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