Metabolism Energetic

42
METABOLISM ENERGETIC

description

hfdgb

Transcript of Metabolism Energetic

  • METABOLISM ENERGETIC

  • Organismele vii pentru a exista i a se reproduce se afl ntr-un schimb permanent de energie i substan cu mediul nconjurtorSursa de energie pentru toate formele de via de pe Pmnt este radiaia solarTotalitatea proceselor, a transformrilor care au loc ntr-un organism viu poart denumirea de metabolism.

  • Metabolismul este alctuit din secvene de reacii denumite secvene metabolice. n aceste secvene, produsul unei reacii devine substrat pentru urmtoarea reacie din secven, produii succesivi ai reaciilor chimice fiind cunoscui ca metabolii.

  • Metabolismul este alctuit din:Catabolism degradare a constituenilor celulari la compui mai simpli; decurge cu mobilizare (eliberare) de energieAnabolism edificare i refacere a constituenilor celulari din precursori; decurge cu consum de energie

  • BioenergeticTermodinamica biochimic sau bioenergetica, studiaz transformrile energetice care nsoesc reaciile biochimice.Orice eveniment implic modificarea coninutului n energie al sistemelor participante i schimburi de energie ntre sisteme i mediu.Sistemele termodinamice reprezint poriuni din Univers separate real sau imaginar de mediul nconjurtor, care schimb energie cu mediulFunciile de stare reprezint valori bine definite ale unor mrimi variabile (temperatur, presiune, numr de moli) ce caracterizeaz o anumit stare a sistemului

  • Legile termodinamiciiTermodinamica analizeaz modificarea coninutului n energie al unui sistem cnd acesta trece dintr-o stare (starea iniial) n alta (starea final) i schimbul de energie dintre sistem i mediuPrincipiul I, principiul conservrii energiei afirm c energia Universului este constant Energia nu poate fii creeat nici distrus, ea poate suferi doar transformri dintr-o form n alta sau poate trece de la un sistem la altulPrincipiul II, principiul evoluiei, stabilete sensul n care au loc transformrile nsoite de schimbri de energie. Entropia sistemului crete

  • Energia liber Energia intern a unui sistem este suma a dou componente: E = G + TS

    1. Energia liber, convertibil la temperatur constant n lucru util. Ea este reprezentat de ceea ce este ordine i poate deveni dezordine, de ceea ce nu este deja haotizat.

    2. Energia legat reprezint o energie care nu poate fi transformat n travaliu, n lucru util (la temperatur constant). Ea este rezultatul micrii dezordonate a particulelor componente, atomi sau molecule.

  • Energia liber de reacie, reprezint variaia energiei libere la trecerea reactanilor n produi 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 evolueaz spontan de la stnga la dreapta (poate efectua travaliu);reacii endergonice, pentru care DG > 0, reacia nu poate efectua travaliu i necesit pentru desfurarea de la stnga la dreapta energie din exterior;reacii la echilibru, pentru care DG = 0, reacia este endergonic n ambele sensuri i nu poate evolua spontan n nici un sens

  • Energia liber este o mrime aditiv.Energia liber pe toat calea 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)

  • Energia liber este o mrime extensivaceiai reacie poate avea valori DG variabile n funcie de concentraiile reactanilor i ale produilor.

    se definete o stare standard a substanelor i condiii standard de mediu : temperatura standard este de 250 C, presiunea de 1 atmosfer i concentraia molar a compuilor este de 1M.

  • Energia liber de reacie standard (DG0)(DG0), reprezint variaia energiei libere ntr-o reacie n care concentraiile iniiale ale reactanilor i ale produilor sunt 1M, temperatura standard este de 250C (uneori 370C) i presiunea de 1 atmosfer.

    Relaia dintre D G i D G0 pentru transformarea:A + B C + D este

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

  • Cnd concentraia iniial a reactanilor i a rezultanilor este 1M, avem

    La echilibru: D G = 0 0 = D G0 + RT ln Kechrezult: D G = D G0D G0 = - RT ln KechD G0 = - 2,36 log Kech

  • Energia liber de reacie standard la pH = 7 DG0Pentru a respecta condiiile n care se desfoar reaciile n organismele vii, concentraia protonilor se consider a fi 10-7 ( pH=7) n loc de 1M (pH =0)

  • Energia liber pentru reaciile de oxido-reducere Reaciile de oxido-reducere (redox), au loc prin transfer de electroni ntre doi compui.

    Cuplurile Ared i Aox sau Box i Bred , constituite din forma redus i forma oxidat ale aceluiai compus poart denumirea de sistem redox.

    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).

  • Potenialele redox sunt diferene de potenial ntre dou sisteme redox cuprinse n compartimente diferite ntre care electronii pot circula prin intermediul a doi electrozi conectai printr-un conductor, iar ionii 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 voltmetru intercalat n circuit cu care se msoar diferena de potenial ntre cele dou celule.

  • Potenialul redox standard (E0), reprezint diferena de potenial dintre o semicelul cuprinznd sistemul redox de cercetat n concentraie 1M i o semicelul de referin. Sistemul redox de referin este o soluie de acid tare n care [H+] = 1 M i n care se barboteaz H2 la presiunea de 1 atm. Potenialul acestei semicelule este prin convenie, 0.

  • Potenialul redox standard (E0) pentru condiii biochimice, pH = 7, se afl msurnd E0 care este potenialul redox standard al sistemului de oxido-reducere la pH = 0, din care se scad 0,421 voli, ct reprezint potenialul redox al unui electrod de hidrogen n care [H+] = 10-7 ioni/litru fa de electrodul normal de hidrogen.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.

  • Variaia de energie liber (D G0) depinde de diferena de potenial (E0) dintre participanii la reacii, potrivit relaiei: D G0 = - n F DE0unde: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)0,10DehidroascorbatAscorbat0,08FumaratSuccinat0,03PiruvatLactat-0,19GSSG2 GSH-0,23NAD+(NADP+)NADH (NADPH)-0,322H+H2-0,42

  • Compui macroergiciLegtura care este scindat hidrolitic ntr-o reacie puternic exergonic este denumit legtur macroergic i este reprezentat astfel: (~).

    valoarea limit a energiei libere de reacie pentru hidroliza unei legturi macroergice este cea a legturilor pirofosforice din ATP de 7,3 kcal/mol.

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

  • Reacii de hidroliz n care se scindeaz legturi macroergice Nucleozid trifosfaii (ATP, GTP, TTP, UTP, CTP) i nucleozid difosfaii (ADP, GDP,TDP, UDP, CDP) cuprind dou, respectiv o legtur ~P.Energia nmagazinat n ATP poate fi utilizat n dou moduri: Prin scindarea hidrolitic a unui rest fosforil:ATP + HOH ADP + Pa DG0 = -7,3 kcal/molPrin detaarea acidului pirofosforic:ATP + HOH AMP + PPa DG0 = -7,3 kcal/molurmat de hidroliza acestuia catalizat de pirofosfataz:PPa + HOH 2 Pa DG0= - 9 kcal/mol.

  • in vivo lipsete enzima corespunztoare reaciei:ADP + HOH AMP + Pa DG0 = -7,3 kcal/mol Nici reacia invers nu este posibil. Energia conservat n legtura macroergic din ADP poate fi utilizat pentru sintez de ATP prin reacia catalizat de adenilat kinaz (miokinaz), n muchi:

    Este cazul unui muchi care efectueaz contracii puternice n anaerobioz.

  • Reacia catalizat de adenilat kinaz - permite utilizarea legturii macroergice din ADP pentru sintez de ATP;- permite transformarea AMP n ADP; - AMP acioneaz ca semnal metabolic, activnd glicoliza muscular n scopul producerii de ATP.

  • 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

  • Legturi macroergice de tip anhidrid acid la metabolitul glicolitic, acid 1,3-bisfosfogliceric:

  • 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 12,3 kcal/mol:

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

  • Transportul energiei n sistemele biologice, n care temperatura este constant, se face prin reacii cuplate.

    Cuplarea se poate face n dou moduri: cnd unul dintre produii de reacie ai reaciei exergonice este reactant n reacia endergonic (fosforilarea glucozei sau a glicerolului se face, n prezena enzimelor specifice, pe seama energiei eliberate la hidroliza ATP); printr-un intermediar energetic comun, care n lumea vie este ATP.

  • 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.

    CompusulDG0Acidul 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

  • Compuii macroergici fosforilai care la hidroliza gruprilor fosfat prezint DG0 > 7,3 kcal se numesc compui cu potenial mare de fosforilare ATP-ul, intermediar comun metabolic, cupleaz transferul de energie de la compuii macroergici, cu fosforilarea ADP i utilizarea ulterioar a energiei transferate pe ATP n reaciile endergonice.

  • Utilizarea metabolic a ATPActivarea glucozei prin transformarea n glucozo-6-fosfatValoarea D G0 pentru aceast reacie este dat de: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 Reacia este catalizat de hexokinaze.

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

  • Activarea aminoacizilor necesit scindarea ATP la AMP i PPa.aminoacid + ATP + ARNt aminoacil~ARNt + AMP + PPa

    Activarea acizilor grai necesit scindarea ATP la AMP i PPa.Pentru formarea legturii macroergice C~S este nevoie de mai mult de 7,3 kcal/mol.

  • Utilizarea metabolic a celorlali nucleozid trifosfai.Uridintrifosfatul (UTP) este utilizat pentru activarea glucozei la derivatul UDP-glucoz.Citidintrifosfatul (CTP) este utilizat n metabolismul lipidic.Sinteza legturilor peptidice consum energie furnizat att de ATP ct i de GTP.Nucleozid trifosfatii cu riboz si dezoxiriboz particip la sinteza legturilor internucleotidice din acizii nucleici n reactiile catalizate de ARN sau ADN polimeraze.Legturile macroenergice din aceti NTP provin tot din ATP prin intermediul reaciei:NDP + ATP ADP + NTPReacia este catalizat de enzima nucleozid difosfat kinaz

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

  • Sinteza de ATP prin fosforilare la nivel de substrat.- Sinteza de ATP cuplat cu oxidarea gliceraldehidei-3-fosfat (n glicoliz)- Sinteza de ATP cuplat cu transformarea acidului 2-fosfogliceric n acid piruvic (n glicoliz). - Sinteza de ATP cuplat cu decarboxilarea oxidativ a acidului a-cetoglutaric (n ciclul Krebs)

    ******************************************