View
22
Download
6
Category
Preview:
Citation preview
METABOLISM ENERGETIC
De la hrană la energie
Caz clinic
• D-na Cora Pectoris, in varsta de 65 de ani, a avut in urma cu 7 luni un IMA. Chiar daca a reusit de atunci sa slabeasca 5 kg, a ramas supraponderala si nu si-a redus continutul de grasimi alimentare, asa cum i-a prescris cardiologul. Programul de exercitii fizice gradate pe care l-a inceput la 5 saptamini dupa IMA, il mai urmeaza din cind in cind. Acum este reinternata pentru o durere intensa retrosternala care a debutat in timp ce isi curata masina de zapada. La spital se diagnosticheaza un nou IMA.
• De ce este atit de importanta dieta si programul de exercitii pentru d-na Cora?
CE ESTE METABOLISMUL?
- Totalitatea transformărilor care au loc într-un
organism
- Alcătuit din catabolism (degradare la compuşi
mai simpli, cu producere de energie)
şi anabolism (construire compuşi complecşi din
compuşi simpli, cu consum de energie)
Ce este BIOENERGETICA
sau TERMODINAMICA BIOCHIMICĂ?
= studiul modificărilor energetice care însoţesc reacţiile biochimice
Aspectele principale ce urmează să
fie discutate:
• Principiile termodinamicii
• Organisme autotrofe, heterotrofe
• Variaţia energiei libere în reacţiile biochimice
• Reacţii exergonice şi endergonice
• Cuplarea reacţiilor endergonice cu cele exergonice
• Proprietăţile ATP
• Hidroliza ATP
• Compuşi macroergici
• Oxidarea în procesele biochimice
• Sinteza ATP (fosforilare la nivel de substrat, fosforilare oxidativă)
Termodinamica
• Studiul transformărilor energetice care au loc într-
un sistem.
• Sistemele biologice sunt sisteme deschise (între sistem
şi mediu există schimb de materie şi energie).
• Două principii ale termodinamicii:
1. Principiul I (al conservării energiei)
2. Principiul II (al evoluţiei)
Principiile termodinamicii clasice sunt valabile şi în
cazul sistemelor biologice.
Primul principiu al termodinamicii
(principiul conservării energiei)
• Energia nu poate fi creată sau distrusă, ci poate
fi doar convertită în alte forme.
• Consecinţă: cantitatea totală de energie din
univers este constantă.
• Entropia (cantitatea de dezordine dintr-un sistem) universului creşte.
SAU
• Orice transformare liberă şi spontană se face în direcţia corespunzătoare creşterii entropiei ansambluluiconstituit din sistem şi mediul înconjurător.
Consecinţa:
• Toate transformările energetice sunt ineficientedeoarece fiecare reacţie conduce la o creştere aentropiei şi la pierderea de energie sub formă decăldură.
Al doilea principiu al termodinamicii
(Principiul evoluţiei)
Radiaţia solară
este sursa
primară de
energie pentru
toate
organismele vii.
Energia pătrunde în biosferă sub formă de radiaţie solară
şi părăseşte biosfera sub formă de căldură.
Organisme autotrofe
Organisme heterotrofe
Sintrofie
(intercondiţionare)
ENERGIA INTERNĂ (E)
• E = G + TS
G – energia liberă
TS- energia legată
ENERGIA LIBERĂ (G)
-componentă a energiei interne a
sistemului,
convertibilă la t şi p constante în
lucru mecanic (mişcare ordonată)-
Variaţia energiei libere (ΔG) este energia
utilizabilă
ΔG = ΔH - TΔS
ΔH – variaţia entalpiei/energia internă a sist.
ΔS – variaţia entropiei (T ΔS – energie legată)
T- temperatura absolută
Variaţia energiei libere a unei
reacţii determină spontaneitatea ei
1) dacă DG este negativă – reacţia va evolua spontan
de la stanga la dreapta (şi poate efectua travaliu)
2) dacă DG este pozitivă- reacţia nu va evolua
spontan de la stanga la dreapta, ci pentru
desfăşurarea ei necesită energie din exterior
3) dacă DG = 0 – reacţia este la echilibru, nu
evoluează spontan în nici un sens
Variaţia energiei libere depinde de
concentraţiile reactanţilor şi produşilor de
reacţie şi de valoarea unei constante (ΔGº׳)
DGo' = variaţia energiei libere standard (la pH 7, 25˚C,
conc. produşilor şi reactanţilor 1M)
R = constanta gazelor (1,98cal/molxK); T = temp.
Pentru reactia A + B C + D
DG = DGo' + RT ln
[C] [D]
[A] [B]
La echilibru DG = 0.
K'eq, raportul [C][D]/[A][B] la
echilibru.
Dacă K'eq > 1: reacţie
spontană (DG‘ negativ).
DG = DGº' + RT ln
= DGº' + RT ln
DGº' = - RTln
defining K'eq =
DGº' = - RT ln K'eq
[C] [D]
[A] [B]
[C] [D]
[A] [B]
[C] [D]
[A] [B]
[C] [D]
[A] [B]
Variaţia energiei libere şi
constanta de echilibru (K‟eq)
K'eq DG º' kJ/mol
Reactie (1M si pH 7)
104 - 23 Spontana de la stinga la dreapta
102 - 11 Spontana de la stinga la dreapta
100 = 1 0 echilibru
10-2
+ 11 Are loc in sens invers
10-4
+ 23 Are loc in sens invers
DGo' = - RT ln K'eq
Variaţia DGo„ (25 oC) cu valoarea constantei de echilibru
Întrebare:
1. A + B C + D
Reacţia de mai sus se desfăşoară la 25˚C într-un volum de 2,5 l soluţie; cantităţile în moli din fiecare component la echilibru sunt: A=10; B=5; C=5; D=5. Constanta de echilibru Keq şi pentru această reacţie au valorile :
A. 0,5 şi 590ln0.5
B. 0,5 şi -0.5ln590
C. 1,00 şi -590ln1
D. 0,5 şi -590ln0,5
E. 2,00 şi -590ln2
DGo„
Tipuri de reacţii în funcţie de
valoarea ΔG
1. reacţii exergonice
2. reacţii endergonice
Reacţii endergonice
• Reacţii chimice care necesită un aport energetic exterior
• au ΔG >0 .
• Exemplu:
1. Fotosinteza
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
Soare
fotoni
Energie
solară
(glucoza)
Reacţii exergonice
• Reacţii chimice cu eliberare de energie
• au ΔG<0
• Examplu:
1. Respiraţia celulară
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + ATP
(glucoza)
Energie
• Reacţii endergonice – reacţiile anabolice:
consumă energie, pentru a construi molecule
complexe din molecule simple.
• Reacţii exergonice- reacţiile catabolice:
eliberează energie prin care molecule complexe
se scindează în molecule simple.
A
B
C
cale
catabolică
energie
energie
ATP
Energie
C1
B1
A1
cale
anabolică
energie
energie
Cuplarea căilor metabolice
Cuplarea reacţiilor metaboliceeste posibilă datorită naturii
aditive a variaţiei energiei libere
O reacţie spontană poate susţine o reacţie non-spontană:
o reacţie exergonică (ΔG1 <0 ) se poate cupla cu o
reacţie endergonică (ΔG2>0)
Variaţiile energiei libere ale reacţiilor cuplate sunt
aditive, iar variaţia totală a energiei libere trebuie să
fie negativă (ΔGtotal = ΔG1 + ΔG2; ΔGtotal < 0).
Cuplarea reacţiilor endergonice cu
cele exergonice
Două tipuri de cuplaj
A. Cuplarea prin intermediar comun obligatoriu:
A + C I B + D
Intermediarul comun obligatoriu I trebuie să fie
înrudit structural cu A,C, B sau D.
Acest tip de cuplaj nu este strict specific pentru sistemele
biologice, fiind întalnit şi în sistemele nevii (chimia
organică şi anorganică).
1.glucozo-6-P fructozo-6-P
∆G = +1.7 kJ mol-1
2. fructozo-6-P + ATP fructozo-1,6-di-P + ADP
∆G -14.2 kJ mol-1
REACTIA GLOBALA:
glucozo-6-P + ATP fructozo-1,6-di-P + ADP
∆G = -12.5 kJ mol-1
I. Cuplarea prin intermediar comun obligatoriu
Exemplu
-Două reacţii care se derulează în acelaşi compartiment celular se pot
cupla printr-un intermediar energetic comun care prezintă două forme
E/E*, una energizată (E*) şi alta săracă energetic, intermediar care
serveşte drept transductor de energie.
-Intermediarul comun energetic E, (spre deosebire de I, intermediarul
comun obligatoriu) nu trebuie să fie înrudit structural cu A, B, C sau
D
A
B C
DE
E*
Energie liberă
E*/E=ATP/ADP
II. Cuplarea prin intermediar comun energetic
Modelul ATP ca Donor Energetic Universal
Proprietăţile ATP
Gruparile fosfat bogat energetice
sunt “moneda energetica” a celulei
• ATP este principala moneda energetica
• ATP este constant consumat si generat
• Consum ATP: contractie musculara,
transport activ, reactii biosintetice
Cele 2 legături macroergice din ATP
- Legături de tip anhidridă
- DG hidroliză cu valoare negativă mare.
- Reprezentate prin simbolul "~"
N
NN
N
NH2
O
OHOH
HH
H
CH2
H
OPOPOP-O
O
O- O-
O O
O-
adenina
riboza
ATP
Adenozin trifosfat
Legaturi anhidridice
(~)
Potential, ambele legături macroergice pot fi
scindate, şi cele două grupe fosfat bogate în
energie eliberate prin hidroliza ATP.
ATP ADP + Pi
Alternativ:
ATP AMP + PPi
PPi 2Pi
Hidroliza ATP: două modalităţi
I. ATP + H2O ADP + P ΔGº‟ = -7,3kcal/mol
+ H2O
P P P
Adenozin trifosfat (ATP)
P P P+
Adenozin difosfat (ADP)
Hidroliza ATP: prima modalitate
I. ATP + H2O AMP + PP ΔGº‟ = -7,3kcal/mol
PP 2P ΔGº‟ = -9 kcal/mol
+ H2O
P P P
P P P
+
P
P
+H2O
Adenozin trifosfat
(ATP)
Adenozin monofosfat
(AMP)
ΔGº‟total = -16,3 kcal/mol
Hidroliza ATP: a 2-a modalitate
Reacţia catalizată de hexokinază; cele 2 jumătăţi de reacţie
sunt:
ATP + H2O ADP + Pi DGo' = -7, kcal/mol
Pi + glucoză glucozo-6-P + H2O DGo' < +7,3 kcal/mol
Cuplaj:
ATP + glucose ADP + glucozo-6-P DGo' < 0 kcal/mol
(OBS. FACULTATIVA Structura centrului activ al enzimei – cavitate
hidrofoba-, care exclude H2O, previne reactiile hidrolitice individuale,
in timp ce favorizeaza reactia cuplata.)
Hidroliza ATP la ADP- are loc atunci cînd variaţia energiei libere a reacţiei
endergonice din cuplaj este mai mică de 7,3kcal/mol
- are loc atunci cînd variaţia energiei libere a reacţiei endergonice
din cuplaj este mai mare de 7,3kcal/mol
Reacţia de activare a acizilor graşi
RCOOH + CoASH RCO~SCoA DGo' > +7,3kcal/mol
ATP + H2O AMP + PPi
PPi + H2O 2 Pi DGo' = - 15,3 kcal/mol
Reactia globala:
RCOOH + ATP + CoASH RCO~SCoA+ AMP + 2 Pi
DGo' < 0 kcal/mol (spontana)
II. Hidroliza ATP la AMP
De ce nu se hidrolizeaza
ADP la AMP?
• Nu exista enzima corespunzatoare in
organism
Stabilizarea prin rezonanta (delocalizarea electronilor p-π) a produsilor de hidroliza este mai puternica decit in cazul compusului ca atare.
Repulsia electrostatica intre atomii de oxigen incarcati negativ ai gruparilor fosfat favorizeaza separarea gruparilor fosfat (prin reactia de hidroliza a ATP se reduce nr. sarcini negative de la 4 pt ATP la 3 pt ADP).
Prezenta ioni Mg2+ in celule: afinitatea ADP pt Mg2+ este de 6 ori mai mare decit afinitatea ATP.
De ce hidroliza legaturilor de tip anhidrida
din ATP si PPi are o valoare mare a ΔG?
Intrebare:
• ATP nu contine:
1. Legatura de tip anhidrida
2. Legatura esterica
3. Legatura N-glicozidica
4. Legatura tioesterica
5. Grupe hidroxil de tip alcool secundar
Care sunt modalitatile
de folosire a energiei legaturii macroergice din
dinucleotide?
REACTIILE CATALIZATE DE ENZIMELE:
Adenilat kinaza
Nucleozid difosfosfat kinaza
Adenilat kinaza AK (Miokinaza)
interconverteste nucleotidele cu adenina• ATP + AMP 2 ADP
AK este prezenta in majoritatea celulelor.
• Furnizeaza ADP, care este substratul pentru sinteza ATP (ex. sub actiunea ATP sintazei mitocondriale),
CIND? In conditiile in care exista reactii metabolice in cadrul carora ATP-ul este defosforilat la AMP.
• Furnizeaza AMP, care este activator alosteric pentru enzimele catabolice,
CIND? In conditiile in care exista depletie celulara de ATP, exista in exces ADP. Reactia AK, parcursa de la dreapta la stanga permite cresterea concentratiei de AMP.
AMP, via enzime catabolice activate, conduce la generarea crescuta de ATP.
• Reactia AK este o sursa minora temporara de ATP, permitind gruparilor fosfat macroergice din ADP sa fie utilizate pentru sinteza directa de ATP.
NUCLEOZID DIFOSFAT KINAZA (NuDiKi)
NuDiKi echilibreaza continutul de grupari fosfat
macroergice ~P intre diferitele clase de nucleotide, in
functie de necesitatile celulei, ex. pentru sinteza ADN &
ARN.
NuDiKi catalizeaza reactii reversibile de tipul:
ATP + GDP ADP + GTP,
ATP + UDP ADP + UTP, etc.
ALTE TIPURI DE CUPLAJ
PROCESE EXERGONICE-
PROCESE ENDERGONICE
FOLOSIREA ENERGIEI DIN ATP
PT LUCRU MECANIC (MISCARE)
ATP –induce modificari conformationale in miozina
Miozina are functie de ATP-aza
Caz clinic-discutii Inima este un specialist
in transformarea ATP in lucru mecanic
• Cea mai frecventa cauza de IMA este ateroscleroza si blocarea aa coronariene. Scaderea fluxului de singe scade productia de ATP in celula cardiaca si celula moare.
• Fiecare bataie cardiaca foloseste aproximativ 2% din ATP-ul cardiac.
• Daca inima nu e capabila sa regenereze ATP-ul, tot ATP-ul din inima e hidrolizat in mai putin de 1 minut.
• Lipsa aportului de singe si O2 adecvat a fost cauza incapacitatii inimii d-nei Cora de a mai regenera ATP.
Cuplarea energetica in transportul
ionilor
Transportul ionilor poate fi
cuplat cu o reactie chimica,
ex. Hidroliza sau sinteza ATP. S1 S2
ATP
ADP + Pi
Side 1 Side 2
2 situatii
Transport activ: Hidroliza spontana a ATP (DG <0) este cuplata cu (sustine energetic) fluxul ionic contra gradient (DG>0).
Sinteza ATP: Fluxul H+ spontan conform gradientului de concentratie (DG <0) este cuplat(sustine energetic) sinteza ATP (DG>0).
S1 S2
ATP
ADP + Pi
Transport
activ
H+
1 H+
2
ATP
ADP + Pi
Sinteza
ATP
Rinichii si creierul folosesc ATP
pentru transport ionic
• Rinichi- pentru
economisire principii
filtrate reutilizabile
• Creierul- pentru
mentinerea gradientului
ionic transmembranar
necesar transmiterii
impulsului nervos
Compusi macroergici versus
Compusi fosfageni
• Compusi fosfageni: Forme de depozitare a gruparilor fosfat bogate energetic, capabili sa actioneze ca donori de grupari fosfat ~P catre ADP, astfel regenerind rapid ATP
• Compusi macroergici: Hidroliza compusilor macroergici elibereaza o cantitate de energie libera de cel putin7,3kcal/mol (IΔGI>7,3 kcal/mol)
• OBS. Exista compusi macroergici care nu sunt fosfageni!
Compus DGo' hidroliza, kcal/mol
Fosfoenolpiruvat (PEP) -,
Carbamoil fosfat -,
1,3-Bifosfoglicerat -,
Fosfocreatina -,
Acil-SCoA -7,
ATP (hidrolizat la ADP) -7,
ATP (hidrolizat la AMP) -7,
Pirofosfat -
Glucozo-1-fosfat -,
Glucozo-6-fosfat -,
AMP -,
Glicerol-3-fosfat -,
Variatia energiei libere standard
in cazul unor compusi organofosforici
Fosfoenolpiruvatul (PEP), implicat in sinteza ATP.
C
C
O O-
OPO32-
CH2
C
C
O O-
O
CH3
C
C
O O-
OH
CH2
ADP ATP
H+
PEP enolpiruvat piruvat
COMPUSI MACROERGICI
Creatin Kinaza catalizeaza reactia reversibila:
Fosfocreatina + ADP ATP + creatina
(Creatina=acidul N-metil guanidinacetic)
Rolurile fosfocreatinei
-Sursa de ATP in cursul contractiei musculare
-Depozit de ~P
- transport ~P intre diferitele compartimente ale celulei .
-O PHN C
O
O-
N
NH2+
CH2
CH3
C
O
O-
fosfocreatina
Fosfocreatina
(creatinfosfat): musculatura
scheletica, inima,
spermatozoizi, creier
COMPUSI
MACROERGICI
Coenzyme A-SH + HO C
O
R
Coenzyme A-S C
O
R + H2O
In contrast cu esterii fosforici, tioesterii au o valoare
negativa a DG pentru hidroliza foarte mare.
Spontaneitatea scindarii legaturii tioesterice este esentiala
pentru rolul coenzimei A de acyl group carrier.
COMPUSI
MACROERGICI
NONFOSFAGENI
legatura esterica dintre prima grupare fosfat si 5OH al
ribozei din ATP.
N
NN
N
NH2
O
OHOH
HH
H
CH2
H
OPOPOP-O
O
O- O-
O O
O-
adenina
riboza
ATP
Legatura esterica
Esteri fosforici cu valori negative dar <7,3kcal/mol
la hidroliza
glicerol-3-fosfat
CH 2
CH
CH 2
OH
HO
O P
O
O-
O-
H O
OH
H
OHH
OH
CH2
H
OH
H
1
6
5
4
3 2
O P
O
OH
OH
glucozo-6-fosfat
Esteri fosforici cu valori negative dar <7,3kcal/mol
la hidroliza
AMPc este un compus care
hidrolizeaza usor conform reactiei
(catalizata de fosfodiesteraza):
cAMP 5'-AMP
DE CE?
deoarece exista constringeri sterice
in cadrul ciclului.
CE IMPORTANTA ARE
ACEASTA LABILITATE A AMPc
LA HIDROLIZA?
Labilitatea AMPc la hidroliza il
face un semnal celular tranzitoriu
excelent.
N
N N
N
NH2
O
OHO
HH
H
H2C
HO
PO
O-
1'
3'
5' 4'
2'
cAMP
Enumerati compusii organofosforici care au ΔG<0
si precizati rolurile lor:
Transfer sau depozit energetic
ATP, PPi, creatinfosfat
Transfer de grupari chimice
ATP, Acil-CoA
Semnal tranzitoriu
AMPc
Generarea/sinteza ATP
I. Conditii anaerobioza
– Lipsa O2
– Fosforilare la nivel de substrat
1) 2 reactii in glicoliza
3) 1 reactie in ciclul Krebs
II. Conditii de aerobioza
– prezenta O2
– Fosforilare oxidativa
Fosforilare la nivel de substrat
-glicoliza-
1,3-Bifosfoglicerat
ADP
Fosfoglicerat kinaza ATP
3-fosfoglicerat
Fosforilare la nivel de substrat in
glicoliza:reactia catalizata de fosfogliceratkinaza
C
C
O O-
OPO32-
CH2
C
C
O O-
O
CH3
C
C
O O-
OH
CH2
ADP ATP
H+
PEP enolpiruvat piruvat
Fosforilare la nivel de substrat in glicoliza:
reactia catalizata de piruvatkinaza
Fosforilare la nivel de substrat in
ciclul Krebs:reactia catalizata de succinilCoA kinaza
succinil~ CoA + GDP + Pi succinat + GTP + CoASH
Recommended