45
METABOLISM ENERGETIC

Metabolismul Energetic - Biochimie

Embed Size (px)

DESCRIPTION

METABOLISM ENERGETIC• Organismele vii pentru a exista şi a se reproduce se află într-un schimb permanent de energie şi substanţă cu mediul înconjurător • Sursa de energie pentru toate formele de viaţă de pe Pământ este radiaţia solară • Totalitatea proceselor, a transformărilor care au loc într-un organism viu poartă denumirea de metabolism.• Metabolismul este alcătuit din secvenţe de reacţii denumite secvenţe metabolice. În aceste secvenţe, produsul unei reacţii devine substrat pentru urm

Citation preview

Page 1: Metabolismul Energetic - Biochimie

METABOLISM ENERGETIC

Page 2: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Organismele vii pentru a exista şi a se

reproduce se află într-un schimb

permanent de energie şi substanţă cu

mediul înconjurător

• Sursa de energie pentru toate formele de

viaţă de pe Pământ este radiaţia solară

• Totalitatea proceselor, a transformărilor

care au loc într-un organism viu poartă

denumirea de metabolism.

Page 3: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Metabolismul este alcătuit din secvenţe de

reacţii denumite secvenţe metabolice. În

aceste secvenţe, produsul unei reacţii

devine substrat pentru următoarea reacţie

din secvenţă, produşii succesivi ai

reacţiilor chimice fiind cunoscuţi ca

metaboliţi.

Page 4: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Metabolismul este alcătuit din:

– Catabolism – degradare a constituenţilor

celulari la compuşi mai simpli; decurge cu

mobilizare (eliberare) de energie

– Anabolism – edificare şi refacere a

constituenţilor celulari din precursori; decurge

cu consum de energie

Page 5: Metabolismul Energetic - Biochimie

Bioenergetică

• Termodinamica biochimică sau bioenergetica,

studiază transformările energetice care însoţesc reacţiile

biochimice.

• Orice eveniment implică modificarea conţinutului în

energie al sistemelor participante şi schimburi de energie

între sisteme şi mediu.

• Sistemele termodinamice reprezintă porţiuni din

Univers separate real sau imaginar de mediul

înconjurător, care schimbă energie cu mediul

• Funcţiile de stare reprezintă valori bine definite ale unor

mărimi variabile (temperatură, presiune, număr de moli)

ce caracterizează o anumită stare a sistemului

Page 6: Metabolismul Energetic - Biochimie

Legile termodinamicii

• Termodinamica analizează modificarea conţinutului în

energie al unui sistem când acesta trece dintr-o stare

(starea iniţială) în alta (starea finală) şi schimbul de

energie dintre sistem şi mediu

• Principiul I, principiul conservării energiei afirmă că

energia Universului este constantă “Energia nu poate fii

creeată nici distrusă, ea poate suferi doar transformări

dintr-o formă în alta sau poate trece de la un sistem la

altul”

• Principiul II, principiul evoluţiei, stabileşte sensul în

care au loc transformările însoţite de schimbări de

energie. “Entropia sistemului creşte”

Page 7: Metabolismul Energetic - Biochimie

Energia liberă

• Energia internă a unui sistem este suma a două componente:

E = G + TS

• 1. Energia liberă, convertibilă la temperatură constantă în lucru util. Ea

este reprezentată de ceea ce este ordine şi poate deveni dezordine, de

ceea ce nu este deja haotizat.

• 2. Energia legată reprezintă o energie care nu poate fi transformată în

travaliu, în lucru util (la temperatură constantă).Ea este rezultatul mişcării

dezordonate a particulelor componente, atomi sau molecule. Un travaliu

înseamnă o mişcare ordonată, dezordinea nu se poate transforma la

aceeaşi temperatură în ordine.

Page 8: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Energia liberă de reacţie, reprezintă variaţia

energiei libere la trecerea reactanţilor în produşi

de reacţie, se exprimă în Kcal şi măsoară gradul

de spontaneitate al transformării

Page 9: Metabolismul Energetic - Biochimie

• După valoarea lui D G, reacţiile chimice pot fi împărţite în :

–reacţii exergonice, pentru care DG < 0 , reacţia evoluează

spontan de la stânga la dreapta (poate efectua travaliu);

–reacţii endergonice, pentru care DG > 0, reacţia nu poate

efectua travaliu şi necesită pentru desfăşurarea de la stânga la

dreapta energie din exterior;

–reacţii la echilibru, pentru care DG = 0, reacţia este

endergonică în ambele sensuri şi nu poate evolua spontan în

nici un sens

Page 10: Metabolismul Energetic - Biochimie

Energia liberă este o mărime aditivă.

• Energia liberă pe toată calea metabolică este:

D Gtotal = D G1 + D G2 + D G3 + …

• –dacă D Gtotal < 0, calea metabolică este exergonică (catabolică),

• –dacă D Gtotal > 0, calea metabolică este endergonică (anabolică)

Page 11: Metabolismul Energetic - Biochimie

Energia liberă este o mărime extensivă

• aceiaşi reacţie poate avea valori DG variabile în funcţie de

concentraţiile reactanţilor şi ale produşilor.

• se defineşte o stare standard a substanţelor şi condiţii standard

de mediu : temperatura standard este de 250 C, presiunea de 1

atmosferă şi concentraţia molară a compuşilor este de 1M.

Page 12: Metabolismul Energetic - Biochimie

Energia liberă de reacţie standard (DG0)

• (DG0), reprezintă variaţia energiei libere într-o reacţie în care concentraţiile

iniţiale ale reactanţilor şi ale produşilor sunt 1M, temperatura standard este

de 250C (uneori 370C) şi presiunea de o atmosferă.

• Relaţia dintre D G şi D G0 pentru transformarea:

A + B C + D

este

unde R este constanta generală a gazelor (1,98 cal/mol/grad),

T este temperatura absolută la care se desfăşoară reacţia (273 K + 250C).

[A][B]

[C][D]RTln 0ΔG ΔG +=

Page 13: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Când concentraţia iniţială a reactanţilor şi a

rezultanţilor este 1M, avem

• La echilibru: D G = 0

0 = D G0 + RT ln Kechilibru

1]B[]A[

]D[]C[=

rezultă: D G = D G0

D G0 = - RT ln Kechilibru D G0 = - 2,36 log Kechilibru

Page 14: Metabolismul Energetic - Biochimie

Energia liberă de reacţie standard la pH = 7

DG0’

• Pentru a respecta condiţiile în care se

desfăşoară reacţiile în organismele vii,

concentraţia protonilor se consideră a fi 10-7

( pH=7) în loc de 1M (pH =0)

Page 15: Metabolismul Energetic - Biochimie

Energia liberă pentru reacţiile de oxido-reducere

• Reacţiile de oxido-reducere (redox), au loc prin transfer de electroni între doi compuşi.

• Cuplurile Ared şi Aox sau Box şi Bred , constituite din forma redusă şi forma oxidată ale aceluiaşi compus poartă denumirea de sistem redox.

• Dacă într-o soluţie se află două sisteme redox, electronii vor trece de la sistemul cu afinitate mai mică pentru electroni (sistemul reducător), spre cel cu afinitate mai mare (sistemul oxidant).

• Tendinţa sistemelor redox de a ceda sau primi electroni (caracterul lor oxidant sau reducător), se măsoară cu ajutorul potenţialelor redox (E).

Ared + Box Aox + Bred

Page 16: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Potenţialele redox sunt diferenţe de

potenţial între două sisteme redox

cuprinse în compartimente diferite între

care electronii pot circula prin intermediul

a doi electrozi conectaţi printr-un

conductor, iar ionii circulă prin intermediul

unei punţi realizată prin încorporarea unui

electrolit (KCl), într-un gel de agar

Page 17: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Componentele celulei de oxido-reducere.

– două sisteme redox cuprinse în compartimente diferite;

– o punte formată dintr-un gel de agar în care este încorporat un electrolit (KCl), prin intermediul căreia ionii circulă între cele două compartimente;

– doi electrozi conectaţi printr-un conductor prin intermediul cărora circulă electronii între cele două compartimente;

– un voltmetru intercalat în circuit cu care se măsoară diferenţa de potenţial între cele două celule.

Page 18: Metabolismul Energetic - Biochimie

Potentiometru

e-

e-

Zinc CupruCl- K+

Punte de sare

ZnSO4 CuSO4

Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e-

Reactia de oxidare

Cu2+ (aq) + 2e- Cu

Reactia de reducere

Zn2+

Zn2+

SO4

2-

SO4

2-

SO4

2-

Cu2+

Cu2+

Page 19: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Potenţialul redox standard (E0), reprezintă diferenţa de

potenţial dintre o semicelulă cuprinzând sistemul redox de

cercetat în concentraţie 1M şi o semicelulă de referinţă.

Sistemul redox de referinţă este o soluţie de acid tare în care

[H+] = 1 M şi în care se barbotează H2 la presiunea de o

atmosferă. Potenţialul acestei semicelule este prin convenţie,

nul.

Page 20: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Potenţialul redox standard (E0’) pentru condiţii biochimice,

pH = 7, se află măsurând E0 care este potenţialul redox

standard al sistemului de oxido-reducere la pH = 0, la care se

adaugă –0,421 volţi cât reprezintă potenţialul redox al unui

electrod de hidrogen în care [H+] = 10-7 ioni/litru faţă de

electrodul normal de hidrogen.

• Un sistem redox oxidează toate sistemele cu potenţiale mai

mici, după cum el este oxidat de toate sistemele cu

potenţiale mai mari, mai pozitive.

• Reacţiile redox sunt puternic exergonice.

Page 21: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Variaţia de energie liberă (D G0’) depinde de diferenţa de potenţial

(E0’) dintre participanţii la reacţii, potrivit relaţiei:

D G0’ = - n F DE0’

unde:

n – numărul de electroni transferaţi;

F – echivalentul caloric al lui Faraday 23,062 kcal;

DE0’ -diferenţa dintre potenţialele redox standard ale

reactanţilor.

• Deoarece potenţialele redox sunt uşor de măsurat, relaţia permite

evaluarea efectelor energetice ale proceselor redox din organism.

Page 22: Metabolismul Energetic - Biochimie

Potenţialele redox (E0’) ale unor sisteme

biochimice

Sistem redox E 0’ (V)

Oxidant Reducător

½ O2 + 2H+ H2O 0,82

Citocrom c (Fe3+) Citocrom c (Fe2+) 0,22

Ubichinona (Q) Ubichinol (QH2) 0,10

Dehidroascorbat Ascorbat 0,08

Fumarat Succinat 0,03

Piruvat Lactat -0,19

GSSG 2 GSH -0,23

NAD+(NADP+) NADH (NADPH) -0,32

2H+ H2 -0,42

Page 23: Metabolismul Energetic - Biochimie

Compuşi macroergici

• Legătura care este scindată hidrolitic într-o reacţie puternic exergonică este denumită legătură macroergică şi este reprezentată astfel: (~).

• valoarea limită a energiei libere de reacţie pentru hidroliza unei legături macroergice este cea a legăturilor pirofosforice din ATP de 7,3 kcal/mol.

• Compusul care are în structura sa o legătură macroergică este un compus macroergic.

Page 24: Metabolismul Energetic - Biochimie

Reacţii de hidroliză în care se scindează

legături macroergice

• Nucleozid trifosfaţii (ATP, GTP, TTP, UTP, CTP) şi nucleozid

difosfaţii (ADP, GDP,TDP, UDP, CDP) cuprind două, respectiv o

legătură ~P.

• Energia înmagazinată în ATP poate fi utilizată în două moduri:

Prin scindarea hidrolitică a unui rest fosforil:

ATP + HOH ADP + Pa DG0’ = -7,3 kcal/mol

Prin detaşarea acidului pirofosforic:

ATP + HOH AMP + PPa DG0’ = -7,3 kcal/mol

pirofosfataza:

PPa + HOH 2 Pa DG0’= - 9 kcal/mol.

Page 25: Metabolismul Energetic - Biochimie

• in vivo lipseşte enzima corespunzătoare reacţiei:

ADP + HOH AMP + Pa DG0’ = -7,3 kcal/mol

Nici reacţia inversă nu este posibilă.

• Energia conservată în legătura macroergică din ADP poate fi

utilizată pentru sinteză de ATP prin reacţia catalizată de

adenilat kinază (miokinază), în muşchi:

• Este cazul unui muşchi care efectuează contracţii puternice în

anaerobioză.

2 ADP ATP + AMPmiokinaza

Page 26: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Reacţia catalizată de adenilat kinază

- permite utilizarea legăturii

macroergice din ADP pentru sinteză de

ATP;

- permite transformarea AMP în ATP;

- AMP acţionează ca semnal metabolic,

activând glicoliza musculară în scopul

producerii de ATP.

Page 27: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Legături macroergice de tip anhidridă acidă la

metabolitul glicolitic, acid 1,3-bisfosfogliceric:

C

O

O

HC

H2C

OH

OPO3

2-2-

~PO3

2-2-

+ H2O

COO-

HC

H2C

OH

OPO3

2-2-

+ Pa

DG0` = - 11,8 Kcal/mol

Page 28: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Acidul fosfoenolpiruvic cuprinde o legătură

~P, de tip fosfoenol.

~PO3

2-2-+ H2O

COO-

C

CH2

O + Pa

DG0` = - 14,8 Kcal/mol

C

CH3

O

COO-

Page 29: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Fosfocreatina conţine o legătură fosfoamidică.

• În stare de repaus creatinfosfatul se poate acumula în anumite limite

în muşchi, constituindu-se ca o rezervă de legături macroergice.

DG0` = - 10,3 Kcal/mol

CH2N

NH

HN

COOH

CH3

~PO3H2

H2O Pa

CH2N

NH2

HN

COOH

CH3

Page 30: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Carbamilfosfatul intermediar în procesul de sinteză a

ureei conţine o legătură macroergică prin a cărei

hidroliză se eliberează 12,3 kcal/mol:

C

O

O

NH2

~PO3H2

Page 31: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Tiolesterii R-CO~SCoA. Cei mai importanţi sunt tiolesterii

coenzimei A cu acizii graşi:

CH3-(CH2) 14-CO~SCoA + HOH CH3-(CH2) 14-COOH

+ CoA-SH

DG0’ = -7,5 kcal/mol.

Page 32: Metabolismul Energetic - Biochimie

Factori care imprimă anumitor legături caracterul

macroergic

-stabilizarea prin rezonanţă a acizilor care rezultă prin hidroliza legăturilor

anhidridice

• Acidul fosforic este stabilizat prin rezonanţă faţă de acidul pirofosforic

• Acidul carboxilic şi acidul fosforic prezintă fiecare mai multe structuri limită în

rezonanţă decât anhidrida carboxil-fosforică

OH

OH

HO

O

P2+ H2OO

OH

HO

O

P OH

OH

O

P~....

OH

OH

HO

O

P+ H2OOR

O

C OH

OH

O

P~.... ..

OHR

O

C..

+

Page 33: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Prin reacţia de hidroliză se micşorează repulsiile electrostatice dintre

sarcini de acelaşi fel din molecula reactantului.

O

O-

O-

O

P O

O-

O

P adenozină

O-

O

P O-

O

O-

O

P adenozină

O-

O

P

H2O Pa

O-

O

O-

O

P adenozină

O-

O

P

H2O Pa

O-

adenozină

O-

O

P

Page 34: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Prezenţa ionilor de Mg2+ în celule – afinitatea ADP este de 6

ori mai mare decât a ATP

• Legătura macroergică din acidul fosfoenolpiruvic este de tip enol-

fosforică

O

O-

O-

O

P O

O

O

P adenozină

O

O

P O-

O

O

O

P adenozină

O

O

P

Complexul Mg - ATP Complexul Mg - ADP

Mg2+

Mg2+

~PO3

2-2-

H2OCOO

-

C

CH2

O

Pa

C

CH2

OH

COO-

C

CH3

O

COO-

Fosfoenol-

piruvatEnolpiruvat Piruvat

tautomerizare

mai stabil

Page 35: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Legătura P-O din AMP nu este macroergică.

• In celule nu există enzimă care să asigure scindarea

acestei legături.

• Hidroliza AMP se poate efectua in vitro:

AMP + HOH Adenozină + Pa

D G0’ = - 3,4 kcal/mol

Page 36: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Transportul energiei în sistemele biologice, în care temperatura este constantă, se face prin reacţii cuplate.

• Cuplarea se poate face în două moduri:– când unul dintre produşii de reacţie ai reacţiei exergonice este reactant

în reacţia endergonică (fosforilarea glucozei sau a glicerolului se face, în prezenţa enzimelor specifice, pe seama energiei eliberate la hidroliza ATP);

– printr-un intermediar energetic comun, care în lumea vie este ATP.

Page 37: Metabolismul Energetic - Biochimie

• ATP se află la mijlocul unei ierarhii termodinamice a

compuşilor fosforilaţi.

• ATP reprezintă “moneda de schimb în tranziţiile

energetice”.

• ATP nu se depozitează, concentraţia intracelulară a

ATP nedepăşind 1mM.

Page 38: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Valorile D G0’ pentru reacţiile de hidroliză ale unor compuşi

macroergici şi ale unor compuşi care nu sunt macroergici.

Compusul DG0’

Acidul fosfoenol piruvic -14,8

Carbamilfosfatul -12,3

Acidul 1,3-bisfosfogliceric -11,8

Creatinfosfatul -10,5

Acil-CoA -7,5

ATP ADP + Pa -7,3

Glucozo-1-fosfatul -5,0

Glucozo-6-fosfatul -3,3

Glicerol-3-fosfatul -2,2

Page 39: Metabolismul Energetic - Biochimie

• compuşi cu potenţial mare de fosforilare

• ATP-ul intermediar comun metabolic, cuplând

transferul de energie de la compuşii macroergici, cu

fosforilarea ADP şi utilizarea ulterioară a energiei

transferate pe ATP în reacţiile endergonice.

A B

D C

ADP + Pa ATP

reactie

exergonică

reactie

endergonică

Page 40: Metabolismul Energetic - Biochimie

ADP ATP

Glucoză Glicerol

Glucozo- Glicerol-6-fosfat 3-fosfat

Fosfoenolpiruvat

1,3-Bisfosfo-glicerat

Creatin fosfat

~P ~P~P

Page 41: Metabolismul Energetic - Biochimie

Utilizarea metabolică a ATP

• Activarea glucozei prin transformarea în glucozo-6-fosfat

Valoarea D G0’ pentru această reacţie este dată de:

ATP + HOH ADP + Pa D G0’ = -7,3 kcal/mol

glucoză + Pa glucozo-6-fosfat + HOH D G0’ = +3,3 kcal/mol

-----------------------------------------------------------------------------------------

glucoză + ATP glucozo-6-fosfat + ADP

• Activarea glicerolului.

glicerol + ATP glicerol-fosfat + ADP

Reacţia este catalizată de glicerol kinază.

DG0’ = -7.3 + 3,3 =

-4 kcal/mol

Page 42: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Activarea aminoacizilor necesită scindarea ATP la AMP şi PPa.

aminoacid + ATP + ARNt aminoacil~ARNt + AMP + PPa

• Activarea acizilor graşi necesită scindarea ATP la AMP şi PPa.

• Pentru formarea legăturii macroergice C~S este nevoie de mai mult

de 7,3 kcal/mol.

R-COOH + ATP + CoA-SH R-CO~SCoA + AMP + PPa

PPa + HOH 2 Pa

pirofosfatază

Page 43: Metabolismul Energetic - Biochimie

Utilizarea metabolică a celorlalţi nucleozid trifosfaţi.

• Uridintrifosfatul (UTP) este utilizat pentru activarea glucozei la derivatul UDP-glucoză.

• Citidintrifosfatul (CTP) este utilizat în metabolismul lipidic.

• Sinteza legăturilor peptidice consumă energie furnizată atât de ATP cât şi de GTP.

• Nucleozid trifosfatii cu riboză si dezoxiriboză participă la sinteza legăturilor internucleotidice din acizii nucleici în reactiile catalizate de ARN sau ADN polimeraze.

• Legăturile macroenergice din aceşti NTP provin tot din ATP prin intermediul reacţiei:

• NDP + ATP ADP + NTP

• Reacţia este catalizată de enzima nucleozid difosfat kinază

Page 44: Metabolismul Energetic - Biochimie

Sinteza ATP

• Sinteza ATP în celulele animale se face

prin:

–fosforilare la nivel de substrat;

–fosforilare oxidativă.

Page 45: Metabolismul Energetic - Biochimie

• Sinteza de ATP prin fosforilare la nivel

de substrat.

- Sinteza de ATP cuplată cu oxidarea

gliceraldehidei-3-fosfat

- Sinteza de ATP cuplată cu transformarea

acidului 2-fosfogliceric în acid piruvic.

- Sinteza de ATP cuplată cu

decarboxilarea oxidativă a acidului a-

cetoglutaric