MetabolismulBioenergeticaCiclul Krebs

OBIECTIVENoiune de metabolism. Anabolismul i catabolismul. Cile metabolice. Etapa amfibolic a metabolismului, rolul ei.Metodele de studiere a metabolismului.Legile termodinamicii. Noiuni de entalpie, entropie i energie liber. Energia liber standard, semnificaia ei. Reaciile endergonice i exergonice.Compuii macroergici: structura chimic i rolul lor. Ciclul ATP-ului.Caracteristica strii energetice a celulei. Indicii ce o caracterizeaz. Reglarea metabolismului celular.Decarboxilarea oxidativ a acidului piruvic: complexul polienzimatic, cofactorii, reacia stoichiometric, etapele, rolul biologic i reglarea.Ciclului acizilor tricarboxilici (Ciclul Krebs). Reaciile pariale, stoichiometria ciclului Krebs, esena biologic, reglarea. Reaciile anaplerotice.

Metabolismul

Metabolismul sistem coordonat de transformri a substanelor i energiei sub aciunea sistemelor multienzimatice.

Deosebim:Metabolismul extern include procesele necesare pentru: asimilarea substanelor nutritive, transportul metaboliilor intermediari ntre celulele diferitor organe i esuturi i eliminarea produselor finale din organism.Metabolismul intermediar totalitatea reaciilor chimice ce decurg ntr-o singur celul vie (i asigur viabilitatea, creterea i reproducerea ei).

Funciile metabolismului:

aprovizionarea celulelor cu energie chimic (ce se formeaz la scindarea substanelor nutritive);transformarea substanelor nutritive n precursori necesari pentru sinteza macromoleculelor asamblarea acestor precursori n P, AN; L; polizaharide;biosinteza i degradarea biomoleculelor cu destinaie special (h, mediatori, cofactori);

Fazele metabolismului

Evideniem 2 faze:1. Catabolismul faza de degradare a macromoleculelor n micromolecule.este nsoit de eliberarea energiei (care poate fi acumulat sub form de ATP sau NADPH+H+2. Anabolismul faza de sintez a macromoleculelor din micromolecule, necesit utilizarea ATP sau NADPH+H+

Etapele catabolismului:I etap - decurge n TGI (fr eliminare de E). Macromolecule alimentare se scindeaz n monomerii si.II etap monomerii se transform ntr-un precursor comun Acetil-CoA (are loc generare de energie).III etap amfibolic - ciclul Krebs si fosforilarea oxidativ (FO) H2O+ CO2 are loc generare de energie

Proteine Glucide LipideAAmonozaharideAG+glicerolPiruvatAcetil -CoAc. KrebsH2OL.RFOCO2 glucoCeto-IIIIIIIIADP + PiATP

Etapele metabolismului

Deosebirile cilor catabolice de anaboliceconsiderentul energetic;succesiunea reaciilor este reglat separat;difer dup localizarea n celul.

CILE METABOLICE- reprezint reaciile enzimatice cu o anumit funcie.S ==>A ==> B ==> C ==> P

DEOSEBIM CI METABOLICE:

A. a) centrale (comune pentru degradarea i sinteza principalelor macromolecule)b) specifice (caracteristice doar pentru substane individuale (cofactor).B. a) liniare (glicoliza) b) ciclice (ciclul Krebs)

DEOSEBIM CI METABOLICEC. a) anabolice b) catabolice c) amfiboliceD. a) aerobe b) anaerobe

Metode de studiu a metabolismuluiPe organismele intacte aport eliminare Utilizarea izotopilor radioactivi stabili a permis urmrirea drumului parcurs de un compus pn la produii finali.Studiul experimental prin perfuzarea unor organe (ficatul ureogenez, glicogenogenez).Studiul seciunilor tisulare.La nivel celular.La nivelul organitelor celulare (lizozomi, MC, ribosomi).

REGLAREA METABOLISMULUI

Se realizeaz la diferite nivele:la nivelul proprietilor specifice enzimelor (cantitatea de E i S, prezena Co, pH, t); la nivelul E reglatoare alosterice;

REGLAREA METABOLISMULUI

3. Majoritatea reaciilor sunt reglate de starea energetic a celulei. Indicatorul ei este sarcina energetic

SE = [ATP]+1/2[ADP] [ATP]+[ADP]+[AMP] SE= 0,8-0,95

PF = [ATP]/[ADP]*[Pa] = 500

REGLAREA METABOLISMULUI

Atkinson Se = 0 ( AMP); Se=1 (ATP). cile metabolice, responsabile de sinteza ATP (cile catabolice) sunt inhibate de Se nalt deci sunt inhibate de ATP, NADH2 i activate de AMP, ADP dar cile de utilizare ale ATP (cile anabolice) sunt stimulate de ATP, NADH2 i inhibate de AMP, ADP

REGLAREA METABOLISMULUI

4. reglare prin modificarea covalent a E (fosforilare-defosforilare), modulat de H (adrenalina, glucagon sau insulina)5. inducia i represia enzimatic - modificarea c% E la nivel de transcripie a genelor corespunztoare sub aciunea hormonilor steroizi.6. Reglarea dependent de hormonii care accelereaz activitatea E (adaptare imediat) sau de viteza sintezei enzimelor (adaptare de lung durat)Exemple: adrenalina i steroizii7. Influiena medicamentelor de diferit origine

Bioenergetica - tiina ce studiaz transformrile i utilizarea energiei. n lumea vie sistemul termodinamic poate fi reprezentat de un organism ntreg; un organ; o celul; o reacie chimic.

Organismele vii pot fi considerate sisteme termodinamice, pentru care sunt valabile legile termodinamicei:

I. Principiul conservrii energia reaciilor chimice nu dispare i nu apare din nimic, dar se transform dintr-o form n alt. Ex.: E chimic se transform n E termic, electric, mecanic.II Principiul evoluiei toate procesele asociate cu transfer de energie se desfoar de la sine numai ntr-o direcie i numai pn la o anumit limit - ce corespunde entropiei maximale.

Sistemele biologice sunt sisteme deschise (schimb de energie i materie cu mediul nconjurtor) Fiecare sistem are o energie intern (E), care este constituit din energie liber (G) i energie dependent de variaiile TS (energie legat). E= G + TSFora motrice a reaciilor este tendina sistemului att de a-i spori gradul de dezordine, ct i de a-i reduce coninutul de energie liber ordonat.

Noiune de energie liber Energie liber reprezint acea parte din energia (total) intern a sistemului, capabil s efectuieze un lucru n condiii constante de T i presiune - G kcal/mol Dac E= G + TS G = E - TS.TS - energia legat - nu poate fi utilizat pentru efectuarea lucrului (T- t absolut; S variaia entropiei (gradul de dezordine al sistemului). Creterea entropiei mpedic revenirea la starea iniial, de aceea reaciile nsoite de creterea entropiei - sunt ireversibile.

Noiune de energie liber standardEnergia liber standard este partea de energie total a sistemului, convertit n lucru n condiii standard (Go ) T=298K, C% iniiala 1,0 mol, pH = 7, presiunea 760 torii (1 atm).Go - indic sensul de desfurare a reaciei n condiii standard i este constantG variaia energiei libere n condiii specifice n care are loc reacia (T, pH, C% - difer)

energia liber standard Referitor la o singur reacie chimic - variaia energiei libere standard este diferena dintre suma energiilor libere ale produilor i suma energiilor libere ale reactanilor.

energia liber standardG pozitiv 0 cnd produii conin mai mult energie dect reactanii (substanele iniiale) endergonice (nu pot efectua un lucru spontan, necesit energie din exterior). AB GB GA G negativ 0 produii conin mai puin energie dect substanele iniiale exergonice (fr folosirea energiei) stnga la dreapta pot efectua un lucru.G = 0 nu evalueaz nici ntr-un sens.

Reaciile exergoniceG negativ 0 produii conin mai puin energie dect substanele iniiale exergonice fr folosirea energiei stnga la dreapta pot efectua un lucru.

Reacii endergoniceG pozitiv 0 cnd produii conin mai mult energie dect reactanii (substanele iniiale) nu pot efectua un lucru spontan, necesit energie din exterior. AB GB GA

ReactantReactantProductProductExergonicEndergonicEnergy isreleased. Energymust besupplied. Energy suppliedEnergy releasedCopyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Reacii endergonicePentru desfurarea reaciilor endergonice, organismul utilizeaz mecanismul reaciilor cuplate: ATP + H2O ADP + Pi DGo' = -31 kJ/mol Pi + glucoz glucoza-6-P + H2O DGo' = +14 kJ/molReacia cuplat:ATP + glucoza ADP + glucoza-6-P DGo' = -17 kJ/mol

G = 0 nu evalueaz nici ntr-un sens.

MEMORM:Reaciile catabolice exergoniceAnabolice endergoniceLegtura (conexiunea) ntre ele este ATP.

Ciclul ATPATP- transportor universal al energiein forma sa activ este un complex cu ionii de Mg sau Mn ATP 2 legturi macroergice (valoare negativ ridicat a G0),

ATPServete ca surs de energie n:Lucrul mecanic: micare, contracieBiosinteza moleculelor biologiceTransport: transportul prin membrann transmiterea informaiei geneticeEnergie electric pentru propagarea influxului nervos

n reaciile biochimice ATP:Donor de grupri fosfat, pentru enzimele din clasa kinazelorDonor de pirofosfat (activarea tiaminei)Donor de AMP (activarea AG sau a AA)Donor de adenozin (sinteza S- adenozil metioninei)

Ciclul ATPn condiii standard hidroliza ATP are loc pe 2 ci:

ATPADPH3PO4AMPPP2H3PO4

-7,3 kcal/mol-15,3 kcal/mol

SCINDAREA ATP-uluiATP + H2O ADP + Pi; Go = - 7,3 kcal (- 31kJ/mol)

II. ATP + H2O AMP + PPi;PPi + H2O 2Pi;Go = - 7,3 + (-8,0) = - 15,3 kcal

Particularitile structurale ale ATP ca donor de energiela pH=7 are 4 sarcini negative, care se resping mai puternic comparativ cu cele 3 din ADP

EMBED ChemDraw.Document.4.5

adenine

ribose

ATP

adenosine triphosphate

phosphoanhydride bonds (~)

_966254420.cdx

_966256474.cdx

_994360428.cdx

_966252971.cdx

2. Leg macroergice sunt de tip anhidrid (unesc 2 resturi acide)

EMBED ChemDraw.Document.4.5

adenine

ribose

ATP

adenosine triphosphate

phosphoanhydride bonds (~)

_966254420.cdx

_966256474.cdx

_994360428.cdx

_966252971.cdx

3. Prezena ionilor de Mg (afinitatea ADP este de 6 ori mai mare hidroliza este spre formarea ADP+Pi)

Regenerarea ATPSinteza ATP din ADP i Pi este posibil pe 2 ci:1. FO (utilizarea LR MC)2. fosforilare la nivel de substrat reaciile n care energia necesar pentru sinteza legturii macroergice fosfat e furnizat de un substrat supermacroergic.

Fosforilare la nivel de substrat

Fosforilare la nivel de substrat

Fosforilare la nivel de substrat

Legtura macroergic. Substane macroergice

Transportul principal al energiei de la procesele catabolice spre cele anabolice i forma major de stocare a ei n organism sunt legturile macroergice fosfat i tioesterice din diverse substane

Forma de stocare a energiei:legturile macroergice

O legtur este considerat macroergic, dac la hidroliza ei se elibereaz 5 kcal/mol sau mai mult

Tipurile de substane din punct de vedere energeticMicroergice la hidroliza lor se elibereaz mai puin de 5 kcalMacroergice la hidroliza lor se elibereaz cca 5 kcalSupermacroergice - la hidroliza lor se elibereaz peste 7,3 kcal

Legturile macroergice forma de stocare a energiei

Legtura macroergic. Substane macroergiceCompuii superamacroergici kcal/molfosfoenolpiruvat -14,81,3 difosfoglicerat -11,8creatinfosfat -10,3 ATP ADP +H3PO4 -7,3 ATP AMP + PP -7,3 PP 2Pi -8acetil~CoA -7,5Compuii microergici Fructozo 6 P - 3,8Glucozo- 6- P - 3,3

Decarboxilarea oxidativ a piruvatuluiDOP la eucariote e localizat n mitocondrii; la procariote citozol. Are loc sub aciunea complexului multienzimatic PDH, alctuit din:

Complexul PDHE1 PDH Co1-TPP

Complexul PDH2. E2 dihidrolipoiltrans-acetilaz Co 2- AL

Complexul PDH3. E3 dihidrolipoilDH Co3 FAD

dihydrolipoyl dehydrogenase(= E3) has coenzymes FAD S--S--TPP FAD E1 E2 E3

Complexul PDHCo 4 HSCo ACo 5 NAD+K kinaza specificF fosfotaza specific, dependent de Ca2+ i Mg2+X proteina ligand (n E3)

1. Atacul nucleofil hidroxietil TPP

-CH= a nucleului tiazolic al TPP are un caracter acid. Astfel hidrogenul disociaz sub form de proton H+,dar C rmne sub form de carbanion i exercit un atac nucleofil asupra C2 din piruvat formnd un compus de adiie piruvat-TPP

thiamine pyrophosphate (TPP)

EMBED ChemDraw.Document.4.5

acidic H+

_968531302.cdx

_972761628.cdx

_972763443.cdx

_972760474.cdx

_968530708.cdx

Sarcina + a atomului de N din nucleul tiazolic este compensat de sarcina negativ din piruvat.

Are loc decarboxilarea i formarea de hidroxietil -TPP

2. gruparea hidroxiettilic se oxideaz cu gr disulfidic- trece n sulfhidrilic se formeaz acetillipoamid

Obinerea lui Acetil Co A

Refacerea AL n forma oxidat

Transferul H2 pe NAD

REACIA SUMAR

EMBED ChemDraw.Document.4.5

Pyruvate Dehydrogenase

pyruvate acetyl-CoA

_1001439188.cdx

Reglarea complexului PDH1. Inhibat prin retroinhibiie: AcetilCoAE2; NADH E3Efectul e reversibil la aciunea NAD i HSCoA

Reglarea complexului PDH2. Inhibiia alosteric este amplificat de AG macromoleculari3. Reglare nucleotidic, prin sarcina energetic: inhibat de ATP activat de AMP

Reglarea complexului PDH4. Reglare covalent: complexul PDH este inhibat prin fosforilare (kinaza PDH), activat prin defosforilare (fosfataza PDH).Fosforilarea se amplific la raportul nalt ATP/ADP; acetil CoA/HSCoA; NADH/NAD; defosforilarea la concentraii mari de piruvat i Ca

Pi E1-OH ATP (activ)Fosfotaza kinaza activator = activator = Ca2+;Mg2+insulina acetil-CoAindirect NADH, I- piruvat, ADP H2O E1-OP ADP (inactiv)

APLICAII BIOMEDICALEDeficitul uneia din subunitile PDH se manifest prin:Reducerea ciclului Krebs - apare un deficit energeticAcumulare de acid lactic - acidoz lacticAlanina i AA ramificai sunt crescui n plasm (blocat catabolismul lor)Scderea marcat a oxigenrii tisulare (hipoxie) intervin n cursul insuficienei cardiorespiratorii acute, a strilor de oc

Acidoza lactic congenital

Deficitul E1 cu transmitere dominant X- lincatDefecte de dezvoltare la nivel cerebral i nervosSpasticitate muscularMoarte prematur

Ciclul Krebsn 1937 Hans Krebs a propus ciclul acidului citricSe mai numete ciclul citric sau ciclul acizilor tricarboxilici.1937&1953 Hans Krebs (1900-1981)

Ciclul KrebsConst dintr-o secven de 8 reacii ce se desfoar n ciclu realizeaz degradarea lui Acetil Co A pn la 2 mol de CO2 i produce energie stocat n GTP, NADH+H, FADH2

Localizarea matricea mitocondrial, cu excepia succinat dehidrogenazei fixat de suprafaa intern a membranei interne mitocondriale Caracter aerob

Rolul:

Donor de protoni i electroni pentru LRIntegrativ (reprezint un punct de convergen al catabolismului tuturor substanelor nutritive: glucoza, acizi grai, aminoacizi, alcool )AmfibolicEnergetic

Substraturile ciclului KrebsAcetil-CoA oxalacetatul

Proveniena acetil-CoA

Catabolismul glucidelorCatabolismul lipidelorCatabolismul aminoacizilorCatabolismul alcooluluiCatabolismul corpilor cetonici

Proveniena oxalacetatuluiTransaminarea acidului aspartic sub aciunea ASATCarboxilarea piruvatului sub aciunea piruvat carboxilazei

REACIILE CICLULUI KREBS

1. Condensarea lui Acetil CoA cu OA

2. Izomerizaea citratului n izocitrat (prezena ionilor de fier)

3. DH i decarboxilarea izocitratului (Mg2+ sau Mn2+).

IDH NAD dependent- localizat n MCIDH NADP dependent- att n MC ct i n citozol

4. Decarboxilarea oxidativ a alfa cetoglutaratului

5. Fosforilare la nivel de substrat

GTP poate fi transformat n ATP conform reaciei: GTP + ADP GDP + ATP. Reacia este reversibil.

6. DH succinatului

7. Hidratarea fumaratului

8. DH malatului

Ciclul Krebs REACIA GLOBAL

CH3-CO-SCoA + 3 NAD+ + FAD+ + GDP + Pi + 2 H2O

2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2H+ + HS-CoA

Bilanul energetic al ciclului Krebs

Prin fiecare parcurgere a ciclului Krebs are loc degradarea unui mol de acetil-CoA i eliberarea a doi moli de CO2.Substanele macroergice formate sunt:Un GTP3 NADH + H+ care n urma LR mitocondrial dau natere la 9 moli de ATP1 FADH2 care genereaz 2 moli de ATP n urma parcurgerii LR mitocondrial.

Oxidarea complet a unui mol de acetil-CoA formeaz 12 moli de ATP.

Din punct de vedere al randamentului energetic, ciclul Krebs este foarte eficient deoarece aproximativ 90% din energia chimic a acetil-CoA (228 kcal/mol) se regsete sub form de GTP i a coenzimelor reduse (care pot elibera 206 kcal/mol).

Ciclul acizilor tricarboxilici (Krebs)Acetyl CoA1 Condensarea Acetil CoA cu OA E-Citrat sintetaza cu formare de Citrat. CH3-C=O I SCoA COOHICH2IC=O I COOH COOH I CH2 IOH-C-COOH I CH2 I COOH COOH I CH2 I H-C-COOH I CH- OH I COOH COOH I CH2 I CH2 I CH=O I COOH COOH I CH2 IHC-OH I COOHCOOHICH2ICH2IC=OISCoACOOHICH2ICH2ICOOH2. Trecerea Citratului la Izocitrat EAconitaz- ce contine Fe i glutation redus. Enzima exist sub 2 forme izoenzimatice: a. n MCb. Citoplasm3. Oxidarea Izocitratului la Alfa-cetoglutarat . E-IzocitratDH, care are ca coenzim NAD, necesit Mg2+, const din 8 subunitti (380000D)- este activat de: ADP- inhibat de: NADH+H+ATP4. Oxidarea alfa cetoglutaratului la succinil CoA sub actiunea complexului polienzimatic Alfa cetoglutaratDH asemntor cu complexul Piruvat DH compus din 5 coenzime i 3 enzime. Procesul se desfoar n cinci etape.Diacilarea SuccinilCoA cu formare de Succinat i GTP, ca rezultat al fosforilrii la nivel de substrat 6.Dehidrogenarea Succinatului la Fumarat E- SDH FAD dependent-8. Oxidarea Malatului la OA E- MDH7. Hidratarea Fumaratului la MalatCOOHICHIICHICOOH

Reglarea ciclului KrebsCitrat sintazaIzocitratDHAlfa cetoglutaratDH

Citrat sintaza

Inhibat - succinil CoA; AG; NADH; citratActivat: S - OA, Acetil CoA

IzocitratDH:

Este o enzim alostericActivat: ADP, Mg, Mn, CaInhibat: NADH2 i NADPH2, ATP

Alfa cetoglutaratDH

Inhibat: succinil CoA; NADH2; Se mareActivat de Ca 2+

Rolul:

Donor de protoni i electroni pentru LRIntegrativAmfibolicenergetic

Caracterul amfibolic al ciclului Krebs

Reaciile care utilizeaz ca substrat intermediari ai ciclului Krebs sunt numite reacii cataplerotice. Aceste reacii servesc nu numai la sinteza unor produi importani ci i la evitarea acumulrii n mitocondrie a unor intermediari peste anumite limite.

citratulacumularea intramitocondrial a citratului duce la transportul su n citosol. n perioadele post-prandiale, n ficat, excesul de citrat este convertit n acetil-CoA, care servete ca precursor pentru sinteza acizilor grai.

-cetoglutaratul-cetoglutaratul este un precursor al biosintezei aminoacizilor neeseniali. n esutul nervos -cetoglutaratul este transformat n glutamat i GABA (neuro-mediatori).

succinil-CoAsuccinil-CoA intervine ca precursor n sinteza hemului

malatuln perioadele inter-alimentare, malatul este exportat n citoplasm unde intr n fluxul gluconeogenezei.

oxaloacetatulAcumularea oxaloacetatului duce la utilizarea lui la precursor n sinteza aminoacizilor neeseniali

Ciclul Krebs / rol amfibolicThe citric acid cycle provides intermediates for biosyntheses

Reaciile anaplerotice

Reaciile ce furnizeaz produii intermediari ai ciclului Krebs

Formarea de OA

Piruvat +CO2+ATPOA+ADP+PiE- piruvatcarboxilaza (biotin dependent) , enzim abundent n ficat i esutul nervos n miocard i muchi:Fosfoenolpiruvat +CO2+GDP OA +GTPE- fosfoenolpiruvatcarboxikinaza

2. Formarea alfa cetoglutaratului:

Glu + Piruvat cetoglutarat + AlaE - AlAtGlu + NAD a-cetoglutarat + NADH +H + NH3E- GDH

3. Formarea lui succinil CoA din propionil CoA: 1. din oxidarea AG cu numr impar de atomi de C; 2. din catabolismul Val, Ile, Met

4. Formarea fumaratuluidin catabolismul Fen i Tyr

Aplicaii biomedicaleDeficitul E implicate n ciclul Krebs (fumaraza; alfa cetoglutarat DH) se ntlnete n cazul unor afeciuni eriditare manifestete prin:Acidoz lactic (piruvatul trece n lactat)Deficit energetic cu repercusiuni asupra dezvoltrii neuromotorii (retard mental, hipotonie, encefalopatie sever)Amplificarea cetogenezei

****************************FIGURE 13-12 Mg2+ and ATP. Formation of Mg2+ complexes partially shields the negative charges and influences the conformation of the phosphate groups in nucleotides such as ATP and ADP.**************Nucleic acids, DNA & RNA, are polymers of nucleotides, involved in the storage and recovery of genetic information in a cell which ultimately determines what proteins are made.*****************************************Acetyl-CoA: acetyl coenzyme AOAA: oxaloacetateCS: citrate synthaseCit: citrateAC: aconitaseIcit: isocitrateNAD+/NADH: nicotinamide adenine dinucleotideICDH: isocitrate dehydrogenaseaKG: a-ketoglutarateaKGDH: a-ketoglutarate dehydrogenaseSCoA: succinyl coenzyme ASCoAS: succinyl coenzyme A synthetaseGDP: guanosine diphosphateGTP: guanosine triphosphateSuc: succinateSDH: succinate dehydrogenaseFAD+/FADH2: flavin adenine dinucleotideFum: fumarateFR: fumaraseMal: malateMDH: malate dehydrogenase

******