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