C1R_metabolismenergetic

5/16/2018 C1R_metabolismenergetic - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/c1rmetabolismenergetic 1/63

METABOLISM ENERGETIC

De la hran ă la e

nergie



CE ESTE METABOLISMUL?

- Totalitatea transformărilor care au loc într-unorganism

- Alcătuit din catabolism (degradare la compuşi

mia simpli, cu producere de energie)

şi anabolism (construire compuşi complecşi dincompuşi simpli, cu consum de energie)



Ce este BIOENERGETICA

sau TERMODINAMICA BIOCHIMICĂ?

= studiul modificărilor energetice care însoţesc reacţiile biochimice



Apectele principale ce urmează săfie 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, fosforilareoxidativă)



Termodinamica • Studiul transformărilor energetice care au loc într-

un sistem.

• Sistemele biologice sunt sisteme deschise (între sistemşi 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 poatefi 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 direcţiacorespunzătoare creşterii entropiei ansamblului constituit din sistem şi mediul înconjurător.

Consecinţa: • Toate transformările energetice sunt ineficiente deoarece fiecare reacţie conduce la o creştere a entropiei şi la pierderea de energie sub formă de căldură.

Al doilea principiu al termodinamicii

(Principiul evoluţiei)



Radiaţia solară

este sursa

primară de energie pentrutoateorganismele vii.

Energia pătrunde în biosferă sub formă de radiaţie solară

şi părăseşte biosfera sub formă de căldură.

Organisme autotrofe

Organisme heterotrofe



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 uneireacţii determină spontaneitatea ei

1) dacă DG este negativă – reacţia va evolua spontande la stanga la dreapta (şi poate efectua travaliu)

2) dacă DG este pozitivă- reacţia nu va evolua

spontan de la stanga la dreapta, ci pentrudesfăşurarea ei necesită energie din exterior

3) dacă DG = 0 – reacţia este la echilibru, nuevoluează 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, 25C,conc. produşilor şi reactanţilor 1M)

R = constanta gazelor (1,98cal/molxK); T = temp.

Pentru reactia A + B

C + DDG = DG

o' + RT ln

[C] [D]

[A] [B]



La echilibru DG = 0.

K'eq, raportul [C][D] / [A][B] laechlibru.

Dacă K'eq > 1: reacţiespontană (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 şiconstanta de echilibru (K‟eq)



K'eq DG º'

kJ/molReactie (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 + DReacţia de mai sus se desfăşoară într -un volum de 2,5 l

soluţie; cantităţile în moli din fiecare component laechilibru sunt: A=10; B=5; C=5; D=5. Constanta deechilibru Keq pentru această reacţie are valoarea :A. 0,5B. 0,67

C. 1,00D. 1,5E. 2,00



Tipuri de reacţii în funcţie devaloarea ΔG

1. reacţii exergonice

2. reacţii endergonice



Reacţii endergonice

• Reacţii chimice care necesită un aport energeticexterior

• au ΔG >0 .• Exemplu:

1. Fotosinteza

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

Soare

fotoni

Energiesolară

(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

• Reacţii exergonice- recaţiile catabolice



Căile anabolice

• Reacţii metabolice, care consumă energie (endergonice), pentru a construi molecule complexe

din molecule simple.• Exemplu:

1. Fotosinteza

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

SoareEnergieluminoasă

(glucoza)



Căile catabolice

• Reacţii care eliberează energie (exergonice) prin caremolecule complexe se scindează în molecule simple.

• Exemplu:

1. Respiraţia celulară

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O +

ATP(glucoza)

energie



A

B

C

cale

catabolică

energie

energie

ATPEnergie

C1

B1

A1

cale

anabolică

energie

energie

Cuplarea căilor metabolice



Cuplarea reacţiilor metabolice

este posibilă datorită naturiiaditive a variaţiei energiei libere

O reacţie spontană poate susţine o reacţie non-spontană:o reacţie exergonică (ΔG1 <0 ) se poate cupla cu oreacţie endergonică (ΔG2>0)

Variaţiile energiei libere ale reacţiilor cuplate suntaditive, iar variaţia totală a energiei libere trebuie săfie 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 specific pentru sistemelebiologice.



Exemplu- Două reacţii din glicogenoliză

glucozo-1-P

glucozo-6-P DGo

' = -1,74kcal/molglucozo-6-P fructozo-6-P DGo' = +0,40kcal/mol

TOTAL: DGo' = -1,34 kJ/mol

I. Cuplarea prin intermediar comun obligatoriu



-Două reacţii care se derulează în acelaşi compartiment celular se potcupla printr-un intermediar energetic comun care prezintă două forme

E/E*, una energizată (E*) şi alta săracă energetic, intermediar careserveşte drept transductor de energie.

-Intermediarul comun energetic E, (spre deosebire de I, intermediarulcomun obligatoriu) nu trebuie să fie înrudit structural cu A, B, C sau

D

A

B C

DE

E*

Freeenergy

E*/E=ATP/ADP

I. Cuplarea prin intermediar comun energetic



Modelul ATP ca Donor Energetic Universal



Proprietăţile ATP



Structura ATP

• ATP conţine adenină, riboză şi 3 grupări fosfat unite două legături macroergice

P P P

Adenozin trifosfat (ATP)

2 fosfaţi bogaţi energetic 1 fosfat sărac energetic



Legăturile macroergice

- 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

ATPAdenozin 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

ADP AMP + 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)




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 la ADP

- are loc atunci cînd variaţia energiei libere a reacţiei endergonice este mai mică de 7,3kcal/mol

Exemplu

- Unele reacţii enzimatice pot fi interpretate drept două jumătăţi de reacţie cuplate, una spontană şi cealaltă

nespontană.

- La centrul activ al enzimei, cuplajul este favorizat

cinetic, în timp ce jumătăţile de reacţie sunt prevenite.



Reacţia catalizată de hexokinază; cele 2 jumătăţi de r eacţie

sunt:

ATP + H2O ADP + Pi DGo' = -7,3 kcal/mol

Pi

+ glucoză glucozo-6-P + H2O DGo' < +7,3 kcal/mol

Cuplaj: ATP + glucose ADP + glucozo-6-P DGo' < 0 kcal/mol

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

este mai mică de 7,3kcal/mol

RCOOH + CoASH RCOSCoA DGo' > +7,3kcal/mol

ATP + H2O AMP + PPiPPi + H2O 2 Pi DGo' = - 15,3 kcal/mol

Reactia globala:RCOOH + ATP + CoASH RCOSCoA+ 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 inorganism



Stabilizarea prin rezonanta a produsilor de hidroliza estemai puternica de cit in cazul compusului ca atare.

Repulsia electrostatica intre atomii de oxigen incarcatinegativ ai gruparilor fosfat favorizeaza separareagruparilor fosfat (prin reactia de hidroliza a ATP se reducenr. 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 au o valoare mare a ΔG?



Intrebare:

• ATP nu contine:

1. Legatura de tip anhidrida

2. Legatura esterica3. Legatura N-glicozidica

4. Legatura tioesterica

5. Grupe hidroxil de tip alcool secundar



Care sunt modalitatile de echilibrare a

continutului de grupari fosfat macroergice

intre nucletidele dintr-o celula(si de folosire a energiei legaturii macroergicedin dinucleotide)?

REACTIILE CATALIZATE DE ENZIMELE: Adenilat kinaza

Nucleozid difosfosfat kinaza



Adenilat kinaza AK (Miokinaza)interconverteste nucleotidele cu adenina

• ATP + AMP 2 ADPAK este prezenta in majoritatea celulelor

• Reactia AK furnizeaza substratul pentru sinteza ATP (ex. sub

actiunea ATP sintazei mitocondriale), ADP, in conditiile in care inexista reactii metabolice in cadrul carora ATP-ul este defosforilatla AMP.

• Reactia AK permite cresterea concentratiei de AMP (2ADP

AMP + ATP) in conditiile in care exista depletie celulara de ATP,AMP care va actiona ca activator alosteric pentru enzimelecatabolice, care vor conduce la generarea crescuta de ATP

• Reactia AK este o sursa minora temporara de ATP, permitind

gruparilor fosfat macroergice din ADP sa fie utilizate pentrusinteza directa de ATP



NUCLEOZID DIFOSFAT KINAZA (NuDiKi)

NuDiKi echilibreaza continutul de grupari fosfatmacroergice ~P intre diferitele clase de nucleotide, infunctie de necesitatile celulei, ex. pentru sinteza ADN &

ARN.NuDiKi catalizeaza reactii reversibile de tipul:

ATP + GDP ADP + GTP,

ATP + UDP ADP + UTP, etc.



Cuplarea energetica in transportulionilor

Transportul ionilor poate fi

cuplat cu o reactie chimica,

ex. Hidroliza sau sinteza ATP. S1 S2

ATP

ADP + Pi

Side 1 Side 2



ΔG (diferenta de potential electochimic) asociata cutransportul ionului S printr-o membrana de pe fata 1 pefata 2 este:

R = constanta gazelor, T = temp, Z = sarcina ionuluic,F = constanta Faraday, DY = tensiunea.DG pt. fluxul ionic variaza cu gradientul ionic & tensiunea.

DG = R T ln + Z F DY

[S]1

[S]2

S1 S2

Side 1 Side 2

Variatia energiei libere in transportul ionilor



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 gradientuluide 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



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

• Generarea ATP



Compusi macroergici sau

fosfageni

• Forme de depozitare a gruparilor fosfatbogate energetic, capabili sa actioneze cadonori de grupari fosfat ~P catre ADP, astfelregenerind rapid ATP

• Hidroliza compusilor macroergici elibereazao cantitate de energie libera de cel putin 7,3kcal/mol (IΔGI>7,3 kcal/mol)

Variatia energiei libere standard



Compus DGo' hidroliza, kcal/mol

Fosfoenolpiruvat (PEP) -14,

Carbamoil fosfat -1,3

1,3-Bifosfoglicerat -11,

Fosfocreatina -1,3

Acil-SCoA -7,5

ATP (hidrolizat la ADP) -7,3

ATP (hidrolizat la AMP) -7,3

Pirofosfat -

Glucozo-1-fosfat -5,

Glucozo-6-fosfat -3,

AMP -3,4

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

COMPUSI



Creatine Kinaza catalizeaza reactia reversibila:Fosfocreatina + ADP ATP + creatina

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): musculaturascheletica, 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 valoarenegativa a DG pentru hidroliza foarte mare.

Spontaneitatea scindarii legaturii tioesterice este esentialapentru rolul coenzimei A de acyl group carrier.

COMPUSI

MACROERGICI



legatura esterica dintre prima grupare fosfat si 5OH alribozei 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


la hidroliza



Legatura esterica dintre restul de acid fosforic sigruparea OH a unui aa dintr-o proteina (Ser, Thr,Tyr).

Protein OH + ATP Protein O P

O

O-

O-

+ ADP

Pi H2O

Protein kinaza

Protein fosfataza


la hidroliza

AMPc este un compus care NH2cAMP



AMPc este un compus care

hidrolizeaza spontan conform

reactiei (catalizata de

fosfodiesteraza):

cAMP 5'-AMP

DE CE?

deoarece exista constringeri stericein cadrul ciclului.

CE IMPORTANTA ARE

ACEASTA LABILITATE A AMPcLA HIDROLIZA?

Labilitatea AMPc la hidroliza il

face un semnal celular tranzitoriu

excelent.

N

NN

N

2

O

OHO

HH

H

H2C

HO

P

OO-

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 substrat1) 2 reactii in glicoliza3) 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

F f il l i l d b t t i



Fosforilare la nivel de substrat in

ciclul Krebs:

reactia catalizata de succinilCoA kinaza

succinil~ CoA + GDP + Pi succinat + GTP + CoASH

Date post:	18-Jul-2015
Category:	Documents
Upload:	corina-oprea
View:	179 times
Download:	0 times

C1R_metabolismenergetic

Documents