Metabolism

9. Introducere în metabolismul substanţelor şi energiei

9.1. Aspecte generale

Organismele vii realizează un schimb continuu de energie şi informaţie cu mediul extern, ele fiind, din punct de vedere termodinamic, sisteme deschise. Ansamblul reacţiilor chimice care asigură acest proces poartă denumirea de metabolismul substanţelor şi al energiei.

Termenul de metabolism intermediar (interior) se referă la căile metabolice şi semnifică faptul că metabolismul are loc prin secvenţe de reacţii, cu un număr mare de produşi intermediari.

Pătrunderea substanţelor în organism şi eliminarea produşilor lor de transformare reprezintă metabolismul general (exterior).

Compuşii chimici transformaţi în cursul acestor reacţii poartă denumirea de metaboliţi.

Metabolismul substanţelor şi energiei cuprinde, în primul rând, refacerea permanentă a componentelor organismului pierdute ca urmare a activităţii sale vitale şi, în al doilea rând, asigurarea energiei necesare pentru formarea unei serii întregi de substanţe proprii organismului, pentru mişcare, secreţie, excreţie, fenomene electrice şi alte forme de manifestare a vieţii.

Metabolismul substanţelor reprezintă, în sine, un ansamblu de multe procese diverse şi contrare: fiziologice (alimentaţie, înmulţire etc.), fizico-chimice (absorbţie, difuziune etc.), chimice (descompunerea şi sinteza substanţelor). Ele alcătuiesc un iureş permanent, autoperfecţionabil şi autoreglabil de substanţe în organismele vii, care este însoţit de o permanentă autoreînnoire a materii vii.

Biochimia produselor alimentare

Metabolismul substanţelor are loc în condiţiile şi ca rezultat al interacţiunii permanente dintre materia vie şi cea nevie, a organismului cu mediul; de aceea procesul şi însăşi caracterul acestui metabolism este în strânsă dependenţă de condiţiile mediului exterior. Mecanismele moleculare de transformare a compuşilor organici specifici (proteine, acizi nucleici, lipide, zaharuri etc.) acţionează numai în intervale determinate de temperatură, presiune, radiaţie şi alţi parametri. Tipul metabolismului substanţelor se constituie în procesul activităţii vitale a organismului ca unitate între factorii interni ţi externi. În aceasta şi constă unitatea dintre organism şi mediu.

Acea parte a metabolismului general al substanţelor care constă în absorbţia, acumularea, asimilarea de către organism a substanţelor din mediul înconjurător, în crearea, sinteza pe seama lor a compuşilor săi structurali poartă denumirea de anabolism.

Acea parte a metabolismului general al substanţelor care constă în descompunerea substanţelor ce alcătuiesc organismul , în eliminarea produşilor acestei descompuneri din organism, poartă denumirea de catabolism. Asocierea acestor două părţi constituie un proces unitar al metabolismului substanţelor.

În consecinţă, metabolismul substanţelor este unitatea proceselor contrare de alimentaţie şi eliminare, absorbţie şi degradare, sinteză şi descompunere etc., adică unitatea proceselor de asimilaţie şi dezasimilaţie.

Catabolismul reprezintă, în primul rând, descompunerea enzimatică a macromoleculelor hranei (proteine, lipide, glucide) care se desfăşoară cu precădere, pe seama reacţiilor de hidroliză şi oxidare.

Pe parcursul catabolismului se formează mai multe molecule mici (acid lactic, acid acetic, CO2, NH3 etc.) ceea ce determină o eliminare de energie liberă care se înmagazinează sub forma legăturilor macroergice din ATP.

Anabolismul reprezintă sinteza enzimatică a moleculelor relativ mari şi a complexelor supramoleculare din precursori simpli (sinteza polizaharidelor din monozaharide etc.), ceea ce necesită un aport de energie furnizată de ATP.

Catabolismul şi anabolismul decurg simultan în celule şi sunt strâns legate între ele; de exemplu, în descompunerea glucozei, prima reacţie o reprezintă sinteza unui compus mai complex – glucozo-6-fosfatul.

Există o mare varietate de căii anabolice şi catabolice: căile liniare, cele mai simple, unde produsul fiecărei reacţii catalizate de o enzimă este substrat pentru următoarea; căile ciclice, care presupun cuplarea compusului A cu M, substanţa rezultată fiind transformată pe parcursul mai multor etape în aşa fel încât A este degradat la X, iar M se regenerează şi poate să reacţioneze cu o nouă moleculă de A; căi ciclice care se întrepătrund prin intermediul unui compus; căi cu una sau mai multe bifurcaţii (fig. 9.1).

Caracteristic pentru procesele catabolice ale glucidelor, lipidelor şi proteinelor este faptul că ele converg spre o cale finală comună. Căile anabolice prezintă, dimpotrivă ,numeroase ramificări, ceea ce permite formarea dintr-un număr mic de compuşi iniţiali a unui număr foarte mare de compuşi celulari. Aceste caracteristici

266

Introducere în metabolismul substanţelor şi energiei

ale catabolismului şi anabolismului reflectă un principiu fundamental al organizării materiei vii, respectiv o economie maximă a compuşilor şi reacţiilor.

P

X

AY

(d)

A XP (a)

X M

P

A

(b)A

Y

Q

R

S

P

X

(c)

Fig. 9.1. Tipuri de căi metabolice: a) liniară; b) ciclică; c) întrepătrunse; d) cu bifurcaţii

În virtutea principiului maximei economii ar fi de aşteptat ca şi succesiunea de reacţii ale unei căi anabolice să fie parcurse în sensul invers al căii catabolice corespunzătoare, ceea ce presupune ca toate reacţiile să fie reversibile. Această situaţie nu se întâlneşte însă decât în mod parţial. Faptul are mai multe explicaţii. În primul rând, unele reacţii caracteristice din catabolism sunt energetic imposibile pentru anabolism. În al doilea rând, procesele de degradare şi sinteză decurg în compartimente celulare diferite (de exemplu, degradarea în mitocondrii şi sinteza în citoplasmă); această compartimentare permite desfăşurarea simultană a celor două procese . In al treilea rând, căile de sinteză şi cele de degradare diferă în ce priveşte reglarea prin mecanisme genetice şi allosterice.

9.2. Principiile bioenergeticii

Fiecare reacţie enzimatică de transformare a unei substanţe într-un proces metabolic este însoţită de o transformare de energie. În unele etape ale catabolismului energia chimică este depozitată (de regulă sub formă de ATP), iar în anumite etape ale anabolismului, ea este consumată. Relaţiile energetice sunt strâns condiţionate de interacţiunea proceselor anabolice şi catabolice: de fiecare dată când are loc sinteza unor substanţe mai complexe care necesită consum de energie, concomitent cu aceasta trebuie să aibe loc procese care furnizează energie – procese de descompunere sau oxidare. Procesele care decurg cu eliberarea de energie se numesc exergonice, iar procesele care decurg cu consum de energie, endergonice.

La plantele verzi energia pătrunde în organism sub formă de cuante de lumină.

267


Organismele care sunt capabile să-şi sintetizeze compuşii organici proprii organismului lor din compuşi anorganici, se numesc organisme autotrofe.

Pe cea mai înaltă treaptă de autotrofism se găsesc plantele şi algele verzi al căror metabolism este bazat pe fotosinteza clorofiliană. În categoria organismelor autotrofe intră şi bacteriile nitrificatoare fixatoare de azot şi alte microorganisme de mai mică importanţă: bacterii feruginoase, sulfuroase etc.

Celelalte organisme, şi în primul rând animalele, care necesită compuşi organici gata sintetizaţi se numesc heterotrofe. Acelaşi caracter îl au şi majoritatea microorganismelor (bacterii, drojdii, mucegaiuri). În aceste organisme, energia pătrunde, în special, sub forma energiei legăturilor chimice ale compuşilor organici.

Formarea substanţelor proprii heterotrofelor decurge pe calea chimosintezei, adică a sintezei pentru care energia se procură pe seama energiei compuşilor chimici, care, de regulă, sunt de natură organică, în procesul descompunerii cărora se şi eliberează energia necesară sintezei.

Fiecare compus organic care intră în constituţia materiei vii posedă un anumit potenţial energetic total (H), care grupează energia de legătură a atomilor (energia electronică), precum şi energiile de vibraţie, de rotaţie, de translaţie. Biochimia se interesează mai puţin de energia internă a unei molecule, dar mai mult de variaţia de energie în cursul unei reacţii sau unui proces metabolic.

Ca urmare, din energia totală, numai o parte (G) este disponibilă şi poate fi utilizată pentru a efectua un travaliu. Această energie se numeşte energie liberă. Modificarea energiei libere a sistemului (G) la trecerea sa dintr-o stare în alta reprezintă criteriul de apreciere a transformării chimice în conformitatea cu legile termodinamicii.

Relaţia dintre aceste mărimi se poate prezenta astfel:

H = G + TS

unde:T – este temperatura absolută;S – variaţia entropiei sistemului;H – variaţia entalpiei sistemului care corespunde variaţiei energiei totale măsurabilă experimental pe cale calorimetrică, sub forma căldurii degajate sau absorbite.

Termenul TS exprimă variaţia energiei legate a sistemului, adică a acelei părţi din energia totală care nu poate fi transformată într-o formă oarecare de travaliu util (mecanic, chimic, electric, etc.), ci rămâne numai sub formă de căldură şi se disipează.

Din relaţia de mai sus, variaţia energiei libere este:

G = H - TS

Când variaţia energiei libere are loc în condiţii standard (temperatura 25°C, presiunea 1 atm, concentraţia 1 M şi pH=7,0) se foloseşte termenul dG°, iar energia liberă pentru un compus dat se notează ΔGs.

268


Pentru un proces chimic:

ΔG°=RT ln K

în care R este constanta gazelor (8,31 J/mol), iar K-constanta de reacţie.

Relaţia dintre entropie (S) şi energia liberă arată sensul desfăşurării unei reacţii. Pentru reacţiile spontane S>0 şi G<0, pentru cele de echilibru (procesul nu mai are loc), G=0 şi S=0, iar pentru cele care nu se petrec spontan şi este necesară energia din afara sistemului pentru a le induce, S<0 şi G>0.

Toate reacţiile în care creşte entropia (S) şi scade energia liberă (G) se petrec exergonic, adică sistemul cedează energie. Cu cât ΔS are o valoare mai mare, cu atât gradul de ireversibilitate al reacţiei respective este mai mare.

Reacţiile în care ΔS scade şi ΔG creşte vor fi endergonice şi vor necesita energie din afara sistemului pentru a se produce. Acest tip de procese nu sunt posibile din punct de vedere termodinamic dacă ele nu sunt legate de un sistem exergonic în care entropia corespunzătoare (ΔS) creşte atât încât să compenseze micşorarea ei în sistemul endergonic.

Energia liberă şi potenţialul chimic apar în acest fel ca o măsură a afinităţii chimice şi ca indicatori ai sensului de desfăşurare a reacţiilor biochimice. Sistemul care nu se găseşte în echilibru suferă modificări spontane numai dacă prin aceasta energia liberă se micşorează (ia naştere o energie liberă negativă). La echilibru nu au loc nici un fel de modificări spontane ale energiei libere, iar scoaterea sistemului din echilibru necesită o energie suplimentară. Principalii purtători de energie liberă în compuşii organici sunt legăturile chimice dintre atomi. De aceea, la formarea legăturilor chimice într-o moleculă, nivelul energiei libere a compusului se modifică.

În general, nivelul energetic al unei legături chimice care se formează sau se rupe într-o moleculă ce se transformă se evaluează prin modificarea nivelului energiei libere, care este egal cu aproximativ 3 kcal/mol (12,5kj/mol). Un asemenea nivel al energiei libere se constată la modificările majorităţii legăturilor compuşilor organici.

Sunt şi cazuri, însă, în care la formarea sau ruperea unor legături, nivelul energiei libere din molecula unor tipuri de compuşi organici poate ajunge la 6 kcal/mol şi chiar mai mult. O modificare sensibilă a energiei libere standard (G°) de hidroliză se întâlneşte, de exemplu, la unii compuşi fosforilaţi:

Compuşii KJ / mol Kcal / molFosfoenol piruvat - 61,9 - 14,81,3 – difosfoglicerat - 49,4 - 11,8Creatinfosfat - 43,1 - 10,3Acetilfosfat - 42,0 - 10,1ATP - 30,4 - 7,3Glucozo-1-fosfat - 21,0 - 5,0Fructozo-6-fosfat - 15,8 - 3,8Glucozo-6-fosfat - 13,8 - 3,3Glicerol-1-fosfat - 9,2 - 2,2

269


Compuşii ale căror molecule conţin legături ce dau prin hidroliză o cantitate importantă din energia liberă se numesc compuşi macroergici, iar legăturile la a căror transformare au loc puternice modificări ale balanţei energetice a substanţei se numesc legături macroergice.

Legăturile macroergice sunt în primul rând legăturile esterice (printre care şi tiosterice), fosfoamidice şi anhidridice. Ca urmare, aproape toţi compuşii cu legături macroergice conţin atomi de fosfor şi sulf, după locul cărora în moleculă sunt localizate şi legăturile macroergice.

Energia care ia naştere la ruperea legăturilor macroergice este absorbită de sinteza unor compuşi organici cu un nivel al energiei libere mult mai înalt decât cel iniţial. În acelaţi timp, rezervele de compuşi macroergici din organism sunt mereu completate pe seama energiei acumulate şi care se eliberează prin scăderea nivelului energetic al substanţelor ce se descompun. În felul acesta, compuşii macroergici îndeplinesc funcţia şi de donori şi de acceptori de energie în metabolismul substanţelor.

Poziţia centrală între compuşii macroergici o ocupă ATP. Capacitatea ATP de a stoca şi ceda energie, adică de a forma sistemul ATP-ADP, ocupând o poziţie intermediară pe scara termodinamică a compuşilor fosforilaţi, determină funcţia acestui sistem de intermediar, transportor al grupărilor fosfat bogate în energie de la compuşii fosforilaţi cu conţinut înalt de energie, situaţi pe scara termodinamică mai sus de ATP, la compuşi mai puţin bogaţi în energie, care, acceptând fosfatul, se activează. În felul acesta, ATP are un rol esenţial în procesele bioenergetice.

ATP intervine şi în metabolismul unor compuşi macroergici. Sinteza în organism a multor altor asemenea substanţe decurge prin intermediul ATP. Un rol important în acest metabolism îl are şi formarea altor nucleozidtrifosfaţi (5'-guanozintrifosfat, 5'-uridintrifosfat, 5'-citidintrifosfat) care pot, ca şi ATP, să servească ca surse de energie în procesele de biosinteză.

Ca urmare, metabolismul substanţelor şi energiei reprezintă un proces unitar, continuu, în care modificarea unei substanţe este însoţită întotdeauna de o eliberare sau absorbţie de energie şi în care se eliberează sau se absoarbe aceeaşi cantitate de energie care asigură descompunerea sau sinteza legăturilor chimice, adică în fond modificarea acelei substanţe.

Trebuie avut în vedere că energia liberă care se produce prin descompunerea compuşilor macroergici şi pe seama căreia se poate efectua un anumit travaliu se foloseşte nu numai pentru sinteza chimică. Ea poate servi în organism pentru formarea căldurii, acumularea de electricitate, efectuarea unor activităţi mecanice etc. În aceste cazuri energia chimică se transformă, prin participarea obligatorie a compuşilor macroergici (în special a ATP), în căldură, electricitate, energie mecanică etc.

Interacţiunea descrisă poate fi redată astfel:

270


Interacţiunea poate fi, de asemenea, ilustrată sub forma „inelului energetic”(figura 9.2.).

Fig. 9.2. Schema interacţiunii dintre proceseleexergonice şi endergonice care au loc

cu participarea ATP.

9.3. Caracteristica metabolismului intermediar

Funcţiile specifice ale metabolismului intermediar constau în:

- absorbţia din mediul exterior a energiei, care pătrunde sau sub forma energiei chimice a compuşilor organici din hrană (la heterotrofe), sau sub formă de energie solară (la autotrofe);

- sinteza biomoleculelor necesare pentru îndeplinirea diferitelor funcţii specifice ale celulei;

- descompunerea biomoleculelor celulare pentru formarea energiei necesare diferitor funcţii specifice ale celulei.

271


Metabolismul intermediar cuprinde sute de reacţii enzimatice diferite, deoarece produşii unei reacţii enzimatice servesc ca substrat al altei reacţii, care reprezintă următoarea etapă a metabolismului. Existenţa unei asemenea succesiuni este legată de faptul că, în reacţiile enzimatice are loc o rupere a unor grupări funcţionale de la un substrat şi transferul lor la moleculele acceptorului, care la rândul său devin substrat pentru următoarea reacţie. În calitate de grupări funcţionale, în majoritatea reacţiilor metabolismului intermediar, iau parte grupările amino, acetil, fosfat, formil, carboxil sau chiar atomi de hidrogen.

În felul acesta, reacţiile enzimatice care decurg în celulă reprezintă un proces în mai multe trepte, unitar, precis organizat în spaţiu şi timp. Succesiunea acestui proces metabolic este uimitor de identic la toate formele de viaţă, îndeosebi în partea centrală a căilor metabolice.

În catabolismul compuşilor macromoleculari se disting trei stadii principale.

În primul stadiu proteinele, acizii nucleici, lipidele, glucidele se descompun prin hidroliză în părţi componente, cu masă moleculară relativ mică, care servesc fie ca „elemente de construcţie” pentru sinteza biomoleculelor celulare, fie ca substrat energetic : proteinele - în aminoacizi, acizii nucleici – în nucleotide; lipidele – în acizi graşi, glicerină şi alţi componenţi, polizaharidele – în monozaharide.

Aceste transformări au loc, îndeosebi, în tractul gastrointestinal al animalelor, dar se pot produce şi intracelular.

În al doilea stadiu catabolic, produşii care se formează în primul stadiu, pe calea oxidării anaerobe, se transformă în molecule mai simple, al căror număr nu este mare. Astfel, acizii graşi, glicerina, monozaharidele se descompun până la acetil-CoA, iar aminoacizii - până la acetil-CoA şi acid α-cetoglutaric, acid succinic, acid fumaric şi acid oxalacetic.

Produşii care se formează în stadiul II, trec în stadiul III, care pentru toţi este comun şi în care ei se oxidează aerob până la dioxid de carbon şi apă. Acest, al III-lea stadiu comun constituie aşa numitul ciclul acidului citric sau ciclul acizilor tricarboxilici, cuplat cu lanţul transportorilor de electroni sau prescurtat lanţul respirator (catena de respiraţie).

Procesul de anabolism, care are loc în celule simultan cu catabolismul, include de asemenea, trei stadii. Substanţele iniţiale pentru procesele de sinteză sunt furnizate de stadiul III al catabolismului. În felul acesta, ciclul acidului citric reprezintă, în acelaşi timp, al treilea stadiu al catabolismului şi primul, stadiu iniţial, al anabolismului. Acest ciclu furnizează α-cetoacizii pentru sinteza proteinelor, acetil-CoA şi CO2 pentru sinteza acizilor graşi şi glucidelor. În stadiul II al anabolismului din aceste substanţe iniţiale se formează aminoacizi, monozaharide, acizi graşi şi alte „elemente de construcţie”, din care în stadiul III al anabolismului se sintetizează proteine, lipide, glucide etc. (fig. 9.3).

Deşi anabolismul şi catabolismul au loc în celule în mod simultan şi există o reversibilitate naturală a reacţiilor catalizate de enzime, nu există o deplină coincidenţă între căile catabolice şi anabolice ale unui anumit precursor şi produsul său corespunzător datorită unei deosebiri esenţiale între etapele enzimatice ale acestor căi, diferenţei de localizare intracelulară a sistemelor enzimatice ale

272


Fig. 9.3. Schema stadiilor catabolismului şi anabolismului(liniile continui – căile catabolice; liniile punctate – căile anabolice)

catabolismului şi anabolismului şi, în sfârşit, deosebirii între mecanismele de reglare a lor.

Căile catabolice şi anabolice ale metabolismului sunt legate de un stadiu comun, reprezentat de ciclul acidului citric, însoţit de catena de respiraţie, care este definit ca fiind calea centrală sau calea amfibolică a metabolismului. Calea amfibolică, pe de o parte este utilizată pentru finalizarea degradării moleculelor

273


care se formează în stadiul II al catabolismului şi, în acelaşi timp, această cale furnizează moleculele ce reprezintă precursorii pentru stadiul II al anabolismului.

Concomitent cu transformarea substanţelor în reacţiile enzimatice ale metabolismului intermediar, se produce eliberarea şi utilizarea energiei, adică are loc metabolismul energetic. Eliberarea energiei chimice prin catabolism decurge cu grade diferite în cele trei etape ale sale.

Prin descompunerea hidrolitică a compuşilor macromoleculari se eliberează o cantitate foarte mică de energie (mai puţin de 1% din energia de oxidare a acestor compuşi). O cantitate apreciabilă de energie se eliberează în reacţiile de glicoliză, de oxidare a acidului lactic, a glicerinei, acizilor graşi, aminoacizilor etc., adică în stadiul de descompunere a „elementelor de construcţie” a proteinelor, acizilor nucleici, polizaharidelor, lipidelor. În finalul acestor reacţii se formează trei produşi de bază care au importanţă deosebită sub aspect energetic: acetil-CoA, acidul α-cetoglutaric şi acidul oxalacetic. Aceste substanţe sunt supuse oxidării ulterioare în ciclul acidului citric care funcţionează însoţit de catena de respiraţie.

Ca rezultat al acestei etape se eliberează 2/3 din întreaga energie de descompunere a substanţelor. Energia eliberată este parţial transformată în căldură, iar aproximativ 40% din ea se acumulează pe calea sintezei compuşilor macroergici- în special sub formă de energie a legăturilor fosfat din ATP, precum şi din GTP, UTP, CTP.

ATP se sintetizează pe cale enzimatică, in prezenţa kinazei, din ADP şi fosfor anorganic:

ADP + Pi → ATP (conservarea şi stocarea energiei)

Reacţiile enzimatice în care are loc transferul grupărilor fosfat cu formarea ATP sunt însoţite în anumite etape de eliberarea energiei în reacţiile de oxidare ale procesului de catabolism.

Moleculele de ATP pot fi transferate în acele componente celulare care necesită energie. Altfel vorbind, în sistemele vii, energia eliberată intr-un anumit punct, poate fi cedată sub forma compuşilor macroergici în alt punct, unde ea este utilizată direct pentru desfăşurarea unei reacţii chimice.

La transferul grupării fosfat terminale de la ATP la un anumit acceptor se produce eliberarea energiei chimice a ATP, prin care ATP se transformă în ADP, iar acceptorul, primind energie, are posibilitatea de a efectua un anumit lucru.

ATP → ADP + P (generare de energie)

Conversia ATP la ADP este un proces exergonic în care se eliberează o mare cantitate de energie chimică utilă (7,3 Kcal/mol) (fig. 9.4).

Însă, ATP utilizat în reacţiile de biosinteză poate ceda nu numai gruparea ortofosfat, ci şi gruparea pirofosfat, formându-se AMP şi eliberându-se o cantitate şi mai mare de energie:

ATP → AMP + PPi

274


Fig. 9.4. Conversia ATP la ADP

Pirofosfatul rezultat este hidrolizat rapid sub acţiunea pirofosfatazei:

PPi + H2O → 2 Pi

reacţie în care se eliberează aproximativ aceeaşi cantitate de energie ca la hidroliza ATP. Această energie suplimentează energia eliberată prin scindarea ATP în AMP şi PPi.

În felul acesta energia care se eliberează în procesul de catabolism prin reacţiile de oxidare şi care se acumulează în legături macroergice, poate fi folosită în diferite reacţii de sinteză în procesele metabolice.

Asemănător transferului energiei sub forma energiei legăturilor fosfaţilor există un transfer al energiei sub forma transferului de electroni.

Electronii scoşi în catabolism prin reacţiile de oxidare, sunt cedaţi grupărilor reduse în reacţiile metabolice cu ajutorul coenzimelor care îndeplinesc rol de transportori de electroni. Cel mai important transportor al electronilor bogaţi în energie în aceste reacţii este NADP, care ia parte, de exemplu, la transferul energiei ce se eliberează prin oxidarea glucidelor pentru reacţia de sinteză a acizilor graşi.

275

Metabolism

Documents

Transcript of Metabolism