1
METABOLISM
• Definiţie
• Căi metabolice
• Căi anabolice & catabolice
• Comparaţie anabolism – catabolism
• Caracteristicile catabolismului
• Localizarea intracelulară a căilor metabolice
• Echivalenţi reducători & Compuşi macroergici
• Sinteza ATP
• Lanţul transportor de electroni & Fosforilarea oxidativă
• Transportul NADH citoplasmatic în mitocondrie
• Homeostazia metabolică
• Metabolismul glucidic – prezentare schematică
Metabolism - Definiţie
Metabolism = totalitatea transformărilor chimice & energetice
2
Formele de depozitare a energiei
Ţesut / Forma de depozitareAsigură energia necesară pentru
Rezerva (g) Post Plimbare Maraton
Ţesut adipos / Trigliceride 9000-15000 34 zile 11 zile 3 zile
Muşchi /Glicogen 350 14 ore 5 ore 70 minute
Ficat / Glicogen 80 3.5 ore 70 minute 18 minute
Sânge / Glucoza extracelulară 20 40 minute 15 minute 4 minute
Muşchi / Proteine 6000 15 zile 5 zile 1.3 zile
Cale metabolică - Definiţie
Cale metabolică = succesiune liniară, ramificată sau ciclică de reacţii chimice
Glicoliza
Sinteza nucleotidelor
3
Căi catabolice & anabolice
Căile catabolice = procese oxidative, de degradare prin care din
Căile anabolice = procese reductive, de biosinteză prin care din
moleculele mari, complexe =>compuşi simpli (CO2, H2O,NH3)
energie (ATP, NADPH).
compuşi simpli +
energie (ATP, NADPH) =>compuşi cu structură complexă
(cu grad înalt de organizare).
Catabolismul si Anabolismul
sunt interdependente
Compuşi organici
bogaţi în energie
-Glucide
-Lipide
-Proteine
Energie chimică
ATP, NADPH
Macromolecule intracelulare-Proteine
-Polizaharide
-Lipide
-Acizi nucleici
Produşi finali
săraci în energie
-CO2
-H2O
-NH3
Molecule precursor
-Aminoacizi
-Monozaharide
-Acizi graşi
-Baze azotate
Catabolism Anabolism
4
NADP+
ATP
ATP
NAD+
Lanţ respirator cuplat cu
Fosforforilarea oxidativăO2
ADP + Pi
H2O
Compuşi reduşibogaţi în energie
CATABOLISM Produşi oxidaţisăraci în energie
NADPH
NADH
ADP + Pi
ANABOLISMProduşi reduşi Precursori oxidaţi
Macromolecule
(molecule complexe)
Unitati structurale
de baza
Produs unic
de degradare
Stadiul I
Stadiul II
Stadiul III
CATABOLISM - Caracteristici
5
Compartimentalizarea intracelularǎ a
cǎilor metabolice
CitosolGlicoliza
Calea pentozo-fosfat
Sinteza acizilor graşi
Sinteza & catabolismul glicogenului
MitocondrieCiclul Krebs
Fosforilarea oxidativă
β-Oxidarea acizilor graşi
Sinteza & catabolismul corpilor cetonici
Citosol & mitocondrieGluconeogeneza
Ciclului ureogenetic
Compuşi macroergici & Echivalenţi reducători
Reacţii exergonice
Compuşi
macroergici
Echivalenţi
reducători
Procese endergonice
Sinteze chimice
Contracţie musculară
Excitaţie nervoasă
Transport activ
Compuşi macroergici = compuşi care conţn legături macroergice (prin
hidroliza cărora rezultă ≥7,3kcal/mol, pentru exemple vezi tabelul următor)
Echivalenţi reducători = compuşi rezultaţi prin dehidrogenarea intermediarilor
metabolici
• NADH, FADH2 (sursă de H şi electroni ȋn lanţul respirator),
• NADPH (sursa de H ȋn căile de sinteză)
6
Compuşi macroergici - Definiţie
Denumirea compuşilor ΔG0st
(kcal/mol)
Fosfoenolpiruvat (PEP) 14,8
Carbamoilfosfat 12,3
1,3-Difosfoglicerat (1,3DPG) 11,8
Creatinfosfat 10,3
AcilCoA (SuccinilCoA) 7,5 (8)
ATP→ADP + Pi 7,3
Glucozo-1-fosfat 5,0
Fructozo-6-fosfat 3,8
Glucozo-6-fosfat 3,3
Glicerol-3-fosfat 2,2
ΔG0st > 7,3kcal/mol
Compuşi macroergici, care prin
hidroliza pot furniza energia (şi
fosfatul) necesar sintezei ATP
“Moneda de schimb”
ΔG0st < 7,3kcal/mol
Compuşi care se pot obţine utilizând
ATP ca sursă de energie şi fosfat
Compuşi macroergici- Structuri
O-
O-
O
PO
A
OHOH
O
O-
O
PO O P
O
O-
C
C
CH2
H
O
O
OH
O P O
O-
O-
O-
O-
OP
• Anhidride fosforice:
ADP, ATP
alte nucleotide di- şi trifosforilate
• Anhidride carboxifosforice:
Carbamoilfosfat 1,3bisfosfoglicerat
O-
O-
OPH2N O
O
C
7
Compuşi macroergici - Structuri
CH2
C
COOH
O P O
O-
O-
CH3 C
O
CoA
• Esteri enolici ai acidului fosforic: fosfoenolpiruvat (PEP)
• Tioesteri carboxilici: acetilCoA
• Fosfoamide: creatinfosfatHN C
NH
N
O-
O
P O-
CH3
CH2
COOH
Ciclul ATP-ADP
8
Sinteza ATP
• Reacţia catalizată de adenilat kinază (AK):
2ADP ATP + AMP
• Reacţia catalizată de creatin fosfokinază (CPK):
Fosfocreatina + ADP Creatina + ATP
• Fosforilarea oxidativă la nivel de substrat:
1,3-Difosfoglicerat + ADP 3-Fosfoglicerat + ATP
Fosfoenolpiruvat + ADP Piruvat + ATP
Succinil-CoA + GDP Succinat + GTP
• Fosforilarea oxidativă cuplată cu lanţul respirator
• Definiţie
Lanţul respirator reprezintă, pentru celulele aerobe, calea finală, comună, prin care
electronii proveniţi din diferite substrate sunt transferaţi oxigenului. Este format dintr-o
serie de componente localizate în membrana internă mitocondrială (în ordinea
crescătoare a potenţialului lor redox), majoritatea grupate sub formă de complexe, care
catalizează reacţii de tipul:
Aredus + Boxidat ↔ Aoxidat + Bredus
Sisteme redox Potenţial standard
NAD+/NADH -0,32 V
FP/FPH2 -0,10 V
CoQ/QoQH2 -0,09 V
Citb Fe3+/Citb Fe2+ +0,04 V
CitC1 Fe3+/CitC1 Fe2+ +0,22 V
CitC Fe3+/CitC Fe2+ +0,26 V
Cit(a+a3) Fe3+/Cit(a+a3) Fe2+ +0,29 V
½O2/O2- +0,82 V
Lanţul transportor de electroni
9
Sursele de electroni (şi protoni)
• NADH provenit din NAD+ asociat dehidrogenazelor:
– Izocitrat, α-cetoglutarat, şi malat dehidrogenaza din ciclul Krebs
– Piruvat dehidrogenaza
– L-3-Hidroxiacil CoA dehidrogenaza (din β-oxidarea acizilor graşi)
– Diverse alte dehidrogenaze NAD+ dependente
• FADH2 derivat din FAD asociat dehidrogenazelor:
– Succinat dehidrogenaza din ciclul Krebs
– Dehidrogenaza din şuntul α-glicerol fosfat
– AcilCoA dehidrogenaza din β-oxidarea acizilor graşi
– Diverse alte dehidrogenaze FAD dependente
Transportul NADH din citosol în mitocondrie
• Suveica glicerol 3-fosfat
NADHcitosolic
-GlicerolfosfatDH cit. NAD+ dependentă
-GlicerolfosfatDH mit. FAD dependentă
FADH2mitocondrial
10
Transportul NADH din citosol în mitocondrie
• Suveica malat - aspartat
NADH citosolic → NADH mitocondrial
NADHcitosolic → NADHmitocondrial
Lanţul respirator Componentele complexelor & Reacţiile catalizate
Complexul I = NADH-CoQ reductaza
= Flavoproteina FMN dependenta + proteine cu centrii Fe - S
NADH + CoQox → NAD+ + CoQred ; ΔGo= -69,5 Kcal/mol → sinteza 1 ATP
Complexul II = Succinat – CoQ reductaza
= Flavoproteina FAD dependenta + proteine cu centrii Fe – S + Citb560
FADH2 + CoQox → FAD + CoQred ; ΔGo= -2,9 Kcal/mol
Complexul III = CoQ-CitC reductaza
= Citb + Citc1 + proteina cu centrii Fe-S
CoQred + CitCox → CoQox + CitCred ; ΔGo= -37,7Kcal/mol → sinteza 1 ATP
Complexul IV = CitC oxidaza
= Cit(a + a3) + Cu
CitCred + 1/2O2 → CitCox + O2-; ΔGo= -112 Kcal/mol → sinteza 1 ATP
O2- + 2H+ → H2O
11
Lanţul transportor de electroni
Pe lângă cele 4 complexe, lanţul “respirator” posedă alte 2 componente:
coenzima Q (CoQ) şi citocromul c.
În mitocondria intactă transportul de electroni este cuplat cu formarea ATP din ADP
şi Pi (fosforilare oxidativă cuplată cu lanţul respirator).
În mitocondria lezată, “respiraţia” poate avea loc fără a fi cuplată cu sinteza ATP =>
energia liberă este eliberată sub formă de căldură.
Lanţul transportor de electroni
Forma lungă a lanţului transportor
Forma scurtă a lanţului transportor
ETF:Q oxidoreductaza = Flavoproteina care transferă electroni : CoQ oxidoreductaza = a 3-a “poartă
de intrare” ȋn lanţul transportor, importantă ȋn catabolismul (beta oxidare) acizilor graşi.
12
Lant respirator cuplat cu fosforilarea oxidativa
Bilant energetic
• Pornind de la NADH => 3ATP
(forma lunga a lantului respirator)
• Pornind de la FADH2 => 2 ATP
(forma scurta a lantului respirator)
Fosforilarea cuplată cu lanţul respirator
Complexele I, III si IV funcţionează ca pompe de protoni care determină
• acumularea H+ ȋn spaţiul intermembranar
=> realizarea unui gradient de pH (ΔpH) şi a unui gradient electrochimic (ΔΨ)
care ȋmpreuna formează forţa proton motrice care impinge H+ ȋn matrice prin
subunitatea F0 a ATP-sintetazei => activarea enzimei şi sinteza ATP
13
ATP- Sintetaza – Localizare & Structură
Decuplanţi sintetici ai fosforilării
Dinitrofenol
protonat
Dinitrofenol
deprotonat
14
Decuplanţi fiziologici ai fosforilării
Hormon Funcţie Căile majore de metabolism
afectate
Insulina Promovează depozitarea
resurselor energetice post prandial
Promovează creşterea
Stimulează sinteza de ȋn muşchi şi ficat
Stimulează sinteza de acizi grasi din
excesul de glucoza
Stimulează preluarea aminoacizilor şi
sinteza proteinelor
Glucagon Mobilizeaza rezervele energetice
Mentine nivelul glicemiei inter-
prandial
Activează gluconeogeneza şi
glicogenoliza hepatică ȋn timpul postului
Activează eliberarea acizilor graşi din
trigliceridele ţesutului adipos
Adrenalina Mobilizeaza rezervele energetice
in timpul stresului acut
Stimulează glicogenoliza hepatică şi
musculară
Stimulează eliberarea acizilor grasi din
ţesutul adipos
Cortizol Stimulează sinteza de glucoza ȋn
postul prelungit
Stimulează mobilizarea aminoacizilor
din proteinele musculare
Stimulează gluconeogeneza
Stimulează eliberarea acizilor graşi din
ţesutul adipos
Homeostazia metabolică – Rolul hormonilor
15
Metabolismul glucidic
Glicogenosinteza
Glicogenoliza