Transportul de Electroni

7/27/2019 Transportul de Electroni

1/20

XVI. TRANSPORTUL DE ELECTRONI

XVI.1. CLASE DE ENZIME TRANSPORTOARE DE ELECTRONI

La fluxul electronilor particip patru tipuri de enzime de oxido-reducere sau proteine care transport electroni de la substrate organice laoxigen. Ele sunt dehidrogenaze legate de nucleul piridinic (piridin-dependente, care necesit NAD sau NADP drept coenzime), dehidrogenazelegate de nucleul flavinic (flavin-dependente, care coninflavinadenindinucleotidul, FAD, sau flavinmononucleotidul, FMN, ca grupareprostetic, proteinele cu fier i sulf i citocromii (care conin inelul porfiriniccu fier ca i grupare prostetic. n plus fa de aceste proteine, n transportulde electroni funcioneaz i coenzima solubil n lipide numit ubiquinon sau

coenzima Q.

XV.1.1. Hidrogenaze legate de piridin

Ei se mai numesc piridinodepentente. Se cunosc peste 200 de enzimedin aceast categorie, care funcioneaz n diferite ci metabolice icatalizeaz n general reaciile:

Substrat redus + NAD+

+ +

substrat oxidat + NADH + H+

substrat oxidat + NADPH + H+

n funcie de piridinnucleotidul preferat. Aceste reacii implic transferulreversibil a doi echivaleni reductori de la substrat , sub forma unui ion dehidrur (H-), la poziia 4 a inelului nicotinic (n form oxidat) a nucleotiduluipiridinic. Cellat atom de hidrogen este eliberat de pe substrat ca i proton.Perechea de electroni care se elibereaz de pe substrat se va lega de nucleulpiridinic.

65


2/20

Piridinnucleotidele sunt legate necovalent i slab de dehidrogenazaproteic. NAD i NADP trebuie deci privite nu ca grupri prostetice fixe, cica substrate, deoarece n cele mai multe cazuri, ele se leag i se disociaz de

centrul activ n timpul ciclului catalitic. Nucleotidele piridinice servesc astfelca transportori disociabili de electroni.

Multe dehidrogenaze piridin-dependente au fost obinute n starepur, de exemplu, glicerinaldehid-3-fosfat dehidrogenaza, lactatdehidrogenaza i malat dehidrogenaza. Unele dehidrogenaze piridindependente sunt localizate n mitocondrii (-hidroxi-butirat dehidrogenaza),altele n citoplasm (lactat dehidrogenaza) iar altele (malat dehidrogenaza)se gsesc n ambele compartimente. n celulele animale NAD se gsete ncantitate mai mare dect NADP. n ficat cel puin 60% din NAD se afl n

mitocondrii, iar restul se gsete n citoplasm.

+ H+

CONH2

R

HH

+C=O

CH2

COO-

COO-

oxalilacetat

NAD+

COO-

COO-

CH2

HO-C-H+

OHOH

O O

OHOH

NH2

NADH

N

N

N

NO

N

N

O CH2-O-P-O-P-O-CH2

O- O- +

Alte piridin dehidrogenaze conin strns legai ioni metalici divaleni;alcool dehidrogenaza (conine Zn+2). Aproape toate dehidrogenazele piridindependente au o comportare cinetic tipic pentru reacii cu dou substrate,n care exist o secven obligatorie pentru aezarea substratului i acoenzimei la centrul activ. Nucleotidul piridinic este substratul coordonator

66


3/20

i trebuie s se aeze primul pe centrul activ dup care se leag i substratul.Dup transferul echivalenilor reductori de la substrat la coenzim(transferul are loc pe centrul activ al enzimei) substratul oxidat se desprinde

primul urmat de coenzima redus. Datorit acestei secvene obligatorii deinteraciune exist n mod normal dou complexe binare, E-NAD+ i E-NADH, i dou complexe ternare care particip n ciclul catalitic.

XVI.1.2. Hidrogenaze legate de flavin (flavin dependente) i oxidaze

Aceste enzime conin strns legate ca i grupri prostetice, fie flavinmononucleotidul (FMN), fie flavin adenin dinucleotidul (FAD).

Partea activ a FMN i FAD, care particip la reacii de oxido-

reducere, este ciclul aloxazinei din partea riboflavinei, care este redusreversibil. n aceast reacie are loc transferul direct a unei perechi de atomide hidrogen de la substrat pentru a genera formele reduse ale FMN i FADnotate cu FMNH2 i FADH2.

SH2 + E-FMN

SH2 + E-FAD

S + E-FMNH2

S + E-FADH2

H3C

H3C

O

O

CH2-O-P-O

-

H-C-OH

H-C-OH

H-C-OH

CH2

O-

O

CH2

H-C-OH

H-C-OH

H-C-OH

O

O-

O

OHOH

NH2

O

N

N

N

NH

N

N N

N

FMN

N

N

N

NH

O

O

H3C

H3C

CH2-O-P-O-P-O-CH

2

O-

FAD

67


4/20

H3C

H3C

R

O

O

forma oxidat forma redus

N

N

N

NH

N

N

N

NH

O

R

H3C

H3C

H

H

Cele mai importante dehidrogenaze flavin dependente se gsesc ncurentul principal al respiraiei i a transportului de electroni, toate localizaten mitocondrii:

1) NADH-dehidrogenaza, care conine FMN i catalizeaz transferulde electronilor de la NADH la urmtorul membru al lanului transportor deelectroni;

2) succinat dehidrogenaza, activ n ciclul acidului tricarboxilic;3) dehidrolipoil dehidrogenaza, un component al sistemului piruvat i

-cetoglutarat dehidrogenazelor;4) acil-CoA dehidrogenaza, care catalizeaz prima etap de

dehidrogenri din oxidarea acizilor grai.Exist nc multe alte enzime care conin flavina i care catalizeaz

alte oxido-reduceri n afar de cele din fluxul principal al transportului de

electroni, ca de exemplu, D-aminoacid oxidaza, xantin oxidaza, orotatoxidaza i aldehid oxidaza.Dehidrogenazele flavin dependente difer semnificativ de cele piridin

dependente prin aceea c flavin nucleotidul este strns legat de moleculaenzimei i astfel funcioneaz, mai de grab, ca i grupare prostetic dect cao coenzim, flavin nucleotidul nu prsete enzima n timpul sau dupefectuarea ciclului catalitic. n cele mai multe flavin dehidrogenaze, incluzndNADH dehidrogenaza, flavin nucleotidul este legat necovalent, constantelede disociere sunt n domeniul 10-8 - 10-11 M. Astfel de flavin enzime pot fidisociate dac sunt supuse aciunii electroliilor tari sau la pH cobort. n alteflavinenzime, ns, cum ar fi succinat dehidrogenaza, flavin nucleotidul estelegat covalent printr-o legtur ntre ciclul izoaloxazinic al FAD i un restimidazolic al proteinei.

68


5/20

N

N

N

NH

H2C

H3C

O

O

N

NR

CH2

-OC-CH-NH-

Enzimele de oxidoreducere flavin dependente pot fi plasate n douclase, i anume, dehidrogenaze i oxidaze, n funcie de capacitate lor de areaciona cu acceptorii de electroni. La flavindehidrogenazele de tipul NADHdehidrogenazei i succinil dehidrogenazei exist o tendin foarte slab saudeloc, a reoxidrii formei reduse a flavinnucleotidului de ctre oxigenulmolecular. Spre deosebire de acestea flavinoxidazele reduse sunt reoxidatede oxigenul molecular cu formare de ap oxigenat.

Unele flavoproteine conin, pe lng flavinnucleotid, i metale nspecial fier i molibden. Flavoproteinele cu fier conin, de asemenea, atomi de

sulf reactivi. Cnd flavoproteinele cu fier i sulf sunt tratate cu acizi, sedegaj hidrogen sulfurat. Deoarece nu exist hem n aceste proteine, fieruleste numit fier nehemic. Atomii de fier din aceste flavoproteine sufertranziia Fe(II) - Fe(III) i par s participe la transferul de electroni ctre i dela gruparea prostetic flavinic.

XVI.1.3. Proteine cu fier - sulf.

Proteinele cu fier-sulf conin n molecula lor fier i sulf liberabil cuacizi, n cantiti echimoleculare. Prima protein cu fier-sulf descoperit afost ferodoxina, identificat ntr-o bacterie anaerob Clostridiumpasteurianum capabil de a fixa azotul atmosferic. Masa molecular aproteinei fier-sulf este n domeniul 6000 - 100000 sau mai mare.

XVI.1..4. Citocromi

69


6/20

Citocromii sunt proteine transportoare de electroni care coningrupri porfirinice cu fier, fiind prezeni numai n celulele aerobe. Unii suntlocalizai numai n membrana mitocondrial intern, unde acioneaz

secvenial pentru a transporta electonii provenii de la diferite sisteme aledehidrogenazelor pn la oxigenul molecular. Ali citocromi se afl nreticolul endoplasmatic, unde joac un rol important n reaciile dehidroxilare specializate. Toi citocromii sufer tranziii reversibile de valenFe(II) - Fe(III) n timpul ciclului lor catalitic. Formele reduse nu pot fioxidate de oxigenul molecular, cu excepia citocromului terminal alrespiraiei mirocondriale i anume citocromul a3 sau citocrom c oxidaza, careconine, de asemenea, cupru strns legat. n mitocondriile animalelorsuperioare, unde lanul respirator a fost cel mai bine studiat, cel puin cinci

citocromi diferii au fost identificai n membrana intern: citocromii b, c 1, c,a i a3. Cel puin unul dintre acetia, citocromul b, se gsete n dou sau maimulte forme. n plus fa de citocromii gsii numai n membrana internmitocondrial, un alt tip, citocromul b5, se gsete n n reticululendoplasmatic.

N NH

NNH

1

2 3

5

67

8

4

orfirina

Inelul porfirinic nu este prezent numai n diferite proteine cu hem, cii n clorofila plantelor verzi. Porfirinele pot fi considerate ca i derivaitetrapirolici.

70


7/20

H3C

H3C

CH3

CH3

CH=CH

CH=CH2

COOH COOH

CH2CH2

CH2CH2

roto orfirina IX

N NH

NNH

Porfirinele sunt denumite i clasificate pe baza substituienilor lanuluilateral, de exemplu, etioporfirin, mezoporfirin, uroporfirin, coproporfirini protoporfirin. Dintre acestea protoporfirinele sunt cele mai abundente.

Protoporfirina conine patru grupri metil, dou grupri vinil i dou grupride acid propionic. Se pot scrie 11 izomeri diferii ai protoporfirinei prinpoziiile ocupate de substituienii de mai sus. Dintre toate, numai una singurse gsete n natur i anume protoporfirina IX. Aceast structur se afl nhemoglobin, mioglobin i n mai muli dintre citocromi.

Protoporfirina formeaz compleci chelai quadridentai cu ionii defier, magneziu, zinc, nichel, cobalt i cupru, n care metalul este legat prinpatru legturi coordinative. Un astfel de complex chelat al protoporfirinei cuFe(II) se numeteprotohem sau simplu hem; un complex similar cu Fe(III) se

numete hemin. n hem cei patru liganzi ai porfirinei formeaz un complexplan-patratic cu fierul. Poziiile de coordinare 5 i 6 ale fierului suntperpendiculare pe planul porfirinei. Cnd poziiile de cordinare 5 i 6 suntocupate, structura care rezult este un hemocrom sau hemocromogen. nmioglobin sau hemoglobin poziia a 5-a este ocupat de grupareaimidazolic a unui rest de histidin, iar poziia a 6-a este fie neocupat(dezoxihemoglobin, dezoximioglobin), fie ocupat cu oxigen(oxihemoglobin, oximioglobin) sau cu ali liganzi, de exemplu, monoxidulde carbon.

71


8/20

N N

NN

Fe

X

X (sau Y)

n funcionarea normal a hemoglobinei i a mioglobinei, atomul defier nu sufer modificri ale valenei n timp ce oxigenul este prins i desprins,el rmne Fe(II). Att hemoglobina ct i mioglobina pot fi oxidate la Fe(III)de ctre agenii oxidani cum ar fi fericianura de potasiu, cu schimbareaculorii de la rou la brun. Produii respectivi care nu funcioneaz ca itransportori de oxigen se numesc methemoglobine. La citocromi, atomul defier sufer transformri reversibile Fe(II) - Fe(III); citocromii servesc latransport de electroni, iar hemoglobina acioneaz ca transportor de liganzi(oxigen).

Citocromii cu o singur excepie, sunt foarte strns legai de

membrana mitocondrial i deci sunt dificil de obinui n stare solubil ipurificat pn la omogenitate. Citocromii c se extrag uor cu soluii saline.Citocromul c din multe specii a fost obinut n stare cristalizat i i s-adeterminat secvena de aminoacizi. Gruparea protoporfirinic cu fier acitocromului c este legat covalent de protein prin puni de tioesteri ntreinelul porfirinic i dou resturi de cistein de pe lanul polipeptidic.

n hemoglobin i mioglobin ca i n citocromii b inelul porfiriniceste legat necovalent i poate fi izolat prin extracie din proteina acidulat cupiridin sau cu ali solveni.

Citocromii a i a5, denumii mpreun citocrom c oxidaz, enzimrespiratorie, sau ferocitocromul c oxigen oxidoreductaza, merit o ateniedeosebit. n loc de protohem, aceti citocromi conin hem A, care difer deprotohem prin aceea c n loc de gruparea metil din poziia 8 are grupareformil i n poziia 2 o caten hidrofob izoprenic cu 17 atomi de carbon nlocul grupei vinil.

72


9/20

HO

H3C

H3C

CH3

CH3

CH=CH2

COOH COOH

CH2CH2

CH2CH2

N

N

N

Fe

N

Hemul A(gruparea prostetica a citocromului aa3)

XVI.1.5. Ubiquinona (Coenzima Q)

Pe lng proteinele care particip la transferul de electroni, descrisemai sus, o coenzim liposolubil, numit ubiquinon sau coenzim Q,particip, de asemenea, la transportul electronilor de la substrate organice laoxigen n lanul respirator a mitocondriei. Aceast coenzim, este o chinonreductibil n mod reversibil, are o caten lateral lung, izoprenoid. Secunosc mai multe ubiquinone care difer ntre ele prin lungimea cateneiizoprenoide (ntre 6 i 10 uniti).

73


10/20

H3CO

H3CO

CH3

(CH2-CH=C-CH2)nH

CH3

O

O

+2e- +2H+

-2e-

-2H+

CH3

(CH2-CH=C-CH2)n

CH3

H3CO

H3CO

OH

OH

XVI.2. TRANSPORTUL DE ELECTRONI, LANUL RESPIRATOR

O. Warburg descoper c anionul CN- chiar n cantiti extrem demici inhib aproape total consumul de oxigen al celulelor i esuturilor,deoarece CN- nu inhib dehidrogenazele, ns formeaz compleci foarte

stabili cu fierul (un exemplu este fericianura). Warburg a postulat c oxidareabiologic necesit prezena unei enzime cu fier (enzima respiratorie) i dupopinia sa activarea oxigenului de ctre aceast enzim reprezint mecanismulde baz implicat n oxidarea biologic. Pe de alt parte H. Wieland a postulatc activarea atomilor de hidrogen este procesul de baz implicat n oxidareabiologic i c nu este nevoie ca oxigenul molecular s fie activat pentru areaciona cu hidrogenii activai de dehidrogenaze. Vederile opuse ale luiWieland i Warburg i anume activarea oxigenului fa de activareahidrogenului, au fost, mai trziu, unificate de A. Szentgyrgyi, care apostulat c ambele procese au loc i c flavoproteinele joac un rolintermediar n transportul de electroni ntre dehidrogenaze i enzimarespiratorie.

Secvena de reacii ale transferului de electroni din lanul respirator dela NAD la oxigen este bine cunoscut. Electronii sunt trecui prin lanulrespirator prin intermediul flavoproteinelor (NADH-dehidrogenaz), NADHeste forma sub care electronii sunt colectai de la diferitele substrate, cuajutorul dehidrogenazelor NAD-dependente. Pe de alt parte, alte substrateale respiraiei sunt dehidrogenate de dehidrogenazele flavin-dependente, cumsunt succinat dehidrogenaza i Ac-CoA dehidrogenaza, care vars electronii

n lan prin intermediul ubiquinonei.Astfel, NAD+ i ubiquinona servesc la colectarea echivalenilorreductori de la substrate ale respiraiei, oxidate de dehidrogenaze priridin,respectiv flavin dependente, ilustrnd, nc o dat, principiul convergenei ncile metabolice.

74


11/20

NADH + H+ + FMNFMNH2 + 2Fe.S(III)

2Fe.S(II) + 2H+ + Q

QH2 + 2citocrom b(III)2citocrom b(II) + 2citocrom c(III)2citocrom c(II) + 2citocrom a(III)2citocrom a(II) + 2citocrom a3(III)

2citocrom a II + 1/2O + 2H+

NAD+ + FMNH2FMN + 2Fe.S(II) + 2H+

2Fe.S(III) + QH2

Q + 2H+

+ 2citocrom b(II)2citocrom b(III) + 2citocrom c(II)2citocrom c(III) + 2citocrom a(II)2citocrom a(III) + 2citocrom a3(II)2citocrom a III + H O

Existena secvenelor de reacie de la NAD la oxigen prezentat maijos este sprijinit de mai multe dovezi experimentale.

alfa-Cetoglutarat

FP6

NAD FP1(4Fe.S) Q (2Fe.S) cyt b(Fe.s)cyt c1

cyt c

cyt aa3

locul I locul II

locul III

ATPTP

ATP

Piruvat

FP5Malat

Izocitrat

Glutamat3-Hidroxiacil-CoA

Acid gras- CoAGlicerofosfat

FP3FP4

Succinat

FP2

Antimicina ARotenonaAmital

n primul rnd este n concordan cu valorile potenialelor standardde oxidoreducere ale diferiilor transportori de electroni, care devin maipozitive pe msur ce electronii de la substrat la oxigen. n al doilea rndexperiena reconstruirii n vitro cu transportori de electroni izolai din celulau artat c NADH poate reduce NADH-dehidrogenaza, dar nu poatereduce direct citocromul c, ci necesit prezena ubiquinonei i citocromilor bi c1 i o protein fier-sulf, ct i un complex de NADH-dehidrogenaz i unasau mai multe proteine cu fier-sulf.

XVI.3. ENERGETICA TRANSPORTULUI DE ELECTRONI

Modificarea energiei libere standard are loc atunci cnd dou perechiconjugate redox, cu potenial de oxidoreducere cunoscute reacioneaz ntreele este dat de ecuaia:

'

o

oEnFG =

=

75


12/20

unde n este numrul de electroni transferai, F este numrul lui Faraday(23062 cal/V) i Eoeste potenialul cuplului donor-acceptor de electroni.Aceast ecuaie ne permite calcularea schimbrii de energie liber standardcare are loc atunci cnd o pereche de echivaleni reductori este transferatde la NADH (Eo= -0,32 V) la oxigenul molecular (Eo= +0,82 V), adicdealungul ntregului lan respirator:

Go = -2,23062[0,82 - (-0,32)] = -52700 cal/mol = -52,7 kcal/mol

Acest calcul termodinamic, evident, este independent de calea urmatde electroni i nu necesit cunoaterea moleculelor transportoare i nici

mecanismul de transport. Pentru sinteza unui mol de ATP, la pH 7,0 dinADP i fosfat avem:

Go = +7,3 kcal/mol

Scderea energiei libere n timpul trecerii unei perechi de electroni de laNADH la oxigen molecular este suficient pentru a permite sinteza nu numaia uneia ci a mai multor molecule de ATP din ADP. Se tie astzi c treimolecule de ATP sunt generate n timpul trecerii unei perechi de electroni

dealungul lanului respirator de la NADH la oxigen molecular, proces numitfosforilare oxidativ sau lan respirator.

XVI.4. TRANSHIDROGENAZE, PIRIDIN-NUCLEOTIDE

esutul animal i microorganismele conin enzime care catalizeazreacia:

NADPH + NAD+ NADP+ + NAD

Aceast reacie permite utilizarea echivalenilor reductori ai NADPH dectre lanul respirator, care, n mod normal, accept electroni de la NADH cadonor apropiat. Prin reacia invers se permite reducerea NADP+ n scopuribiosintetice. Astfel de enzime se numesc piridin-nucleotid sau NAD(P)+

transhidrogenaze.n esuturile animale NAD(P)+ transhidrogenaza este localizat n

membrana mitocondrial, de unde se poate extrage cu detergeni. Sensulreaciei de transhidrogenare n mitocondria intact depinde de energia

76

ATP + H 2Pa + ADP


13/20

produs de transportul de electroni i de prezena ATP. Viteza de reacie dela NADPH la NAD+ este de obicei mai mare dect viteza n sens invers. Deimecanismul acestui efect este neclar, NADPH generat n acest fel joac un

rol important ca reductor n reaciile biosintetice.

XVI.5. UTILIZAREA OXIGENULUI DE CTRE OXIGENAZE

Dei cea mai mare parte a oxigenului molecular consumat de celuleleaerobe este redus cu formare de ap, pe seama electronilor care circul pelanul respirator mitocondrial, mici cantiti de oxigen sunt folosite n reaciienzimatice n care unul sau ambii atomi de oxigen sunt direct introdui pesubstrate organice cu formare de grupe hidroxil. Enzimele care catalizeaz

astfel de reacii se numesc oxigenaze i sunt incluse n dou clase.Dioxigenazele catalizeaz introducerea a amblor atomi de oxigen pe diferitesubstrate, n timp ce monoxigenazele introduc numai un hidroxil.

XV.5.1. Dioxigenaze

Dioxigenazele numite i oxigen-transferaze, catalizeaz reacii detipul:

AH2 + O2 A(OH)

n care, AH2 este molecula de substrat, iar A(OH)2 este forma sa hidrolizat,de obicei, cele dou grupe hidroxil introduse sunt fie adiacente fie vicinale. nastfel de reacii, produsul A(OH)2 este adesea ori instabil i are loc ruperealegturii C - C ntre grupele hidroxil vicinale. Toate enzimele par s coninfier, cteva conin i cupru. Un exemplu important este triptofan-2,3-dioxigenaza, unic prin faptul c fierul este legat sub form de hem. Enzimacatalizeaz o etap din degradarea oxidativ a triptofanului.

H

NH2

tri tofan

NH2

O2

N-formilkinureninN

CH2-CH-COOH CO-CH2-CH-COOH

NH-CHO

XVI.5.2. Monoxigenaze.

77


14/20

Monoxigenazele sau hidroxilazele, catalizeaz introducerea unuisingur atom de oxigen pe un substrat organic, cellalt atom de oxigen este

redus la ap. Monoxigenazele necesit un al doilea substrat care s cedezeelectroni pentru reducerea celui de al doilea atom de oxigen. Ecuaiageneral a reaciei este:

AH + XH2 + O2 AOH + HOH + X

n care AH este substratul ce va fi hidroxilat, XH 2 este donor de electroni,AOH este substratul hidroxilat, iar X donorul de electroni oxidat.

Cele mai simple monoxigenaze, acelea din bacterii, sunt

flavoproteinele care conin FAD i catalizeaz secvena de reacii:

NAD(P)H + E-FAD

E-FADH2 + AH + O2

NAD(P)+ + E-FADH2

E-FAD + AOH + HO

unde E reprezint oxigenaza.O reacie ceva mai complicat, catalizat de monoxigenaz, este

aceea catalizat de enzima hepatic, fenilalamin hidroxilaz sau cu numelenou fenilalanin-4-monoxigenaz. n aceast reacie ultimul donor deelectroni necesar pentru a reduce atomul de oxigen la ap este NADPH, darechivalenii reductori sunt transferai intermediarului tetrahidrobiopterinei, ocoenzim a crei structur seamn cu a acidului tetrahidrofolic.

XVI.6. TRANSPORTUL DE ELECTRONI MICROZOMAL

Multe reacii de hidroxilare din esutul animal sunt catalizate desisteme enzimatice mai complexe dect mono i dioxigenazele descrise maisus. Reticulul endoplasmatic, fraciunea microzomal, conine, legat de el,

sisteme de transport de electroni nefosforilante, care particip nu numai lahidroxilri, dar i n reacii de desaturare. Unul din sistemele microzomale detransport ale electronilor n ficat este format dintr-o flavoprotein numitNADPH-citocrom P450 reductaz i un citocrom specializat, citocrom P450,adesea numit simplu P450, n unele organisme particip, de asemenea, oprotein cu fier i sulf.

Microzomii hepatici catalizeaz hidroxilarea multor tipuri desubstrate printre care steroizii, acizii grai, squalenul i anumii aminoacizi.Tot n fraciunea microzomal sunt hidroxilate o serie de medicamente, ca de

78


15/20

exemplu, fenobarbitalul, morfina, codeina, amfetamina i hidrocarburilecancerigene. Flavoproteina i P450 sunt inductibile, concentraiile lor cretemult n ficatul animalelor tratate cu barbiturice sau cu alte medicamente.

Microzomii hepatici au i al doilea tip de lan nefosforilanttransportor de electroni, care include flavoproteinele citocrom b5 reductazai citocrom b5, un citocron gsit n reticulul endoplasmatic dar nu i nmembrana mitocondrial intern. Aceste dou proteine au fost purificate istudiate n amnunt. Acest tip de lan transportor de electroni microzomaleste foarte activ n desaturarea acizilor grai.

XVI.7. SUPEROXID DISMUTAZA I CATALAZA

n timpul transportului de electroni spre oxigenul molecular pe calealanului mitocondrial, ca i n diferite reacii de oxidare i hidroxilare, se potforma produi toxici rezultai prin reducerea parial a oxigenului. Cei maiimportani produi toxici sunt anionul superoxid O22- i peroxidul dehidrogen, care sunt extrem de reactivi i capabili de a distruge activitateabiologic a unor macromolecule.

Cercetrile lui I. Fridovich au pus n eviden, n celulele aerobe, oenzim,superoxid dismutaze, care catalizeaz reacia:

2O2-2 + 2H+ H2O2 + O

Superoxid dismutaza se gsete n dou forme, una n citoplasmaextramitocondrial i alta n mitocondrie. Superoxid dismutaza mitocondriala celulelor eucariote este asemntoare superoxid dismutazei din multebacterii att n ce privete coninutul de Mn2+ ct i n secvena aminoacizilor.Forma de superoxid dismutaz din poriunea lichid a citoplasmei are ostructur diferit i conine Cu2+ i Zn2+. Aceste enzime se gsesc n cantitatemare i sunt foarte active, ceea ce sugereaz c radicalul superoxid esteprodus n mod continu n timpul reducerii enzimatice a oxigenului de ctre

diferite enzime i sisteme enzimatice i de aceea este necesar ndeprtarealui rapid.Peroxidul de hidrogen format de superoxid dismutaz i de oxidazele

flavin dependente este descompus de ctre o hemoprotein numit catalaz,n reacia:

H2O2 H2O + 1/2O2

79


16/20

Catalaza se gsete n microcorpusculii celulelor animale, care se denumesci peroxizomi.

Aciunea protectoare a superoxid dismutazei i catalazei este

completat de acidul ascorbic, glutationul redus, vitamina E, care acceptuor electroni i sunt un mijloc eficient pentru eliminarea radicalilor liberi.

XVI.8. FOSFORILAREA OXIDATIV

Vom examina procesul de cuplare a energiei n lanul respirator,avnd ca rezultat formarea de ATP din ADP i fosfat anorganic pe socotealaenergiei produs prin transportul electronilor la oxigen.

XVI.8.1. Cuplarea fosforilrii oxidative cu transportul de electroniTransportul de electroni de la NADH la oxigen este sursa direct a

energiei folosite pentru fosforilarea cuplat a ADP. NADH pur a fost incubatn condiii aerobe cu mitocondrii tratate cu ap, fosfat i ADP, n absenaintermediarilor din ciclul acidului tricarboxilic sau a altor metabolii organici.NADH a fost rapid oxidat la NAD+ pe seama oxigenului molecular, n acelaitimp s-au format molecule de ATP pe seama consumului de ADP i fosfat. nlanul transportor de electroni de la NADH la oxigen, n trei puncte, energiaeste transformat n legturi macroergice. Din acest motiv, fosforilarea

oxidativ ar putea fi denumitfosforilarea lanului respirator.Ecuaia global pentru fosforilarea lanului respirator poate fi scris:

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

Aceast ecuaie poate fi separat ntr-un component exoterm:

NADH + H+ + 1/2O2 NAD+ + H2

Go = -52,7 kcal/mol

i un component endoterm:

3ADP + 3Pa 3ATP + 3H2

Fosforilarea cuplat a trei molecule de ATP conserv, astfel, 21,9/52,7x100,sau 42% din scderea enrgiei libere totale n impul tranferului unei perechi deelectroni.80


17/20

n diagram se vede c exist trei locuri n lan, n care se producscderi relativ mari a energiei libere, fiecare suficient pentru a pune ladispoziie energie pentru formarea ATP din ADP i fosfat. Acestea sunt

denumite locul I(poriunea ntre NADH i coenzima Q), locul II (poriuneantre citocromul b i citocromul c) i locul III(poriunea dintre citocromul ai oxigen). Astfel, lanul respirator poate fi privit ca un dispozitiv pentrudesfacerea n poriuni mai mici a masei de scderi de energie liber.

NADH Fe.S FMN Fe.S

ADP + Pa

ADP + Pa

ADP + PaATP + H2O ATP + H2O

ATP + H2O

Q

b c1 c a a3 O2

XVI.8.2. Bilanul energetic al oxidrii glucozei

81


18/20

Din datele pe care le-am parcurs se vede c pentru fiecare moleculoxidat de piruvat se formeaz 12 molecule de ATP, n cele patru etape ncare particip i NAD, de exemplu, oxidarea piruvatului, izocitratului, -cetoglutaratului i malatului, 2 molecule de ATP sunt formate n timpuloxidrii succinatului (oxidare catalizat de flavin) i 1 molecul de ATP seformeaz prin fosforilarea la nivel de substrat pe socoteala succinil-CoApentru a da n total 15 ATP formai pe molecula de piruvat oxidat. Decioxidarea complet a piruvatului rspunde la ecuaia:

Piruvat + 2O2 + 15Pa + 15ADP 3CO2 + 15ATP + 17H2

Se poate scrie acum un set de reacie pentru oxidarea aerob a

glucozei la dioxid de carbon i ap i conservarea energie libere sub form deadenozintrifosfat. Pentru secvena glicolitic pn la piruvat avem ecuaia:

2 piruvat + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2

Glucoza + 2Pa + 2ADP + 2NAD+

iar pentru ciclul acidului tricarboxilic:

2Piruvat + 5O2 + 30ADP + 30Pa 6CO2 + 30ATP + 34H2

La aceasta se adaug ecuaia pentru oxidarea a 2 molecule de NADHextramitocondrial formate n timpul conversiei glucozei n piruvat. Oxidareaextramitocondrial a glucozei mai poate genera 2 sau 3 molecule de ATPpentru o pereche de electroni, depinznd de modul n care NADH intr nmitocondrie. Dac presupunem c dou molecule de ATP sunt generate deacest proces, avem:

2NADH + 2H+

+ O2 + 4Pa + 4ADP 2NAD+

+ 4ATP + 6H2

Suma ecuaiilor va fi:

Glucoz + 6O2 + 36Pa + 36ADP 6CO2 + 6H2O + 36ATP

Componenta exoterm:

Glucoza + 6O2 6CO2 + 6H2

82


19/20

Go = -686 kcal/mol

Componenta endoterm:

36Pa + 36ADP 36ATP + 36H2

Go = -263 kcal/mol

Eficiena global a recuperrii energiei n cursul oxidrii complete a glucozeieste astfel 263/686x100 = 38% n condiii standard. n condiii intracelulareeficiena este mult mai mare.

XVI.8.3. Decuplarea i inhibiia fosforilrii oxidative

Mecanismul la nivel molecular al fosforilrii oxidative a fos problemacare a inut treaz atenia cercettorilor. Fosforilarea oxidativ esteinfluenat de o serie de ageni chimici.

XVI.8.3.1. AGENI DE DECUPLAREAgenii de decuplare permit transportul electronilor, dar blocheaz

fosforilarea ADP la ATP, adic decupleaz reaciile de producere de energiede acelea care conserv energia. Caracteristica lor este aceea de a stimulaviteza de absorbie a oxigenului de ctre mitocondria intact n absena ADP.n plus, ei stimuleaz foarte mult activitatea de hidroliz a ATP nmitocondrie; n absena agenilor decuplani, mitocondria are foarte puinactivitate ATP-azic. Primul agent de decuplare, 2,4-dinitro-fenolul, a fostdescoperit de W. F. Loomis i F. Lipmann n 1948. Astzi se cunosc foarte

muli ageni decuplani. Cei mai muli sunt substane solubile n lipide careconin o grupare acid i un nucleu aromatic. Aceti ageni nu decupleazfosforilarea glicolitic i nu afecteaz alte reacii celulare n afarafosforilrilor oxidative. Agenii decuplani pot facilita trecerea ionilor H+ prinmembrana mitocondrial, care este impermeabil n mod normal.

XVI.8.3.2. INHIBITORI

83


20/20

A doua clas de ageni, inhibitorii fosforilrii oxidative, difer deagenii decuplani; ei mpiedec att stimularea consumului de oxigen dectre ADP, ct i fosfatilarea ADP la ATP. Aceti inhibitori, ns, nu inhib

direct nici unul dintre transportorii de electroni al lanului respirator. nschimb, ei mpiedec mecanismul de formare a ATP, de a utilizaintermediarul macroergic sau starea generat de transportul de electroni. nconsecin, transportul de electroni nu poate continua dac intermediarulmacroergic nu este consumat. Antibioticul oligomicina este prototipul acesteiclase de inhibitori din care mai fac parte rutamicina, aurovertina, trietiltinaetc.

XVI.8.3.3. AGENI IONOFORI

A treia clas de ageni, ionoforii, produc descompunerea striiintermediare macroergice numai n prezena unui cation monovalent.Reprezentantul tipic al acestei clase este antibioticul valinomicina carenecesit prezena ionului de potasiu pentru ai exercita efectul inhibitor. Aliageni ai acestei clase sunt antibioticele negericina i nonantina. Prezenaionului de sodiu este cerut de aciunea gramicidinei.

84

Transportul de Electroni

Documents

Transcript of Transportul de Electroni