METABOLISM ENERGETIC

Curs 4 17.03.2015Hormoni sexualiNoiuni de bioenergeticEnergia liber de reacieCompui macroergici

Sursa de energie pentru toate formele de via de pe pmnt este radiaia solar.

Totalitatea transformrilor care au loc ntr-un organism viu poart denumirea de metabolism

Dup funciile sale de baz, metabolismul este alctuit din :

1.Catabolism, presupune degradarea constituenilor celulari la compui mai simpli cu mobilizare de energie

2.Anabolism, presupune refacerea constituenilor celulari din precursori cu consum de energie

Pentru nelegerea metabolismelor:glucidicproteiclipidic

este necesar cunoaterea unor aspecte ale energeticii chimice (bioenergetic)

Noiuni de bioenergeticTermodinamica biochimic studiaz transformrile energetice care nsoesc reaciile biochimice

Obiectul de studiu al termodinamicii este reprezentat de sistemele termodinamice.

Sistemele termodinamice, reprezint poriuni din univers separate real sau imaginar de mediul nconjurtor (izolate, nchise, deschise)

Funciile de stare reprezint valori bine definite ale unor mrimi variabile (temperatur, presiune, numr de moli, etc.), ce caracterizeaz o anumit stare a sistemului.

Analiza termodinamic are n vedere starea iniial i cea final a unei reacii; nu d indicaii cu privire la mecanismul i viteza cu care sistemul a trecut din starea iniial n cea final

Ex. oxidarea unui mol de glucoz, pn la CO2 i H2OC6H12O6 + O2 6CO2 + 6H2O n bomba calorimetric 685 kcal n organism glucoz A B .6CO2 + 6H2O energia (685 kcal) se elibereaz n pachete

Timpul i viteza nu apar n relaiile termodinamice. Cu aceste mrimi opereaz cinetica chimic.

Legile termodinamicii sunt relaii matematice ntre funciile de stare:

1.Principiul I, principiul conservrii energieiafirm c energia universului este constantEnergia nu poate fi creiat nici distrus, ea poate suferi doar transformri dintr-o form n alta sau poate trece de la un sistem la altul.

2.Principiul al II-lea, principiul evoluieistabilete sensul n care au loc transformrile nsoite de schimbri de energieorice transformare liber i spontan se face n direcia creterii entropiei ansamblului constituit din sistem i mediul nconjurtor.

Termodinamica este important pentru determinarea direciei reaciilor enzimatice

Energia liber Energia intern a unui sistem este:

E = G + TS

G = energia liber, convertibil la temperatur constant n lucru utileste reprezentat de ceea ce este ordine i poate deveni dezordine

S = energia legat = energie care nu poate fi transformat n lucru util (la temperatur constant)(dezordinea nu se poate transforma la aceiai temperatur n ordine)

In termodinamic se opereaz cu variaii n coninutul energetic al sistemului cnd acesta sufer o transformare.

D E = D G + T DS

Cnd D E = 0, sistemul nu a absorbit i nici nu a cedat energie mediului la trecerea de la starea iniial la cea final. D G = - T DSO parte a energiei libere a devenit entropie, dezordine.

In organismele vii aproape toate transformrile au la baz reacii chimice

Cum este G pentru reaciile chimice ?

Energia liber de reacie A + B C + D

Variaia energiei libere la trecerea reactanilor n rezultani:D G = Grezultani Greactani

DG se numete energie liber de reacie.

Energia liber de reacie, se exprim n Kcal, i msoar gradul de spontaneitate al transformrii

Dup valoarea lui D G, reaciile chimice pot fi mprite n :reacii exergonice, pentru care DG < 0 reacia poate efectua travaliu;reacii endergonice, pentru care DG > 0reacia nu poate efectua travaliu;reacii la echilibru, pentru care DG = 0reacia este endergonic n ambele sensuri

Cum are loc transferul de energie de la procesele catabolice la cele anabolice ?

Energia liber este o mrime aditivEnergia liber pe o cale metabolic este: D Gtotal = D G1 + D G2 + D G3 +

dac D Gtotal < 0, calea metabolic este exergonic (catabolic),

dac D Gtotal > 0, calea metabolic este endergonic (anabolic)

Cunoaterea energiei libere n reaciile chimice este posibil prin legarea ei de mrimi relativ uor msurabile:Constanta de echilibruPotenialul redox

Energia liber este o mrime extensivDG depinde deconcentraiile reactanilor i ale rezultanilor pentru o reacie : A + B C + D

unde R este constanta general a gazelor (1,98 cal/mol/grad), T este temperatura absolut la care se desfoar reacia (273 K + 250C).

Pentru a putea compara energeticdiferite reacii chimice s-a introdus mrimea

Energia liber de reacie standard

se definete o stare standard T standard este de 250 C + 273p = 1 atmosferconcentraia iniial a compuilor este de 1M [A] = [B] =[C] =[D]rezult DG = D G0

Energia liber de reacie standard (DG0)reprezint variaia energiei libere ntr-o reacie n care:concentraiile iniiale ale reactanilor i ale rezultanilor sunt 1M, t = 250C (uneori 370C) i p = 1 atm.

La echilibru: D G = 0 0 = D G0 + RT ln KechilibruD G0 = - RT ln KechilibruD G0 = - 2,36 log Kechilibru

Kechilibru se poate determina prin determinarea concentraiilor lui A, B, C i D la echilibru Cu ajutorul Keq se poate calcula D G0

Energia liber de reacie standard pentru pH = 7 (DG0`)[H+] = 10-7 n loc de 1M n organismele vii

Valorile D G0` pentru diferite procese biochimice

Tipul reaciei ReaciaD G0` (kcal/mol)OxidareAcid palmitic + 23 O2 16 CO2 + 16 H2O- 2338,0OxidareGlucoz + 6O2 6 CO2 + 6 H2O-686,0HidrolizZaharoz + H2O Glucoz + Fructoz- 5,5HidrolizGlucozo-6-P + H2O Glucoz + Pi-3,4HidrolizATP + H2O ADP + PI -7,3IzomerizareGlucozo-1-P Glucozo-6-P-1,7EliminareAcid malic Acid fumaric + H2O-0,88Condensare Glicin + Glicin Glicilglicin + H2O+2,2CondensareAcid glutamic + NH3 Glutamin + H2O+3,4

DG pentru reaciile de oxido-reducere Reaciile redox au loc prin transfer de electroni ntre doi compui Ared + Box Aox + Bred

sistem redox = cupluri Ared i Aox sau Box i Bred, formate din forma redus i forma oxidat ale aceluiai compus

Dac ntr-o soluie se afl dou sisteme redox, electronii vor trece de la sistemul cu afinitate mai mic pentru electroni (sistemul reductor), spre cel cu afinitate mai mare (sistemul oxidant).

Tendina sistemelor redox de a ceda sau primi electroni (caracterul lor oxidant sau reductor), se msoar cu ajutorul potenialelor redox (E)

Calcularea energiei de reacie prin legarea ei de potenialul redox standardDG0`=-nFDE0

n=numar de electroniF=constanta Faraday (23,62 kcal)E0 =potenial redox standard =diferena de potenial dintre -o semicelul cu sistemul redox de cercetat n conc. 1M i -o semicelul de referin (acid tare cu [H+]=1M n care se barboteaz H2 la p=1 atm.) cu potenial zero

E0` se obine adugnd -0,421 voli la E0 (potenialul redox al unui electrod de hidrogen la [H+]=10-7 ioni/l fa de electrodul normal de hidrogen)

Potenialele redox sunt diferene de potenial ntre dou sisteme redox cuprinse n compartimente diferite:

electronii pot circula prin intermediul a doi electrozi conectai printr-un conductorionii circul prin intermediul unei puni realizat prin ncorporarea unui electrolit (KCl), ntr-un gel de agar

Componentele celulei de oxido-reducere.(dou sisteme redox cuprinse n compartimente diferite; o punte format dintr-un gel de agar n care este ncorporat un electrolit (KCl), prin intermediul creia ionii circul ntre cele dou compartimente; doi electrozi conectai printr-un conductor prin intermediul crora circul electronii ntre cele dou compartimente; un voltametru intercalat n circuit cu care se msoar diferena de potenial ntre cele dou cellule).

Un sistem redox oxideaz toate sistemele cu poteniale mai mici, dup cum el este oxidat de toate sistemele cu poteniale mai mari, mai pozitive.

Reaciile redox sunt puternic exergonice.

D G0` depinde de diferena de potenial (E0`) dintre participanii la reacii, potrivit relaiei: D G0` = - n F DE0` unde:n numrul de electroni transferai;F echivalentul caloric al lui Faraday 23,062 kcal;DE0` -diferena dintre potenialele redox standard ale reactanilor.

Deoarece potenialele redox sunt uor de msurat, relaia permite evaluarea efectelor energetice ale proceselor redox din organism.

Potenialele redox (E0`) ale unor sisteme biochimice

Sistem redoxE 0 ` (V)OxidantReductor O2 + 2H+ H2O0,82Citocrom c (Fe3+)Citocrom c (Fe2+)0,22Ubichinona (Q)Ubichinol (QH2)o,1oDehidroascorbatAscorbat0,08FumaratSuccinat0,03PiruvatLactat-0,19GSSG2 GSH-0,23NAD+(NADP+)NADH (NADPH)-0,322H+H2-0,42

Compui macroergici

Compui macroergicilegtura care prin hidroliz elibereaz 7,3 kcal/mol = legtur macroergic (~)

pentru hidroliza unei legturi pirofosforice din ATP DG0` = -7,3 kcal/mol.

Compusul care are n structura sa o legtur macroergic este un compus macroergic

Compui cu legturi macroergice (exemple) Nucleozid trifosfaii NTP (ATP, GTP, TTP, UTP, CTP) 2 leg ~ P Nucleozid difosfaii NDP (ADP, GDP,TDP, UDP, CDP) 1 leg ~P

ATP poate fi hidrolizat astfel: ATP + HOH ADP + Pa DG0` = -7,3 kcal/mol

ATP + HOH AMP + PPa DG0` = -7,3 kcal/mol

pirofosfataza:PPa + HOH 2 Pa DG0`= - 9 kcal/mol.

in vivo lipsete enzima pentru reacia:ADP + HOH AMP + Pa DG0` = -7,3 kcal/molnici reacia invers nu este posibil

In muchiul care efectueaz contracii puternice n anaerobioz, adenilat kinaza (miokinaz) catalizeaz reacia:

Reacia catalizat de adenilat kinaz

permite utilizarea legturii macroergice din ADP pentru sintez de ATP; -AMP = semnal metabolic, activnd glicoliza muscular n scopul producerii de ATP.

Acid 1,3-bisfosfogliceric-metabolit glicolitic cu leg macroergic de tip anhidrid acid:

Acidul fosfoenolpiruvic cuprinde o legtur ~ P, de tip fosfoenol

Fosfocreatina conine o legtur fosfoamidic

n stare de repaus creatinfosfatul se poate acumula n anumite limite n muchi, constituindu-se ca o rezerv de legturi macroergice.

Carbamilfosfatul intermediar n procesul de sintez a ureei conine o legtur macroergic prin a crei hidroliz se elibereaz D G0` = -12,3 kcal/mol:

Tiolesterii (R-CO~SCoA)tiolesterii coenzimei A cu acizii grai:CH3-(CH2)14-CO~SCoA + HOH CH3-(CH2)14-COOH + CoA-SH DG0` = -7,5 kcal/mol.

Factori care imprim anumitor legturi caracterul macroergic:

-stabilizarea prin rezonan a produilor de reacieAcidul fosforic este stabilizat prin rezonan fa de acidul pirofosforic

Acidul carboxilic i acidul fosforic prezint fiecare mai multe structuri limit n rezonan dect anhidrida carboxil-fosforic

Prin reacia de hidroliz se micoreaz repulsiile electrostatice dintre sarcini de acelai fel din molecula reactantului.

Prezena ionilor de Mg2+ n celule

Legtura macroergic din acidul fosfoenolpiruvic este de tip enol-fosforic

Legtura P-O din AMP nu este macroergic.In celule nu exist enzim care s asigure scindarea acestei legturi.Hidroliza AMP se poate efectua in vitro: AMP + HOH Adenozin + Pa D G0` = - 3,4 kcal/mol

ATP se afl la mijlocul unei ierarhii termodinamice a compuilor fosforilai. ATP reprezint moneda de schimb n tranziiile energetice. ATP nu se depoziteaz, concentraia intracelular a ATP nedepind 1mM.

Valorile D G0` pentru reaciile de hidroliz ale unor compui macroergici i ale unor compui care nu sunt macroergici.

CompusulDG0`Acidul fosfoenol piruvic-14,8Carbamilfosfatul-12,3Acidul 1,3-bisfosfogliceric-11,8Creatinfosfatul-10,5Acil-CoA-7,5ATP ADP + Pa-7,3Glucozo-1-fosfatul-5,0Glucozo-6-fosfatul-3,3Glicerol-3-fosfatul-2,2

Transportul energiei n sisteme biologice (prin reacii cuplate)

dou moduri de cuplare:

a.unul dintre produii reaciei exergonice este reactant n reacia endergonic

b.printr-un intermediar energetic comun, care n lumea vie este ATP

ATP-ul intermediar comun metaboliccupleaz transferul de energie de la compuii macroergici, cu fosforilarea ADP i utilizarea ulterioar a energiei transferate pe ATP n reaciile endergonice.

Compui cu potenial mare de fosforilare

Activarea glucozei prin transformarea n glucozo-6-fosfat:

ATP + HOH ADP + Pa D G0` = -7,3 kcal/molglucoz + Pa glucozo-6-fosfat + HOH D G0` = +3,3 kcal/mol-----------------------------------------------------------------------------------------glucoz + ATP glucozo-6-fosfat + ADP

Activarea glicerolului:glicerol + ATP glicerol-fosfat + ADPReacia este catalizat de glicerol kinaz. DG0` = -7.3 + 3,3 = -4 kcal/mol

Activarea aminoacizilor:aminoacid + ATP + ARNt aminoacil~ARNt + AMP + PPa

Activarea acizilor grai:Pentru formarea legturii macroergice C~S este nevoie de mai mult de 7,3 kcal/mol.

Utilizarea metabolic a celorlali nucleozid trifosfaiUTP este utilizat pentru activarea glucozei la derivatul UDP-glucoz

CTP este utilizat n metabolismul lipidic

Att ATP ct i GTP se utilizeaz pentru sinteza legturilor peptidice

Nucleozidtrifosfatii cu riboz si dezoxiriboz particip la sinteza acizilor nucleici

Legturile macroenergice din aceti NTP provin tot din ATP prin reacia catalizat de nucleozid difosfat kinaz:NDP + ATP ADP + XTP

Sinteza ATP n celulele animale se face prin:fosforilare la nivel de substrat;fosforilare oxidativ.

Sinteza de ATP prin fosforilare la nivel de substrat2 reacii n glicoliz:-oxidarea gliceraldehidei-3-fosfat urmat de hidroliza acidului 1,3 bisfosfogliceric -transformarea acidului 2-fosfogliceric n acid piruvic

1 reacie n ciclul Krebs:-decarboxilarea oxidativ a acidului a-cetoglutaric urmat de transformarea succinil~CoA acid succinic

Sinteza de ATP prin fosforilarea oxidativ n lanul respiratorNADH 3 moli ATPFADH2 2 moli ATP

*****