BiochimieCurs nr. 7Transformri biochimice ale monozaharidelor Totalitatea reaciilor chimice din organismele vii formeaz metabolismul acestora. Metabolismul cuprinde procesele catabolice, caracterizate prin reacii n care substane cu structur relativ complicat cum sunt hidraii de carbon, proteinele i grsimile (principalele componente ale alimentelor) sunt transformate n substane mai simple i procesele anabolice n care se sintetizeaz substane cu structuri complicate, pornind de la molecule mai simple. Procesele catabolice sunt n general nsoite de eliberare de energie. Procesele anabolice sunt consumatoare de energie. Biochimia are rolul de a cerceta transformrile chimice din celulele vii, n ansamblul lor. Chimia organic este interesat mai ales de cunoaterea substanelor ce apar n celulele vii. Ea studiaz "static" aceste substane, a cror existen o constat i pe care le caracterizeaz din punct de vedere chimic, n timp ce biochimia este interesat de procesele la care iau parte aceste substane. Transformrile catabolice i anabolice ale hidrailor de carbon se afl n centrul activitii biochimice din celulele vii. Sintezele i degradrile proteinelor i ale grsimilor sunt, n mare msur, dependente de metabolismul hidrailor de carbon. Transformrile hidrailor de carbon pot avea loc n dou moduri diferite: fr intervenia oxigenului (procese anaerobe) i cu intervenia sa (procese aerobe). Cu excepia ctorva bacterii strict anaerobe (pentru care oxigenul este toxic), majoritatea microorganismelor pot tri att n condiii aerobe, oxidnd complet substanele alimentare, ct i n condiii anaerobe, n care caz produc degradri mai puin avansate acestor substane. Animalele nu pot tri dect n condiii aerobe. Unele esuturi animale pot vieui ns i n condiii anaerobe trectoare. De pild, n muchi, dup un exerciiu intens, consumul de oxigen depete aportul normal pe calea circulaiei sanguine. Procesele anaerobe din muchi pot fi studiate experimental, izolnd muchiul i provocnd contraciile sale n afara organismului sau mrunindu-l i studiind aciunea terciului asupra diferitelor substraturi. Studii similare s-au fcut i cu esuturi din alte organe (ficat, creier etc.). Fermentaia alcoolic n acest proces, o molecul de hexoz, capabil s fermenteze, dizolvat n ap, sufer o descompunere n bioxid de carbon i alcool etilic, conform ecuaiei descoperite de Gay-Lussac: C6H12O6 = 2 C2H5OH + 2 CO2 Fermentaia este provocat de organismele microscopice din drojdie (Saccharomyces cerevisiae), larg rspndite n natur. Pasteur (1857) a observat c o soluie de zahr, sterilizat prin nclzire i izolat de atmosfer, poate fi inut indefinit fr s fermenteze. n fermentaia alcoolic, se desfoar urmtoarele reacii catalizate de ctre enzime: a) Formarea monozaharidelor fosforilate. Din soluii de glucoz n fermentaie, crora li s-a adugat un fosfat anorganic, au fost izolai unii esteri ai acidului fosforic (fig. 4.1). Se formeaz mai nti 6-fosfatul de D-glucopiranoz (esterul lui Robison, I); acesta trece n 6-fosfat de D-fructofuranoz (esterul lui Neuberg, II), care se transform n 1,6-difosfatul de D-fructofuranoz (esterul Harden i Young, III). Prima reacie este catalizat de ctre hexokinaz i are loc cu participarea unei molecule de ATP care furnizeaz restul fosfat.

1

Reacia nu ar fi termodinamic posibil, fr participarea ATP-ului, datorit energiei libere pozitive ( Go'= + 3,3 kcal/mol). Transferul fosfatului de molecula ATP i formarea legturii esterice este favorabil energetic, ntruct se elibereaz Go'= 4,0 kcal/mol ( Go'= 7,3 kcal/mol, pentru hidroliza ATP).CHOH H HO H H C C C C CH2OH OH H OH O 1 H HO H H CHOH C C C C CH2OPO3H2 OH H OH O 2 CH2OH HO HO H H C C C C CH2OPO3H2 H OH O 3 HO HO H H CH2OPO3H2 C C C C CH2OPO3H2 H OH O

D-glucoza

Esterul lui Robison, I

Esterul lui Neuberg, II

Esterul HardenYoung, III

Fig. 4.1. Primele reactii biochimice din procesul fermentatiei alcoolicen reacia 1, funcia de coenzim este ndeplinit astfel de acidul adenozin-trifosforic (ATP), care poate transfera un rest de fosfat la D-glucoz, transformndu-se n acid adenozin-difosforic (ADP). Reacia 2 este catalizat de o oxo-izomeraz, numit fosfogluco-izomeraz. Mecanismul reaciei presupune formarea unui intermediar endiol legat de enzim ce poate fi convertit rapid la forma ceto sau aldo a zahrului respectiv. Izomerizarea nu implic un schimb important de energie liber, astfel nct reacia este practic reversibil Go'= + 0,4 kcal/mol. n reacia 3 are loc transferul unui rest de fosfat, de la o a doua molecul de ATP la compusul II, sub aciunea enzimei fosfofructo-kinazei. Enzima necesit magneziu n aceast reacie i este reglat alosteric, fiind ncetinit de ctre ADP i AMP. Din nou, diferena de energie liber, Go'= 3,4 kcal/mol, face ca reacia spre dreapta s fie ireversibil. b) Decondensarea aldolic. 1,6-Difosfatul de fructofuranoz sufer, sub aciunea enzimei aldolaz, o rupere a moleculei prin care se formeaz esterii fosforici ai celor dou trioze: fosfatul D-glicerinaldehidei i fosfatul dihidroxiacetonei. Reacia nu este favorabil termodinamic avnd Go'= + 5,7 kcal/mol, dar este deplasat n direcia formrii triozelor datorit att naturii exergonice a formrii fructozo-1,6-difosfatului, ct i oxidrii ulterioare a fosfatului de glicerinaldehid (glicerinaldehid-3-fosfat) ntr-o reacie cu o energie liber negativ. n continuare, particip la formarea alcoolului numai fosfatul glicerinaldehidei. Fosfatul dihidroxiacetonei este ns izomerizat la fosfatul glicerinaldehidei, sub aciunea izomerazei fosfailor de trioze.

CH2OPO3H2 C=O HO C H H C OH H C OH CH2OPO3H2 Esterul HardenYoung, III

CH2OPO3H2 C O + H CH2OH Fosfatul dihidroxiacetonei

CHO C OH CH2OPO3H2 Fosfatul D-glicerinaldehidei

2

Aceste dou substane pot fi izolate, cnd se lucreaz n anumite condiii. CHO CH2OHH C OH C O CH2OPO3H2 4% CH2OPO3H2 96%

Echilibrul este deplasat spre dreapta, deoarece Go'= 1,8 kcal/mol. Intermediar se formeaz un endiol. c) Formarea acidului D-fosfogliceric. Fosfatul glicerinaldehidei este oxidat n continuare la D-3fosfogliceric. Reacia este catalizat de dehidrogenaza fosfatului de trioz, o enzim care necesit codehidraz I. Codehidraza I este nicotinamid-dinucleotida (NAD). Aceast coenzim extrage doi atomi de hidrogen din aldehid i trece n hidrocodehidraz I (fig. 4.2). d) Formarea acidului piruvic. Acidul 3-fosfogliceric sufer o serie de transformri, trecnd n acid piruvic. Defosforilarea acidului fosfo-enol-piruvic, are loc prin intervenia (alturi de fosfokinaza piruvic) a acidului adenozin-difosforic, ADP, care trece n acid adenozin-trifosforic. Se regenereaz astfel cele dou molecule de ATP consumate la sinteza esterului Harden-Young. OPO3H2 CHO CH OH (1) H C OH + H3PO4 H C OHCH2OPO3H2 OPO3H2 OH OH + NAD+ CH2OPO3H2 OPO3H2 O + OH + NADH + H

CH (2) H C

C H C

CH2OPO3H2 OPO3H2 O OH + ADP

CH2OPO3H2 OH O OH + ATP

C (3) H C

C H C

CH2OPO3H2

CH2OPO3H2

Fig. 4.2. Formarea acidului fosfogliceric in procesul fermentatiei alcoolice

e) Formarea etanolului. Acidul piruvic este primul derivat nefosforilat din ntreg lanul de reacii ad. Sub influena enzimei carboxilaz, care are drept coenzim pirofosfatul vitaminei B1, acesta se transform n acetaldehid: CH3COCOOH CH3CHO + CO2 Bioxidul de carbon se degaj liber n fermentaia alcoolic, iar acetaldehida este hidrogenat la alcool prin hidrogenul cedat de hidrocodehidraza I, care acioneaz mpreun cu dehidrogenaza alcoolului: CH3CHO + NADH + H+ CH3CH2OH + NAD+ n aceast reacie se regenereaz deci codehidraza I n stare oxidat.

3

H

H2O fosfogliceroH C OPO3H2 mutaza enolaza CH2OH CH2OPO3H2 Acid Acid 2-fosfogliceric 3-fosfogliceric C OH fosfoCOOH COOH kinaza spon- C O C OPO3H2 piruvica C OH tan CH2 CH3 CH2 Acid fosfoAcid enolAcid piruvic enol-piruvic piruvic COOH

COOH

COOH

f) Procese secundare. Alturi de etanol se mai formeaz 2-3% glicerin. Aceasta se formeaz la nceputul procesului fermentativ, cnd concentraia acetaldehidei este insuficient pentru a accepta tot hidrogenul hidrocodehidrazei. n acest stadiu funcioneaz ca acceptor de hidrogen fosfatul dihidroxiacetonei, care trece astfel n acid glicerinfosforic i apoi n glicerin: CH2OH CH2OH CH2OH + + NADH + H HC HC OH C O OH - NAD+ CH2OPO3H2 CH2OH CH2OPO3H2 Dac se adaug sulfit de sodiu n soluia de zahr supus fermentaiei, acetaldehida este blocat sub form de combinaie bisulfitic i ntregul proces decurge altfel: dintr-un mol de glucoz rezult un mol de glicerin, unul de CO2 i un mol de acetaldehid (sub form de combinaie bisulfitic). g) Bilanul de materiale i de energie. Dintr-o molecul de glucoz, n fermentaia alcoolic, se formeaz dou molecule de etanol i dou de CO2, cu un randament de 96%. Pentru a se forma 1,6-difosfatul de fructoz, sunt necesare dou molecule de acid adenozintrifosforic, ATP, care cedeaz fiecare cte un rest de fosfat moleculei de hexoz. n procesul fermentaiei alcoolice, nu se poate realiza direct esterificarea hexozei cu fosfat anorganic, din motive energetice. Acidul adenozin-trifosforic poate transfera altor molecule resturi de fosfat, datorit caracterului energetic deosebit al legturii dintre grupa PO3H2 marginale i restul moleculei. Entalpia liber de reacie, la hidroliza acidului adenozin-trifosforic, are o valoare negativ deosebit de mare:

O

O

O P OH OH + H2O

O

O OH + H3PO4 G = 11,5 kcal

A P O P O OH OH

A P O P OH OH

Reaciile de hidroliz ale altor esteri de acid fosforic decurg cu degajare de energie mult mai mic: hidroliza 1-fosfatului de glicerin 2,2 kcal, a fosfatului de D-glucoz 3,0 kcal, a 6-fosfatului de fructoz 3,5 kcal, a 1-fosfatului de D-glucoz 4,7 kcal. Acidul adenozin-trifosforic joac un rol esenial n schimburile energetice din toate esuturile vii. Sintezele fosfailor ce apar ca intermediari n fermentaii sunt reacii consumatoare de entalpie liber (reacii endoergice; G > 0); acestea sunt posibile datorit energiei care se elibereaz la desfacerea legturii bogate n energie a acidului adenozin-trifosforic. De pild, la formarea 6-fosfatului de D-glucoz prin transferul

4

unui rest de fosfat de la ATP se consum 3 kcal, dar se elibereaz 11,5 kcal; reacia este exoergic, ns diferena de 8,5 kcal se disipeaz sub form de cldur.D-Glucoza+ 2 ATP 1,6-Difosfat de fructofuranoza + 2 ADP 2 NAD 2 NADH 2 (2H) 2 H3PO4 + 2 ADP Acid 3-fosfogliceric moli) (2 2 CH3CH2OH Acid 2-fosfogliceric moli) (2 (2 Acid fosfo-enol-piruvic moli) 2 CO2 2 CH3CHO 2 H3PO4 + 2 ADP Acid piruvic(2 moli) 2 ATP Fosfatul dihidroxiacetonei Fosfatul D-glicerinaldehidei +H3PO4 2 (2 1,3-Difosfo-glicerinaldehida moli) 2 (2H) Acid 1,3-difosfogliceric2 moli) ( 2 ATP

Fig. 4.3. Schema generala a fermentatiei alcooliceATP se regenereaz necontenit. Pentru a nelege acest lucru, s-a studiat oxidarea fosfatului de glicerinaldehid, la acid fosfogliceric. Reacia aceasta decurge n trei stadii consecutive, dintre care primul const n adiia unui rest de fosfat anorganic la grupa aldehidic. n cel de-al doilea stadiu (reacia puternic exoergic de transfer de hidrogen de la substrat la codehidraz), o parte din energia degajat rmne nmagazinat n molecula acidului 1,3-difosfogliceric, sub forma unei legturi de fosfat foarte bogat n energie (G = 16,2 kcal). Prin aceasta devine posibil transferul restului de fosfat, n stadiul al treilea al reaciei i regenerarea unei molecule de ATP.COOH H C OPO 3H2 H2O enolaza CH 2OH Acid 2-fosfogliceric COOH C OPO 3H2 + ADP CH 2 Acid fosfoenol-piruvic COOH C OH + ATP CH 2 Acid enolpiruvic

Glicoliza reprezint degradarea anaerob a hidrailor de carbon n muchi i n alte esuturi. Glicoliza se deosebete de fermentaia alcoolic, n primul rnd prin faptul c muchiul i celelalte esuturi animale nu pot utiliza direct glucoz (sau alte monozaharide) n metabolismul lor, ci numai glicogen.CH2OH OH HO H OH O H H O CH2OH OH O H H HO OH H OH~

CH2OH O H OH H O PO3H2 HO

CH2OPO3H2 OH O H H OH

H H2PO3 OH

Glicogen

1-Fosfat de glucoza (Esterul lui Cori)

H OH ~ 6-Fosfat de glucoza (Esterul lui Robison)

5

Glicoliza care are loc la nivelul muchiului ncepe prin detaarea unui rest de glucoz de la o margine a macromoleculei de glicogen sub aciunea fosforilazei din muchi i a fosfatului anorganic. Restul de glucoz este astfel transformat n 1-fosfat de glucoz (esterul lui Cori). Sub aciunea enzimei fosfo-glucomutaz, 1-fosfatul este izomerizat n 6-fosfat de glucoz, care sufer n continuare aceleai transformri ca n fermentaia alcoolic pn se ajunge la acidul piruvic. De aici, reacia decurge diferit n esuturile animale, deoarece acestea nu conin carboxilaz.

C6H12O6

2 CH3COCOOH

esuturile animale posed ns cocarboxilaz, care reacioneaz cu acidul piruvic n colaborare cu alte enzime. Deoarece nu se formeaz acetaldehid, rolul de acceptor pentru hidrogenul hidrocodehidrazei l poate prelua acidul piruvic, care este transformat n acid L(+)-lactic:CH3COCOOH + NADH + H+ dehidrogenaza~ lactica

CH3CH(OH)COOH + NAD+

3. Bilanul ntregului proces este urmtorul: dintr-un rest de glucoz, desprins de la marginea macromoleculei de glicogen, se formeaz dou molecule de acid lactic: Codehidraza I (NAD+) este succesiv redus i apoi oxidat, la fel ca n fermentaie. Se sintetizeaz n total patru moli de ATP, ca n fermentaie, dar se consum numai unul, deoarece formarea 1-fosfatului de glucoz, pornind de la glicogenul bogat n energie, utilizeaz acid fosforic anorganic. Trecerea glucozei n acid lactic aduce celulei trei molecule de ATP pentru fiecare molecul de glucoz consumat. n aceste molecule rmne nmagazinat o energie de 34,5 kcal, care servete organismului pentru funciile sale vitale, ntre altele pentru producere de lucru mecanic. 4. Acidul lactic, format n muchii mamiferelor, este transportat pe calea sngelui n ficat, unde este retransformat n glicogen, prin parcurgerea tuturor reaciilor glicolizei n sens invers i, desigur, cu un consum corespunztor de ATP (Cori). Se pot observa asemnrile i deosebirile dintre fermentaia alcoolic i glicoliz n fig. 4.4.

6