20.05.2020

Biochimie

Curs XII – Reacții şi căi metabolice Ciclul acizilor tricarboxilici element central al metabolismului celular

Respirația celulară și ciclul acizilor tricarboxilici

18.05.2020

Majoritatea organismelor eucariote și o bună parte din bacteriile ce trăiesc în condiții aerobe îșiobțin energia prin oxidarea nutrienților preluați din mediul extern la CO2 și H2O printr-un proces numitrespirație celulară. În procesul de respirație celulară, electronii și H+ rezultați din oxidarea nutrienților-combustibil sunt ghidați către O2 cu formare de H2O, procesul de ghidare fiind intermediat de o serie deenzime ce transferă e- cu formare de ATP.

Respirația celulară cuprinde 3 etape distincte:

1. Convertirea nutrienților ce vor fi folosiți ca și combustibil în fragmente decâte 2 atomi de C – resturi acetil cuplate cu CoA (Acetil-CoA);

3. Coenzimele NADH și FADH2 sunt oxidate, electronii și H+ rezultați fiindtransferați către O2 cu formare de H2O. Electronii nu interacționează direct cuO2, ci sunt transferați prin treptat prin intermediul unui unui ansamblu deproteine numit lanț transportor de e-. Transferul de la un membru al lanțuluitransportor de e- la altul se face prin sinteza unei molecule de ATP.

2. Resturile acetil sunt oxidate la CO2 , electronii rezultațifiind captați de către NADH și FADH2 . Oxidarea resturiloracetil se realizează printr-un ansamblu de reacții ciclicenumit ciclul acizilor tricarboxilici (CAT) sau ciclul Krebs;

Biochimie Curs XII Pagina 2 din 17

Importanța ciclului Krebs

18.05.2020

Cel mai frecvent, combustibilul utilizat de celule pentru obținerea de energie este glucoza, deși înanumite condiții celulele pot utiliza și alte glucide, majoritatea aminoacizilor precum și acizii grași înacelași scop. Înainte de a intra în ciclul acizilor tricarboxilici, glucidele și acizii grași suferă un proces deoxidare preliminar în care sunt transformați în unități acetil cuplate cu CoA. Aminoacizii pot intra în CATsub după ce sunt transformați în acid acetic (acetat), acid malic (malat) sau acid succinic (succinat).

Prin intermediarii și produșii rezultați înurma parcurgerii reacțiilor ce alcătuiesc ciclulacizilor tricarboxilici, acesta are o amplasarecentrală în metabolismul celular. CAT nu este niciunica, nici cea mai importantă cale metabolică,însă amplasarea ei centrală o face cel mai bunsubiect de studiu pentru a înțelege principiile debază din funcționarea unei căi metabolice.

Suplimentar, principala sursă de acetil-CoA ceintră în CAT este acidul piruvic - un compus comunpentru majoritatea cailor metabolice importantece implică atât catabolismul cât și anabolismultuturor precursorilor: glucide, acizi grași,aminoacizi, baze azotate.

Biochimie Curs XII Pagina 3 din 17

Etaple ciclului Krebs

18.05.2020

CAT este una dintre puținele căi metabolice ciclice, în sensul că în prima sa etapă Acetil-CoAreacționează cu o moleculă de malat, produsul de reacție parcurgând o suită de reacții ce conduc în finaltot la malat. Acetil-CoA se obține prin printr-o reacție de dehidrogenare a piruvatului catalizată decomplexul proteic numic piruvat-dehidrogenaza (PDH):

piruvat-dehidrogenaza

Piruvat Acetil-CoA

Deși reprezentată ca o singură reacție, transformarea piruvatului în Acetil-CoA se realizează printr-un ansamblu de 5 etape catalizate de 3 enzime diferite: - E1 – piruvat-dehidrogenaza propriu-zisă; - E2 – dihidrolipoil-transacetilază; - E3 – dihidrolipoil-dehidrogenază. Aceste enzime se grupează în numeroase copii, dimensiunea complexului proteic variind funcție de specie. La oameni, PDH are 50 nm diamtru - de 50 ori mai mare decât un ribozom, poate fi vizualizat cu microscopul electronic.

Biochimie Curs XII Pagina 4 din 17

PDH

18.05.2020 Biochimie Curs XII Pagina 5 din 17

18.05.2020

Reacția catalizată de PDH nu este parte integrantă a CAT, ci are doar rolul de a pregăti substratul –acetil-CoA. Parcurgerea completă a CAT presupune realizarea a 8 reacții enzimatice distincte,prezentate schematic mai jos:

Etapele ciclului Krebs

Acetil-CoA

Citrat sintaza

Condensare

Deshidratare

Hidratare

Decarboxilare

DecarboxilareFosforilare

Dehidrogenare

Hidratare

Dehidrogenare

Aconitaza

Aconitaza

Izocitratdehidrogenaza

KDH

succinatdehidrogenaza

Succinoil-CoAsintetaza

Fumaraza

Malat-dehidrogenaza

citrat

Acid cis-aconitic

Izocitrat

a-ceto-glutarat

succinoil-CoA

Succinat

Fumarat

Malat

Biochimie Curs XII Pagina 6 din 17

18.05.2020

1. Formarea acidului citric (acid tricarboxilic) – este catalizată de citrat-sintetaza – o enzimă dimerăce realizează o reacție de condensare Claisen între un tio-ester (Acetil-CoA) și o grupare carbonil (dinoxaloacetat). Restul de CoA este eliberat și poate fi refolosit.

Etapele ciclului Krebs

Acetil-CoA

Oxaloacetat

Citrat

Citrat sintetaza

Mecanismul „induced fit”

Biochimie Curs XII Pagina 7 din 17

18.05.2020

2. Formarea izocitratului (acid tricarboxilic) – este catalizată de enzima numită aconitaza sau maicorect aconitat-hidrataza. Reacția este una de izomerizare și se realizează prin eliminarea uneimolecule de H2O din acidul citric, acesta se transformând-se în compus instabil – acidul cis-aconitic.Prin adiția spontană a unei alte molecule de H2O, acesta din urmă se transformă în izocitrat.

Etapele ciclului Krebs

Aconitaza este o enzima ce conține un cluster de Fe-S. In lipsa fierului, nu își poate îndeplini rolul înCAT și enzima capătă o nouă funcție – reglează procesul de absorbție și transport al fierului. Esteunul din exemplele în care o proteină codificată de o genă îndeplinește mai multe funcții =moonlighting.

Biochimie Curs XII Pagina 8 din 17

Citrat Cis-aconitat Iso-citrat

aconitaza

18.05.2020

3. Oxidarea izocitratului la a-ceto-glutarat cu eliberarea primei molecule de CO2 – este catalizată deizocitrat-dehidrogenaza, enzimă ce conține în centrul activ un ion de Mn2+. Mecanismul cataliticpresupune o reacție de dehidrogenare cu formarea unui intermediar instabil ce nu părăsește situsulcatalitic: oxalosuccinat. După dehidrogenare, prezența ionului de Mn2+ electropozitiv face ca electroniisă se redistribuie și are loc reacția de decarboxilare - eliminarea unei molecule de CO2 cu formarea a-ceto-glutaratului.

Etapele ciclului Krebs

Izocitrat Oxalosuccinat a-ceto-glutarat

Izocitrat-dehidrogenaza

Izocitratul este oxidat prin transferul

electronilor către NAD(P)+

Decarboxilarea este

facilitată de ionul de Mn2+

ce atrage e

Rearanjarea e-

în intermediarul

enolic

Biochimie Curs XII Pagina 9 din 17

18.05.2020

4. Oxidarea a-ceto-glutarat la Succinoil-CoA și eliberatea celei de-a doua molecule de CO2 – este toto reacție de decarboxilare oxidativă realizată de complexul proteic cetoglutarat-dehidrogenaza(KDH). KDH este asemănător din punct de vedere al structurii și mecanismului de acțiune cu cu PDH,folosind în calitate de cofactor NAD+ și CoA.

Etapele ciclului Krebs

a-ceto-glutarat Succinil-CoA

KDH

Biochimie Curs XII Pagina 10 din 17

Verifica formula alfa-KG, e gresita

18.05.2020

5. Conversia Succinil-CoA în succinat – este catalizată de enzima Succinil-CoA sintetaza sau succinat-tio-kinaza. Reacția constă în liza legăturii tioesterice dintre CoA și succinat, echilibrul fiind puternicdeplasat spre dreapta. Reacția de liză este cuplată cu reacția de fosforilare a GDP și duce deci laformarea GTP. Molecula de GTP poate fi mai apoi convertită în ATP prin activitatea unei nucleosid-difosfat-kinaze (reacția nu face parte din ciclul Krebs).

Etapele ciclului Krebs

Succinoil-CoA Succinat

Succinil-CoA sintetaza

Biochimie Curs XII Pagina 11 din 17

18.05.2020

6. Dehidrogenarea succinatului în acid fumaric – este realizată de o flovo-enzimă (enzimă de culoaregalbenă ce are ca și cofactor FAD) numită succinat-dehidrogenază.

Etapele ciclului Krebs

Succinat Fumarat

Succinat-dehidrogenază

Biochimie Curs XII Pagina 12 din 17

18.05.2020

7. Hidratarea fumaratului cu obținere de malat – este catalizată de enzima numită fumarat-hidratază . Reacția se realizează în două etape cu apariția unui intermediar instabil sub forma unuicarbanion. Fumarat-hidrataza este o enzimă stereospecifică, în sensul că enzima catalizeazăhidratarea legăturii duble din trans din fumarat, dar nu și a legăturii duble în cis din acidul maleic. RE

Etapele ciclului Krebs

CarbanionFumarat

L-Malat

Fumarat-hidrataza

Fumarat-hidrataza

Biochimie Curs XII Pagina 13 din 17

18.05.2020

8. Oxidarea malatului în oxaloacetat – este ultima reacție a CAT catalizată de malat-dehidrogenaza.Oxidarea malatului la oxaloacetat este însoțită de transferul electronilor către NAD+ și deci reducereaacestuia.

Etapele ciclului Krebs

L-Malat Oxaloacetat

Malat-dehidrogenaza

Biochimie Curs XII Pagina 14 din 17

Acetil-CoA

Citrat

Izocitrat

a-ceto-glutarat

Succinil-CoA

Succinat

Fumarat

Malat

Oxaloacetat

18.05.2020

Parcurgerea completă a celor 8 reacții ce alcătuiescciclul Krebs este însoțită așadar de producerea a:- 2 molecule de CO2, corespunzătoare oxidării celor 2 C airestului acetil din Acetil-CoA. O privire mai atentă asuprareacțiilor implicate arată însă că atomii de C din CO2 nusunt exact atomii de C ai restului acetil ce întră în CAT înprima reacție, ci provin din restul de oxaloacetat.

Bilanțul ciclului Krebs

Atomii de C din restul acetil sunt propriu-zisoxidați prin parcurgerea următorului ciclu alCAT.- o moleculă de GTP ce corespunde/este

echivalentă cu o moleculă de ATP;- 3 molecule de NADH și o moleculă de FADH2;electronii din aceste dinucleotide reduse suntcaptați de lanțul transportor de e- și utilizați pentrua alimenta reacțiile de formare a ATP-ului,respectând stoechiometria 1 NADH = 2,5 ATP; 1FADH2 = 1,5 ATP.

Per total, parcurgerea completă a tuturor reacțiilor CAT este echivalentă cu oxidarea unui rest acetil și eliberarea a 1 GTP +3 NADH +1 FADH2 = 1 ATP + 7,5 ATP + 1,5 ATP = 10 molecule ATP

Biochimie Curs XII Pagina 15 din 17

Eficiența energetică a respirației celulare

18.05.2020

Glucoză (6 atomi de C)

2 x piruvat (2 x 3 atomi de C)

2 x Acetil (CoA) (2 x 2 atomi de C)

2NADH2ATP

2XCAT din care rezultă2x (1 ATP + 3 NADH + 1FADH2 + 2 CO2)

2x (1NADH + 1 CO2)

2x (1NADH+ 1CO2)

2NADH2ATP

2x (1 ATP + 3 NADH + 1FADH2 + 2 CO2)Lantul transportor de e-

Total – 6CO2 + 32 molecule ATP2x 2,5 ATP + 2ATP + 2x2,5 ATP + 2x 10 ATP + 6CO2

2840 kJ/mol

32x52 kJ/mol= 1664 kJ/mol

60-65% din energia

conținută este utilizată

Eficiența unui motor

auto este de 25-50%

Biochimie Curs XII Pagina 16 din 17

De ce ciclul Krebs este atât de complicat?

18.05.2020

Sursă de intermediari pentru principalele căi metabolice

Biochimie Curs XII Pagina 17 din 17