Metabolismul intermediar
1
CATABOLISM
Totalitatea reacţiilor de degradare din organism
sunt frecvent reacţii de oxido-reducere
au loc cu eliberare de energie
au loc cu creşterea entropiei
energia eliberată este conservată în structuri cu legături macroergice
(de exemplu - ATP, GTP)
În procesele de catabolism substanţele macromoleculare cu mare
specificitate structurală, cu înalt nivel de organizare, provenite din mediul
înconjurător sunt transformate conform principiului termodinamicii în
compuşi cu moleculă mică, cu specificitate redusă, cu nivel scăzut de
organizare.
2
ANABOLISM
Totalitatea proceselor de biosinteză
decurg cu o scădere a entropiei sistemului (procese antientropice)
decurg cu consum de energie
sunt procese endergonice
Catabolismul şi anabolismul se desfăşoară concomitent în celule
şi sunt însoţite de schimburi de energie.
ATP PRINCIPAL - rezervor - furnizor - transportor - intermediar de energie Procese amfibolice
3
Substrat redus Substrat oxidat
Catabolism
Anabolism
ADP + PiATP
Produs de biosintezã
(stare redusã)
Precursor
(stare oxidatã)
Procesele catabolice sunt cuplate cu procesele anabolice prin mecanisme caracteristice, care implică frecvent participarea ATP-ului.
ATP-ul joacă un rol de principal rezervor, furnizor şi transportor intermediar de energie în organismele vii.
4
Aminoacizi Hexoze
Pentoze
Acizi grasi
Glicerol
Proteine Polizaharide Lipide
Acetil~SCoA
Ciclul
citratului
2H 2H 2H 2H
Oxidarea biologicã
H2OCO2
O2ATP
Stadiul I
Stadiul II
Stadiul III
Stadiul IV
MECANISME GENERALE DE TRANSFORMARE A CONSTITUENŢILOR ORGANICI FUNDAMENTALI AI ORGANISMELOR VII
5
LANŢUL RESPIRATOR MITOCONDRIAL – Definiție
TOTALITATEA SISTEMELOR
OXIDOREDUCĂTORE ENZIMATICE
PRIN INTERMEDIUL CĂRORA
HIDROGENUL SUBSTRATULUI ESTE
OXIDAT DE OXIGENUL ATMOSFERIC
CU FORMARE DE APĂ ŞI CU
ELIBERAREA A 57 kcal/mol
CORESPUNZĂTOARE DIFERENŢEI DE 1,2V
DE LA POTENŢIALUL
HIDROGENULUI SUBSTRATULUI
(- 0,42 V) LA CEL AL O2 (+ 0,81 V).
6
E'o este potenţialul redox standard măsurat la pH 7 şi 25oC, iar n este numărul de electroni transferaţi în reacţia generală: Oxidant + ne- → Reducător * valoarea este pentru molecula de FAD libera; FAD legat de flavoproteinele specifice (de ex. succinat dehidrogenaza) are un E'o diferit (- 0,05V), ce depinde de componenta proteică. (după Lehninger, 2008)
Sistemul redox
Potenţialul
redox
standard
E'o (volţi) 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
Citocrom a3 (Fe3+) + e- → Citocrom a3 (Fe2+)
Citocrom a (Fe3+) + e- → Citocrom a (Fe2+)
Citocrom c (Fe3+) + e- → Citocrom c (Fe2+)
Citocrom c1 (Fe3+) + e- → Citocrom c1 (Fe2+)
Citocrom b (Fe3+) + e- → Citocrom b (Fe2+)
Ubichinonă + 2H+ + 2e- → Ubichinol
FAD + 2H+ 2e- → FADH2
NAD+ + H+ + 2e- → NADH2
2H+ + 2e- → H2
+ 0,816
+ 0,350
+ 0,290
+ 0,250
+ 0,210
+ 0,120
+ 0,01
- 0,219*
- 0,320
- 0,420
Sistemele redox ce fac parte din lanţul transportor de electroni mitocondrial
7
COMPONENTELE LANŢULUI RESPIRATOR
Sisteme oxidoreducătoare specializate:
1. Substratul donor de hidrogen;
2. Oxidoreductazele piridinice: coenzima piridinică - nicotinamida
adenin dinucleotidul (NAD+);
3. Flavin enzimele ce au drept grupări prostetice flavin
mononucleotidul (FMN) sau flavin adenin dinucleotidul (FAD);
4. Fier-sulf (Fe-S) proteinele;
5. Coenzima Q (CoQ) sau ubichinona;
6. Citocromii;
7. Citocromoxidaza - reacţionează direct cu oxigenul molecular.
8
Lanţul respirator funcţionează ca o succesiune de reacţii redox în care
fluxul de echivalenţi reducători este dirijat de la perechea cu
potenţialul standard cel mai negativ – donorul de hidrogen - spre
perechea cu potenţialul standard cel mai pozitiv - oxigenul molecular.
Componentele sistemului enzimatic transportor de hidrogen au rolul de
a activa hidrogenul sub formă de proton (H+).
Componentele transportoare de electroni – citocromii, au rolul de
a activa oxigenul molecular sub formă de anion (O2-).
Aceste forme moleculare activate vor reacţiona şi vor forma apa (H2O).
9
10
Substrat - H2
Substrat - Ox
NAD+
NADH+H+
Fp-H2
Fp
(FMN*
FAD**)
CoQ
CoQH22 cit-b Fe3+
2 cit-c Fe3+
2 cit a/a3 Fe3+
2 cit-b Fe2+
2 cit-c Fe2+
2 cit a/a3 Fe2+
2H+ H2O
1/2 O2
ATP
7,3 kcalATP
7,3 kcal
ATP
7,3 kcal
(FMNH2
FADH2)
O2-
O2-
- 0,42 V - 0,32 V
- 0,12 V*
- 0,06 V**+ 0,01 V + 0,12 V + 0,25 V + 0,29 V + 0,81 V
0,2 V 0,13 V 0,52 V
G = - 11,9 kcal G = - 23,9 kcalG = - 9,9 kcal
Transport de hidrogen
2e- 2e- 2e- 2e-
Schema lanţului respirator mitocondrial și a locurilor de fosforilare oxidativă
Substrat - H2
NADH + H+
Acid
succinic
Complexul I
Proteine FMN
Proteine Fe-S
(8 atomi Fe
neheminic)
NADH2 - ubichinon
oxidoreductaza
Ubichinona
(CoQ)
Proteine FAD
Proteine Fe-S
(3 atomi Fe
neheminic)
Cit c
Complexul II
Complexul III Complexul IV
Citocrom a-a3:
oxidoreductaza
Cit a-a3
Proteine cu cupru
1/2 O2
Succinat - ubichinon
oxidoreductaza
Ubichinon: cit c oxidoreductaza
2 Cit b
1 Cit c1
2 atomi Fe
neheminic
Proteine Fe-S
2H+ H2O O2-
Structura lanţului respirator mitocondrial organizată funcţional în complexele enzimatice Green
(Complexele I → IV)
11
Variaţia energiei libere standard (ΔGo, cal/mol) într-un sistem redox:
G = - RT ln[Oxidant]
[Reducãtor]
La transferul unui echivalent de electroni (n=1), şi la o diferenţă de potenţial
de 1 volt (ΔE'o = 1 volt) se dezvoltă o energie liberă de 23,3 kcal/mol.
Go = - n F E'o
Go = - 1 x 23,3 = - 23,3 kcal/mol
La transferul a doi electroni, eliberarea de energie pentru o variaţie de
potenţial de 1 Volt :
Go = - 2 x 23,3 = - 46,6 kcal/mol
Energetica lanţului respirator
12
Substrat - H2
1/2 O2
(atmosferic)
2 H+
O2-
2e- H2O + 57 kcal/mol
E'o = - 0,42 V
E'o = + 0,81 V E'o = Eo(oxidant) - Eo(reducãtor)
E'o = + 0,81 - (- 0,42) = 0,81 + 0,42 = 1,23 V
E'o = 1,23 V
Go = - n F E'ounde n = 2 electroni
F = echivalentul caloric al lui Faraday (23,3 kcal/mol) Go = - 2 x 23,3 x 1,23
Go = - 57,318 kcal/mol
Energetica lanţului respirator
ΔE'o este pozitivă => transferul de electroni din cadrul lanţului transportor
de electroni are loc spontan, deci ΔGo este negativă
13
Conservarea energiei biologice Fosforilarea oxidativă
Fosforilare oxidativă: procesele prin care oxidarea (transportul de
electroni) este intim cuplată cu formarea de compuşi fosforilaţi bogaţi
în energie.
ATP se poate forma numai în etapele în care variaţiile de potenţial
(ΔE'o) sunt îndeajuns de mari ( > 0,12V) pentru a permite eliberarea
unei cantităţi de energie superioară celei necesare formării unei
legături macroergice (~ 7kcal).
Treptele de fosforilare = locurile specifice, precise de conservare a
energiei - locuri de fosforilare
Raportul dintre cantitatea de fosfat legată sub formă de ATP şi
cantitatea de oxigen consumată în timpul desfăşurării lanţului
respirator = cât de fosforilare
14
raportul P/O = cât de fosforilare
Raportul P/O = 3 în cazul oxidărilor care au loc
prin intermediul enzimelor piridinice
(NADH+H+)
Raportul P/O = 2 în cazul oxidărilor care au loc direct
prin intermediul flavin enzimelor
(FADH2)
1 NADH2 . . . . . . . 3 ATP
1 FADH2 . . . . . . . . 2 ATP
Conservarea energiei biologice Fosforilarea oxidativă
15
Din transferul a 2 atomi de hidrogen de la NADH la oxigen rezultă
o variaţie a energiei libere de 57 kcal/mol din care sunt stocaţi în
legătura fosfat macroergică din ATP doar 21 kcal. Din energia de
formare a apei este înmagazinată ca energie biologic utilă energia
corespunzătoare formării a 3 molecule de ATP (21 kcal).
Randamentul energetic al lanţului respirator
Randamentul procesului (η) va fi:
Total 57 kcal …………………………..21 kcal (ATP)
100 kcal ………….....…………….X
X ≈ 37% (η)
Energia liberă care nu este captată în legăturile fosfat macroergice este
eliberată sub formă de căldură sau este transformată în alte forme de
energie necesare pentru funcţionarea celulei: energie mecanică, osmotică
sau energie luminoasă (bioluminiscenţă).
16
LANȚUL RESPIRATOR MITOCONDRIAL
- CONCLUZII -
1. Lanţul respirator – componenta majoră a respiraţiei celulare este un proces universal şi fundamental deoarece este generator de energie. El se desfăşoară la toate vieţuitoarele aerobe, în toate celulele care conţin mitocondrii (o excepţie o reprezintă eritrocitele), şi în toate etapele vieţii celulare. În esenţă, are loc oxidarea hidrogenului.
2. Componentele lanţului respirator sunt situate în membrana internă mitocondrială, în ordinea crescătoare a potenţialelor perechilor lor redox.
3. Succesiunea acestor componente este foarte bine determinată, ele fiind asamblate în complexe Green.
4. Oxidarea biologică este cuplată cu fosforilarea, respectiv cu formarea de compuşi macroergici fosforilaţi – ATP, sub acţiunea complexului enzimatic al ATP sintetazei.
5. Moleculele de ATP se formează în anumite trepte, acolo unde diferenţa de potenţial este > 0,12 volţi şi permite eliberarea unei energii > 7 kcal, necesară formării unei molecule de ATP.
17
ALTE SISTEME TRANSPORTOARE DE
HIDROGEN ŞI ELECTRONI.
OXIDOREDUCERILE MICROZOMALE
18
ALTE SISTEME TRANSPORTOARE DE HIDROGEN ŞI ELECTRONI. OXIDOREDUCERILE MICROZOMALE
Localizat în reticulul endoplasmatic neted (fracţiunea microzomală)
Sistem transportor de electroni care nu este fosforilant (nu este producător de
ATP)
Implicat în procesele de hidroxilare şi de dehidrogenare
Sistemul cuprinde:
donorul de echivalenţi reducători - NADPH2
flavoproteină
fier-sulf-proteină
citocrom microzomal specific, denumit citocromul P450, care are rol de oxidază
mixtă, catalizând concomitent procese de hidroxilare şi de formare a apei.
Hidroxilazele utilizează NADPH, în calitate de cosubstrat şi oxigenul molecular,
catalizând următoarea reacţie generală:
R-H + NADPH + H+ + O2
R-OH + NADP+ + H2O
19
R-H O
R-HO
2
R-H
O2
O
O2-
citP450-Fe3+
(Oxidat)
Produs
hidroxilat
citP450-Fe3+
citP450-Fe3+
citP450-Fe2+
citP450-Fe2+
Citocrom P450
reductaza
Substrat (R-H)
NADPH+H+
1e-
primul
electron
al doilea
electron
2H+
H2O
(R-OH)
R-OH
NADP+
FAD
FADH22Fe3+-Sulf
proteine
2Fe2+-Sulf
proteine
2e-
1e-
R-H + NADPH + H+ + O2
R-OH + NADP+ + H2O
Mecanismul secvenţial al oxidoreducerilor microzomale
Citocromul
P450
Substrat (R-H)
Compus aromatic
Compus steroidic
Acizi biliari
Metabolit toxic endogen
Medicament
20
oxidoreducere internă
transferul primului electron se face prin intermediul flavoproteinei (NADPH –
citocrom P450 reductaza)
R-H - substratul care urmează a fi hidroxilat: compuși aromatici,
compuși steroidici, acizi biliari, medicamente, metaboliți toxici
endogeni;
Un atom din molecula de O2 este încorporat în substratul R-H iar
celălalt este redus cu formarea apei.
Flavoproteina microzomală şi citocromul P450 prezintă fenomenul de
inducţie enzimatică: biosinteza şi deci concentraţia lor în ficat crește
semnificativ sub acţiunea barbituricelor şi a altor medicamente.
Aceşti agenţi stimulează proliferarea reticulului endoplasmatic din
celulele hepatice = > adaptare cu rol protector a celulei.
R-H + NADPH + H+ + O2
R-OH + NADP+ + H2O
21
CICLUL CITRATULUI
CICLUL KREBS
CICLUL ACIZILOR TRICARBOXILICI
22
Aminoacizi Hexoze
Pentoze
Acizi grasi
Glicerol
Proteine Polizaharide Lipide
Acetil~SCoA
Ciclul
citratului
2H 2H 2H 2H
Oxidarea biologicã
H2OCO2
O2ATP
Stadiul I
Stadiul II
Stadiul III
Stadiul IV
23
Reacţia globală care are loc în cursul ciclului Krebs este:
CH3-COOH + 2 H2O → 2 CO2 + 8H
Formarea CO2 din acetil-CoA are loc prin intermediul unei serii de
8 reacţii enzimatice care constituie un ciclu.
Ciclul citratului în ansamblul lui, reprezintă un sistem catalitic care
asigură degradarea unui număr nelimitat de molecule de acid acetic
activate sub formă de acetil-CoA.
Premisele experimentale în descoperirea ciclului Krebs
Localizarea intracelularǎ a enzimelor ciclului citratului
CICLUL CITRATULUI (CICLUL KREBS)
24
Reacţiile ciclului Krebs
25
O
CH3
O
COOH
COOH
COOHCH2
COOHOH
COOHCH2
COOH
COOHCH
COOHCH2
COOH
OH CH COOH
COOH
CH2
CH2
C=O
COOH
COOH
COOHCH
COOHCH
CH2
OH
12
3
45
COOH
CH2
CH2
O
COOH
CH2
COOH
C ~ SCoA
C
Acetil~SCoA
Acid oxalilacetic
+ H2OHSCoA
C
- H2O
CAcid cis-aconitic
+ H2O
Acid citric
HCAcid izo-citric
Acid -cetoglutaric
CO2
NAD+
NADH+H+
CO2NAD+NADH+H+
HSCoA
C ~ SCoA
Succinil~SCoA
HSCoAGDP+Pi
GTP + H2O
Acid succinic
FAD
FADH2
COOHAcid fumaric
+ H2O
COOH
Acid L-malic
NAD+
NADH+H+
1
3
4
5
6
8
7
CH2
CH2
CH2
CH
+ H2O
2
2
O
CH3
O
CH2
COOH
COOH
C ~ SCoA
C
Acetil~SCoA
Acid oxalilacetic
citratsintaza
1
+
O
CH2
COOHOH
CH2
COOH
C ~ SCoA
C
Citril~SCoA
+ H2O
HSCoA
COOH
CH2
COOHOH
CH2
COOH
1
2
3
4
5
C
Acid citric
aconitaza
- H2O
2
COOH
CH2
COOH
COOH
CH
C
Acid cis-aconitic
aconitaza
+ H2O
COOH
CH2
COOH
OH CH
COOH
HC
Acid izo-citric
izocitrat-DH
CO2
NAD+
NADH+H+
3
COOH
CH2
CH2
C=O
COOH
Acid a-cetoglutaric26
COOH
CH2
CH2
C=O
COOH
a-cetoglutarat-DHTPP
Acid lipoic
FAD
NAD+
CoASHCO2
NAD+
NADH+H+
HSCoA
4
Acid α-cetoglutaric
COOH
CH2
CH2
O
C ~ SCoA
Succinil~SCoA
COOH
CH2
CH2
succinil tiokinaza
HSCoA
GDP+Pi
+ H2O
COOH
Acid succinic
5
succinat-DH
FAD
FADH2
6
COOH
CH
COOH
HC
Acid fumaric
fumaraza
+ H2O
7
COOH
CHOH
CH2
COOH
Acid L-malic
malat-DH
NAD+
NADH+H+
8
COOH
CH2
O
COOH
C
Acid oxalilacetic
GTP + ADP ATP + GDP
GTP
27
Principalele reacţii ale ciclului Krebs:
a) 1 reacţie de condensare (C2 + C4).
b) 4 dehidrogenări dintre care trei catalizate de NAD+ (izocitrat,
α-cetoglutarat şi malat) şi una de FAD (succinat).
c) 2 decarboxilări (izocitrat şi α -cetoglutarat).
d) 2 hidratări efective (hidratarea fumaratului şi formarea acidului
succinic din succinil-CoA).
e) 1 reacţie de hidratare reversibilă (reacţia aconitazică).
Bilanţul chimic al ciclului citratului poate fi redat prin ecuaţia globală:
CH3-CO~SCoA + 3H2O + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi →
→ 2CO2 + HS-CoA + 3NADH+H+ + FADH2 + GTP
Bilanţul chimic al ciclului Krebs
28
Simplificat, se poate scrie:
CH3-COOH + 2 H2O → 2 CO2 + 8H
Prin oxidarea unei molecule de acetil-CoA se formează 2 molecule de CO2
şi 4 perechi de echivalenţi reducători (3 NADH+H+ + FADH2)
6 → 3 NADH2 x 3ATP = 9ATP
8H 11ATP+ 1GTP≡ ATP
2 → 1 FADH2 x 2ATP = 2ATP
Bilanţul chimic al ciclului Krebs
29
12ATP
BILANŢUL CHIMIC ȘI ENERGETIC AL CICLULUI KREBS CUPLAT CU LANȚUL RESPIRATOR
CH3-COOH + 2 H2O + 2O2 → 2 CO2 + 4 H2O + energie
stocată în compuşi macroergici
12 ATP (11ATP + 1GTP≡ATP)
Oxidarea acetatului prin ciclul citratului cuplat cu lanţul respirator
conduce la formarea a 228 kcal, corespunzătoare celor patru
molecule de apă formate (4 x 57 kcal)
Pe seama energiei eliberate în acest proces, se formează
12 molecule de ATP, cărora le corespund 84 kcal (7 x 12).
Din totalul de 228 kcal eliberate, 84 kcal au fost stocate sub formă
de ATP, ceea ce corespunde unui randament (η) de cca 37%.
30
12 ATP ………………………… 12 x 7 ≈ 84 kcal Proces endergonic
4 H2O ………………………….4 x 57 ≈ - 228 kcal Proces exergonic
228 kcal ……………84 kcal stocaţi în energie biologic utilă (ATP)
100 kcal ……………X
X = 37% (η)
BILANŢUL CHIMIC ȘI ENERGETIC AL CICLULUI KREBS CUPLAT CU LANȚUL RESPIRATOR
Restul de energie, nestocată în ATP este consumată sub diferite forme:
căldură, energie mecanică, osmotică, etc.
Apa rezultată în urma oxidării hidrogenului intră în fondul metabolic de
apă al celulei.
31
Mobilizarea
acetil~SCoA
Ciclul acizilor
tricarboxilici
Transportul de
electroni
si fosforilarea
oxidativã
Glucide
Aminoacizi Piruvat Acizi grasi
2H CO2
Acetil~SCoA
Citrat
cis-Aconitat
Izocitrat
a-CetoglutaratSuccinat
Fumarat
Malat
Oxalilacetat
CO2
CO2
2H2H
2H
2H
NAD+
ADP + Pi ATP
ADP + Pi ATP
ADP + Pi ATP
2H+ + 1/2O2 H2O
Flavoproteinã
Citocrom b
Citocrom c
Citocrom a/a3
32
Cuplarea ciclului Krebs
cu lanţul respirator
Concluzii
Semnificația metabolică a ciclul Krebs
1.) Ciclul Krebs are caracter de universalitate.
Este prezent la toate viețuitoarele, de la cele mai simple la cele
complexe, inclusiv la plante.
Este prezent în toate celulele organismului, cu excepția hematiilor.
Prin cuplarea cu lanțul respirator, este o cale finală de degradare,
comună și obligatorie, de transformare a componentelor din
principiile alimentare (glucide, lipide, proteine).
2.) Localizarea intracelulară a reacțiilor ciclului Krebs este cea
intramitocondrială, în apropierea componentelor lanțului respirator.
33
3.) Ciclul Krebs este în esență un proces de oxidare, și anume a CH3-
CO~SCoA/CH3-COOH prin cuplare cu lanțul respirator. Ciclul Krebs se
desfășoară exclusiv în condiții de aerobioză, pentru a permite oxidarea
echivalenților reducători din NADH2 și FADH2.
4.) Ciclul Krebs este un proces formator de CO2.
5.) CO2 se formează prin decarboxilarea oxidativă a cetoacizilor, nu prin
combinarea direct a carbonului și a oxigenului molecular, ceea ce subliniază
importanța proceslor de decarboxilare în lumea vie.
6.) Ciclul Krebs este un proces ciclic. În acest proces are loc reînnoirea
acidului oxalilacetic.
34
7.) Ciclul Krebs este un proces amfibolic. Este în primul rând catabolic,
deoarece CH3-CO~SCoA se degradează la CO2 dar are și caracter
anabolic, deoarece are lor formarea unor intermediari foarte
importanți în biosinteza altor compuși: hem, purine, pirimidine, acizi
grași, steroli.
8.) Ciclul Krebs, prin cuplarea cu lanțul respirator, este un proces
puternic eliberator de energie; oxidarea unei singure molecule de
CH3-COOH presupune stocarea energiei în 12 molecule de ATP.
Cuplarea ciclului Krebs cu lanțul respirator la nivel mitocondrial
reprezintă principala sursă de energie biologică la organismele
chimiosintetice.
O a doua sursă majoră de energie biologică o constituie fotosinteza.
35
Top Related