .4 x 57 - 228 kcal Proces exergonic

228 kcal 84 kcal stocai n energie biologic util (ATP)

100 kcal X

X = 37% ()

BILANUL CHIMIC I ENERGETIC AL CICLULUI KREBS CUPLAT CU LANUL RESPIRATOR

Restul de energie, nestocat n ATP este consumat sub diferite forme:

cldur, energie mecanic, osmotic, etc.

Apa rezultat n urma oxidrii hidrogenului intr n fondul metabolic de

ap al celulei.

52

Concluzii

Semnificaia metabolic a ciclul Krebs

1.) Ciclul Krebs are caracter de universalitate.

Este prezent la toate vieuitoarele, de la cele mai simple la cele

complexe, inclusiv la plante.

Este prezent n toate celulele organismului, cu excepia hematiilor.

Prin cuplarea cu lanul respirator, este o cale final de degradare,

comun i obligatorie, de transformare a componentelor din

principiile alimentare (glucide, lipide, proteine).

2.) Localizarea intracelular a reaciilor ciclului Krebs este cea

intramitocondrial, n apropierea componentelor lanului respirator.

53

3.) Ciclul Krebs este n esen un proces de oxidare, i anume a

CH3-CO~SCoA/CH3-COOH prin cuplare cu lanul respirator. Ciclul

Krebs se desfoar exclusiv n condiii de aerobioz, pentru a

permite oxidarea echivalenilor reductori din NADH2 i FADH2.

4.) Ciclul Krebs este un proces formator de CO2.

5.) CO2 se formeaz prin decarboxilarea oxidativ a cetoacizilor,

nu prin combinarea direct a carbonului i a oxigenului molecular,

ceea ce subliniaz importana proceslor de decarboxilare n

lumea vie.

6.) Ciclul Krebs este un proces ciclic. n acest proces are loc

rennoirea acidului oxalilacetic.

54

7.) Ciclul Krebs este un proces amfibolic. Este n primul rnd catabolic,

deoarece CH3-CO~SCoA se degradeaz la CO2 dar are i caracter

anabolic, deoarece are lor formarea unor intermediari foarte

importani n biosinteza altor compui: hem, purine, pirimidine, acizi

grai, steroli.

8.) Ciclul Krebs, prin cuplarea cu lanul respirator, este un proces

puternic eliberator de energie; oxidarea unei singure molecule de

CH3-COOH presupune stocarea energiei n 12 molecule de ATP.

Cuplarea ciclului Krebs cu lanul respirator la nivel mitocondrial

reprezint principala surs de energie biologic la organismele

chimiosintetice.

O a doua surs major de energie biologic o constituie fotosinteza.55