ALTE SISTEME TRANSPORTOARE DE

HIDROGEN I ELECTRONI.

OXIDOREDUCERILE MICROZOMALE

1

OXIDOREDUCERILE MICROZOMALE

Localizate n reticulul endoplasmatic neted (fraciunea microzomal)

Sistem transportor de electroni care nu este fosforilant (nu este

productor de ATP)

Implicat n procesele de hidroxilare i de dehidrogenare

Sistemul cuprinde:

donorul de echivaleni reductori - NADPH2

flavoprotein

fier-sulf-protein

citocrom microzomal specific, denumit citocromul P450, care are rol de

oxidaz mixt, cataliznd concomitent procese de hidroxilare i de

formare a apei.

Hidroxilazele utilizeaz NADPH, n calitate de cosubstrat i oxigenul

molecular, cataliznd urmtoarea reacie general:

R-H + NADPH + H+ + O2

R-OH + NADP+ + H2O

2

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 secvenial al oxidoreducerilor microzomale

Citocromul

P450

Substrat (R-H)

Compus aromatic

Compus steroidic

Acizi biliari

Metabolit toxic endogen

Medicament

3

4Schema ilustreaz legarea substratului (R-H) de citocromul P450, transferul individual, secvenial, al celor doi electroni de la NADPH-citocrom P450 reductaz, i legarea de oxigenul activat, cu formarea substratului hidroxilat (R-OH) i a apei (H2O)

n prima etap, substratul R-H se combin cu forma oxidat (Fe3+) a P450 care este apoiredus cu un electron (ce provine de la NADPH) la forma Fe2+. Acest transfer al primuluielectron se face prin intermediul flavoproteinei (NADPH citocrom P450 reductaza). Fier-Sulf proteinele, au rolul de a separa cei doi electroni provenii de de la NADPH. Complexul format din citocromul P450 (Fe

2+) i substrat (R-H) reacioneaz cu oxigenulmolecular (O2) ntr-un asemenea mod nct unul din atomii de oxigen este redus la ap, iar cellalt este introdus n substratul organic, rezultnd substratul hidroxilat (R-OH). Ca mecanism, complexul este oxigenat i primete un al doilea electron de la NADPH, rezultnd oxigen activat sub form de anion O2-. Urmeaz o oxidoreducereintern cu formarea substratului hidroxilat i a apei (H2O), ambii produi de reacieconinnd atomii de oxigen din molecula de O2. Citocromul P450 liber este regeneratsub form de Fe3+. Transferul de echivaleni reductori de la NADPH se face n doutrepte, datorit aciunii Fe-S proteinelor.

Mecanismul secvenial al oxidoreducerilor microzomale

R-H - substratul care urmeaz a fi hidroxilat: compui aromatici,

compui steroidici, acizi biliari, medicamente, metabolii toxici

endogeni;

Un atom din molecula de O2 este ncorporat n substratul R-H iar

cellalt este redus cu formarea apei.

Flavoproteina microzomal i citocromul P450 prezint fenomenul de

inducie enzimatic: biosinteza i deci concentraia lor n ficat crete

semnificativ sub aciunea barbituricelor i a altor medicamente.

Aceti ageni stimuleaz proliferarea reticulului endoplasmatic din

celulele hepatice = > adaptare cu rol protector a celulei.

R-H + NADPH + H+ + O2

R-OH + NADP+ + H2O

5

6 componenta de baz a sistemului oxidazic cu funcii multiple (SOFM) familie multigenic de hemoproteine caracterizate prin proprieti diferite

de cataliz, de specificitate pentru substrat, i de sensibilitate la tratamentulcu diferii inductori.

denumirea de citocrom P450 este dat de complexul citocromului cumonoxidul de carbon care este un pigment (P) cu un maxim de absorbiela 450 nm

clasa proteinelor cu hem, centrul activ este alctuit dintr-un complexchelat fier-protoporfirina IX. Apoproteina are o mas molecular cuprinsntre 45.000 i 50.000 daltoni

Modelul spaial al citocromului P450 descifrat prin cristalografie de raze X. Este redat structura secundar a componentei proteice i componenteiprostetice de tip heminic. Captul N-terminal este ilustrat cu albastru, iarcel C-terminal cu rou. (dup Hamdane, 2008)

Citocromul P450 (CYP, EC: 1.14.14.1)

7 Multiplicitatea i eterogenitatea citocromilor P450 a necesitat elaborarea unei nomenclaturi bazat pe procentul de omologie al secvenelor proteice, aceast nomenclatur fiind adus la zi o dat la doi ani.

Tehnicile de biologie molecular recent descoperite au permis izolarea mai multorADNc ale citocromilor P450. Aceste secvene au fost exprimate n numeroase celuleeucariote sau procariote, iar celulele recombinante au permis studierea specificitii de substrat a acestor izoforme precum i caracteristicile lor fizico-chimice.

Anul 2014 a marcat a 60-a aniversare a descoperirii citocromilor P450, fiindidentificate la om un numr de 57 gene care codific pentru diferite izoenzime ce prezint un interes farmacologic i toxicologic.

Citocromul P450 (II)

Familie Sub-familie Enzima

CYP 1

Omologie > 40%

AB.

Omologie > 60%

123.

2 AB.

3 ..

Monooxigenazelecitocrom P450 suntdesemnate cuprescurtarea CYP urmatde o cifr arab care indic familia genic dincare face parte. Urmeazapoi o liter pentrusubfamilie i o cifr arabca numr de identificarea genei.

8 O izoform nu este specific unui singur substrat, un CYP poate metaboliza

mai multe substrate i un substrat poate fi metabolizat de mai multe

izoforme CYP.

Familia CYP metabolizeaz mii de compui endogeni i exogeni i sunt

prezente n aproape toate esuturile.

Sunt implicate n biosinteza colesterolului, a acizilor biliari, hormonilor

steroizi, i n metabolismul vitaminei D.

La om, cele mai implicate enzime n metabolismul medicamentelor sunt

izoformele: CYP3A4, CYP2D6, CYP2C9, CYP1A2, CYP2C19.

Dei membrana reticulului endoplasmic constituie principala localizare

subcelular a citocromului P450 n ficat, el este de asemenea situat n

membrana intern mitocondrial a celulelor din glandele suprarenale, din

testicule, placent i creier.

Citocromul P450 (III)

9Clasificarea CYP 450 n funcie de substrat

10

Izoforma CYP Substrate Inhibitori Inductori

Principalele clase de CYP implicate n metabolismul medicamentelor. Activarea i inhibiia cu impact asupra

eficacitii-toxicitii acestora

B. P. Sweeney and J. Bromilow, Anaesthesia, 2006, 61, pages 159177

11

Substrate Inhibitori InductoriIzoforma CYP

Principalele clase de CYP implicate n metabolismul medicamentelor. Activarea i inhibiia cu impact asupra

eficacitii-toxicitii acestora

B. P. Sweeney and J. Bromilow, Anaesthesia, 2006, 61, pages 159177

GlucideLipideProteine

VitamineMineraleH2O

XENOBIOTICE digestieabsorbtietransport

Compusi intracelulari SIMPLI

Biomolecule COMPLEXEcu rol structural si functional

Ci de biosintez Ci de stocare

Compusi de REZERV

O2

Detoxifiere siEliminare

Produsi de degradareProdusi toxici

Transformari oxidative

Energie

CO2H2O

ANABOLISM

CATABOLISM

Componente dietare

MEDICAMENTE

Aminoacizi Hexoze

Pentoze

Acizi grasi

Glicerol

Proteine Polizaharide Lipide

Acetil~SCoA

Ciclul

citratului

2H 2H 2H 2H

Oxidarea biologic

H2OCO2

O2 ATP

Stadiul I

Stadiul II

Stadiul III

Stadiul IV

MECANISME GENERALE DE TRANSFORMARE A CONSTITUENILOR ORGANICI FUNDAMENTALI AI ORGANISMELOR VII

13

Glucide

Metabolism glucidic

14

GLUCIDE Definiie i caracteristici structurale

GLUCIDE sau CARBOHIDRAI = compui naturali, alctuii din carbon, hidrogen i oxigen, care au, n general, gust dulce i caracter reductor, sau care prin hidroliz pot forma compui cu aceaste proprieti.

Biomolecule cu structuri de tip polihidroxicarbonilic (polihidroxialdehide sau polihidroxicetone).

Clasificare (I)

Clasificarea glucidelorn functie de comportarea la hidroliz

Monozaharide (nu hidrolizeaz)

Oligozaharide (hidrolizeaz n 2-10 resturi monozaharidice)

Polizaharide (glicani, glucani) - compusi cu un numr mare de monozaharide n structur

Homoglicani

Heteroglicani15

Monozaharidele

Monozaharide propriu-zise

Monozaharide derivate

n functie de numrulde atomi de carbon dinstructur

n functie de tipul grupriicarbonil din structur

-trioze-tetroze-pentoze-hexoze, etc

-aldoze-cetoze

Cu grupri amino care substituiegruprile hidroxil (aminozaharuri)

-glucozamina-galactozamina-manozamina

Acizi uronici: acidul glucuronic, acidul galacturonic, etc)

-Cu N n structur si/sau -Cu S n structur (structuri N acetilate, N sulfatate, O sulfatate)

Clasificarea monozaharidelor (II)

16

17

Structurile liniare ale unor compui polihidroxialdehidici (aldoze)i polihidroxicetonici (cetoze)

Monozaharide

reprezentative

18

D-Glucoza i cei doi epimeri.Centru chiralic (cu rou)

19

Structuri

piranozice

i furanozice

Anomerii

i

20

Conformaia scaun a glucopiranozei

Formarea structurilor ciclice i glucopiranozice

atom de carbon semiacetalic

21

Derivai de hexoze cu rol biologic

22

Dizaharide formarea legturii glicozidice

atomul de carbon anomeric

Glu(a14)Glu

Legtura glicozidic protejeaz atomul de carbon anomeric de oxidare

Formarea maltozei

23

Structurile unor dizaharide

Glc(a12b)Fru

Configuraia atomului de

carbon

anomeric

Atomi de carbon

legai prin legtur glicozidic

Structurile unor dizaharide care conin monozaharide derivate (N i O-sulfatate)

Acid glucuronic N-Acetilglucozamina

Unitile repetitive ale unor glicozaminoglicani ai matrixului extracelular

Polimeri liniari compui ai unitilor repetitive dizaharidice

25

Heteroglicani (I)

26

Heteroglicani (II)

Oligozaharidele 2-10 monozaharide, unite ntre ele prin legturi glicozidice oligozaharidele cu mai mult de trei uniti nu exist n form liber ci intr n structura unor biomolecule complexe n care sunt asociate cu lipide sau proteine

Polizaharidele, denumite glicani sau glucani biomolecule constituite din cteva zeci pn la sute sau mii de subuniti monozaharidice; unele au structuri liniare (celuloza, acidul hialuronic, heparina) altele sunt ramificate (glicogenul, amidonul)

O categorie aparte o constituie glucidele conjugate glicoproteinele i glicolipidele. Cele mai rspndite macromolecule din aceast clas sunt mucopolizaharidele, componente ale proteoglicanilor (constituite din acid hexuronic i hexozamine) i poliozidele bacteriene

27

Homopolizaharide cu rol de glucide de rezerv

Other homopolysaccharides (e.g. cellulose and chitin) serve as structural

elements in plant cell walls and animal exoskeletons.

Granule de amidon (plante)

Granule de glicogen (muchi, ficat)

Structura spaial a amilozei din molecula de amidon

Structura amidonului

29

Suspensia de amiloz n ap adopt o

conformaie helical.

Iodul molecular (I2) se poate insera n

mijlocul helixului => culoarea albastr

caracteristic

30

Structura spaial a glicogenului

31

Fragment de chitin(homopolizaharid liniar compus din resturi de N-acetilglucozamin legate b)

Exoschelet de chitin

Celuloza i chitina homopolizaharide cu rol structural

Peretele celular la bacterii i alge conine heteropolizaharide cu rol structural

Peptidoglican

(unitile de GlcNac-Mur2Ac legate b1 4 - sunt crosslinkate de peptide mici)

Structura agarozei (alge)

exact structure depends

on the bacterial speciesLizozimul distruge bacteriile prin hidroliza legturii b1 4

Agreganii= agregate de proteoglicani

Agreganii

interacioneaz puternic cu colagenul din

matrixul extracelular

contribuind la structura

rigid a esutului conjunctiv

Numerose virusuri se fixeax pe suprafaa celulelor gazd prin intermediul lectinelor virale(proteine care leag glucide) i a oligozaharidelor de pe suprafaa celulelor gazd.

Medicamente antivirale analogi structurali ai acidului N-acetilneuraminic, inhib sialidaza viral i limiteaz eliberarea virusurilor din celula infectat(Tamiflu) (Relenza)

Celulele de Helicobacter pylori ader la suprafaa mucoasei gastrice cu ajutorul unor interacii dintre lectinele bacteriene i oligozaharide specifice ale celulelor gastrice.

Rolul biologic al glucidelor

surse directe de energie

substane de rezerv ex: la animale glucoza se depoziteaz sub

forma glicogenului muscular i hepatic, iar la plante sub form

de amidon

substane cu rol structural i de susinere ex: celuloza, chitina,

mucopolizahridele din esuturile cartilaginoase.

funcii specifice glicoproteinele intr n structura proteinelor

de grup sangvin, particip la procesele imunitare, intr n

structura heparinei cu rol anticoagulant, etc.

37

38

Digestia i absorbia glucidelor

Digestia = transformrile mecanice,

fizice i chimice pe care le sufer

alimentele n tubul digestiv, pentru

a le face capabile s strbat

mucoasa acestuia i s ajung n

limf i snge

DIGESTIA I ABSORBIA GLUCIDELOR ALIMENTARE

Absorbia = procesul de trecere a

substanelor din intestin prin

peretele intestinal n capilarele din

snge, i apoi n vena port

DIGESTIE = ansamblul cailor metabolice ce permit transformarea alimentelor in nutrimente

39

Polizaharide : amidonul, glicogenul,Dizaharide : zaharoza, maltoza, lactozaMonozaharide: glucoza, fructoza, riboza, etc

1. Cavitatea bucal: -amilaza

salivar (-1,4-glucan-4-

glucanhidrolaza, EC:3.2.1.1)

secretat glandele salivare,

hidrolizeaz amidonul => dextrine

i eventual maltoz, transformare

limitat de timpul scurt pe care

alimentele l petrec n cavitatea

bucal => bolul alimentar.

DIGESTIA GLUCIDELOR

40

2. Stomac: n sucul gastric nu exist

enzime amilolitice, iar amilaza

salivar ce a acionat pn la acest

nivel este inhibat de acidul

clorhidric secretat n stomac =>

chimul gastric.

41

3. Intestin: hidroliz sub aciunea

enzimelor pancreatice i intestinale.

-Amilaza pancreatic hidrolizeaz

amidonul i glicogenul alimentar

netransformate => dextrine i maltoz.

Alfa-glicozidazele hidrolizeaz maltoza i

alte dizaharide => dou molecule de

glucoz

-fructozidaza (zaharaza sau sucraza)

hidrolizeaz zaharoza => glucoz i

fructoz

-galactozidaza (lactaza) hidrolizeaz lactoza =>glucoz i galactoz

n urma digestiei glucidelor, n

intestinul subire rezult o serie de

monozaharide, dintre care predomin

glucoza, galactoza, fructoza, manoza,

precum i unele pentoze.

42

Alfa-glicozidazele - int terapeutic

Alfa-glicozidazele de la nivelul peretelui intestinal hidrolizeaz oligozaharidele la glucoz i alte monozaharide.

Inhibiia acestor enzime reduce rata de digestie a carbohidrailor i reduce astfel cantitatea de glucoz disponibil pentru absorbie

Acarboza, miglitolul inhibitori competitivi ai alfa-glicozidazelor utilizai pentru tratarea diabetului zaharat de tip II

Efecte secundare datorit inhibiiei alfa-glicozidazelor, oligozaharidele nedigerate ajung la nivelul colonului unde sunt transformate de bacteriile saprofite, determinnd apariia de tulburri locale (flatulen, diaree)

43

OCH2-OH

OH

OH

O

CH2-OH

OH

OH

O

CH2-OH

OH

OH

O

CH2-OH

OH

OH

O

CH2-OH

OH

OH

OOH

OH

CH2

O

CH2-OH

OH

OH

OHO

OO

O

CH2-OH

OH

OH

O O

O O O O

capt

reductor

1

24

4

5

6

1

2

31

6

3

5

1

a - amilaz

b- amilaz

Enzima R

1 4

OOH

OH

CH2-OH

OH

O

CH2-OH

OH

OH

OHO

14

5

6

2

3

4

aMaltoz (glucoz - - 1,4-glucoz)

Maltaz (EC: 3.2.1.20)

O

CH2-OH

OH

OH

OH O

O

CH2-OH

OH

OHOH

2

3

4

5

6

bLactoz (galactoz -

12

3

4

5

6

1

- 1,4-glucoz)

- galactozidaza (EC: 3.2.1.23)b

O

CH2-OH

OH

OH

OHO

O

CH2-OH

OH

OH

HO-H2C

a

b

- D glucoz

-D fructoz

14

5

6

1

2

3

45

6

Zaharaz

(EC: 3.2.1.26)

Sucroz (glucoz-a - 1,2-fructoz)

Aciunea amilazelor asupra moleculei de amidon

44

45

FICAT I PANCREAS DE IEPURE (disecie)

46

Unele polizaharide (celuloza,

pentozanele) NU sunt transformate n

tubul digestiv al omului (nu conine

enzimele necesare).

Ele trec, ca atare, n intestinul gros,

unde sunt degradate n mic msur

sub aciunea florei intestinale i sunt

eliminate prin fecale.

Aceste polizaharide NU AU ROL IN

NUTRITIE, fiind utile pentru digestie,

deoarece contribuie la reglarea

peristaltismului intestinal.

47

ABSORBIA GLUCIDELOR are loc

la nivelul peretelui intestinal sub form

de monozaharide. Viteza de absorbie

depinde de:

- natura compusului glucidic

- unii factori anatomo-fiziologici:

regiunea intestinal, starea de

funcionare a intestinului, prezena unor

vitamine (tiamina, piridoxina, acidul

pantotenic), i a unor hormoni

(tiroxina).

Dac pentru glucoz viteza de absorbie se noteaz arbitrar cu 100, pentru

alte monozaharide se obin urmtoarele valori: - galactoza 110

fructoza 43 manoza 19 xiloza 15 arabinoza 9 48

Structura mucoasei intestinului subire

Mucoasa intestinala formeaza cute transversale - valvule conivente.Pe valvule se gasesc vilozitatile intestinale (4 milioane).Vilozitatile intestinale reprezinta unitatea morfofunctionala a aparatului de absorbtie intestinala.Printre vilozitati se deschid glandele intestinale. 49

Structura mucoasei intestinului subire50

ABSORBIA MONOZAHARIDELOR

- Mecanisme fizice sau biochimice

- Pentozele i unele hexoze : difuzie simpl, fr consum energetic

- Absorbia majoritii hexozelor se desfoar, prin difuzie facilitat sau printr-un

proces activ, cu ajutorul unor transportori. Reacia are loc n prezena hexokinazei i

este stimulat de hormonii corticosuprarenali. Hexozele se absorb sub form de

esteri fosforici, care sunt apoi hidrolizai n prezena fosfatazelor corespunztoare

- Dup absorbie, monozaharidele ajung pe calea venei porte la ficat, unde pot fi

depozitate temporar sub form de glicogen, sau trec n circulaia general, ajungnd

pe cale sangvin n toate celulele diferitelor organe i esuturi unde sunt necesare

pentru desfurarea proceselor metabolice

51

Digestia i absorbia glucidelor n intestinul subire

52

Catabolismul glucidic

53

54

Repere cronologice n elucidarea catabolismului glucidic

Louis Pasteur1822 - 1895

1860 L. Pasteur a descoperit c microorganismele erau responsabile de procesele de fermentaie

1897 E. Buchner a descoperit c un extract de Saccharomyces poate fermenta zahrul 1918 G. Embden tumorile maligne prezint o intensificare a procesului de glicoliz

(utilitate n diagnosticul cu PET) 1930 O. Warburg & H. Von Euler-Chelpin au elucidat procesul de degradare a glucozei la

SaccharomycesG. Embden & O. Meyerhof au elucidat reaciile glicolizei n muchi

Eduard Buchner1860 - 1916

CATABOLISMUL GLUCIDIC

GLICOLIZA

FERMENTAIILE

DEGRADAREA AEROB

DEGRADAREA PE CALEA PENTOZO-FOSFAT

DEGRADAREA PE CALEA ACIZILOR URONICI

ALTE CI DE DEGRADARE

55

Schema general a catabolismului glucozei n

condiii anaerobe i aerobe

GLICOLIZA (GLUCOLIZA)

DEGRADAREA ANAEROB

CALEA EMBDEN - MEYERHOFF - PARNAS (1930) Procesul prin care o molecul de glucoz se transform anaerob n 2 molecule de acid lactic 11 etape, catalizate de enzime specifice (localizate n faza solubil a citoplasmei) 2 stadii:

STADIUL I cu consum de ATPSTADIUL II proces cuplat cu formare de ATP

STADIUL I Reaciile cu consum de ATP

1. Fosforilarea (activarea) glucozei

O O

O

O

CH2

OH

OH

HO

OH

OH

+ ATP

hexokinaza

Mg2+

CH2

OH

HO

OH

OH

P OH

OH+ ADP

glucoza glucozo-6-fosfat(glucokinaza) FICAT 57

2. Izomerizarea - conversia glucozo 6-fosfat n fructozo 6-fosfat

O

O O

O

CH2

OH

OH

OH

P

glucozo-6-fosfat

HO

glucozo-6-fosfatizomeraza

EC: 5.3.1.9

Mg2+

Mn2+

- fructozo-6-fosfatb

CH2

OH

OHP

HO

CH2 OH1

2

3

45

6

3. Fosforilarea fructozo 6-fosfat

O

O

O

O

- fructozo-6-fosfatb

CH2

OH

OHP

HO

CH2 OH1

2

3

45

6

fosfofructokinaza + ATP + ADP

fructozo-1,6-bisfosfat

CH2

OH

OHP

HO

CH2 O1

6

P

58

3. Scindarea fructozo 1,6-bis-fosfat

O

O

O

O

CH2 P1

2

3

4

5

6

C

CH

HC

HC

O

HO

OH

OH

CH2 P

fructozo 1,6- bis fosfataldolaza

CH2 P

C O

CH2 OH

fructozo-1,6-bisfosfat

dihidroxiacetonfosfat

+ HC OH

CH2 P

C

O

H

89%10,5% 0,5%

gliceraldehid 3 - fosfat

echilibrul reaciei este deplasat spre dreapta

59

OO

HC

OH

O

HC

CH2 P

gliceraldehid 3- fosfat

triozo izomerazaC

CH2

O

OH

CH2 P

dihidroxiaceton 3- fosfat

STADIUL II Oxidarea gliceraldehid 3-fosfat acid lactic, cu formare de ATP

5. Oxidarea fosforilant a gliceraldehid 3-fosfat

O

HC O

CH2 P

C

O

H

gliceraldehid 3 - fosfat

ENZ - SH

NAD+

O

HC OH

CH2 P

HC S - ENZ

OH

NAD+

NADH + H+

O

HC OH

CH2 P

S - ENZC~O

tioester "macroergic"

O

P OH

OH

HO

HS - ENZ

O

O

acid 1,3-bisfosfogliceric

OH

CH2 P

C~O

HC

PReacia global este:

OC

O

HR

aldehida

+ NAD+ + Pi C

O

R ~ P + NADH + H+

ester fosforicmacroergic

Compus fosforilat macroergic !

Complex activat ESGliceraldehid 3-fosfat-DH

60

Funcia aldehidic este oxidat la funcia acid corespunzatoare

Energia eliberat n procesul de oxidare este conservat sub forma leg. fosfatmacroergic din ac 1,3-bisfosfogliceric

Gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza

6. Transferul radicalului fosforil pe ADP

7. Izomerizarea - conversia acidului 3-fosfogliceric n acid 2-fosfogliceric

O

O

O

acid 1,3-bisfosfogliceric

OH

CH2 P

C~O

HC

P

+ ADP

fosfogliceratkinaza

OH

CH2 P

COOH

HC+ ATP

FOSFORILARE DE SUBSTRAT

acid 3-fosfogliceric

O

OOH

CH2 P

COOH

HC

fosfogliceratmutaza

(izomeraza)

Mg2+OHCH2

P

COOH

HC

acid 3-fosfogliceric acid 2-fosfogliceric

61

8. Deshidratarea intramolecular i oxidoreducerea acidului 2-fosfogliceric

O O

OHCH2

P

COOH

HC

acid 2-fosfogliceric

enolaza

CH2

P

COOH

C~

acid fosfoenolpiruvic

H2O

Mg2+

9. Transferul gruprii fosforil la ADP

O

CH2

P

COOH

C~

acid fosfoenolpiruvic

+ ADP

piruvatkinaza

Mg2+

CH2

COOH

C

acid enolpiruvic

OH + ATP

FOSFORILARE DE SUBSTRAT

acid fosfoenol piruvic = compus macroergic, care prin hidroliz

elibereaz 14,8 kcal/mol

62

10. Izomerizarea acidului enol piruvic la acid piruvic

CH2

C

acid enolpiruvic

OH

COOH

CH3

C

acid piruvic

O

COOH

11. Reducerea acidului piruvic la acid lactic

CH3

C

acid piruvic

O

COOH

lactatdehidrogenaza

NADH + H+

NAD+

CH3

HC

acid lactic

OH

COOH Produsul final al degradrii anaerobe a

glucozei

tautomerie ceto-enolic

63

IZOENZIMELE LACTAT-DEHIDROGENAZEI (LDH)Izoenzimele = forme enzimatice diferite ale aceleiai enzime (izoforme).- Acioneaz asupra aceluiai substrat- Structur primar diferit,- Proprieti fizico-chimice diferite:

gradul de afinitate pentru variate substrate; sensibilitatea la activatori i la inhibitori; mobilitatea n cmpul electroforetic; stabilitatea la cldur; sunt elaborate de organe diferite; permit o modulare a activitii lor n esuturi diferit i intevin astfel n

reglarea activitii tisulare.

Exist 5 izoenzime LDH ce pot fi evideniate n serul uman prin electroforezEnzima activ LDH - tetramer - dou tipuri de protomeri (2 lanuri): tipul H (de la heart- inim)

tipul M (de la muscle- muchi). -Subunitile M i H sunt codificate de gene diferite: LDH-A (cromozomul 11 ) i

LDH-B (cromozomul 21)Asocierea celor dou tipuri de protomeri n structura tetramer a condus la formarea a 5 izoenzime:- dou omogene: H4 i M4- 3 hibrizi: M1H3, M2H2, M3H1. 64

OCOOH

CH3

C

Acid piruvic

LDH5

NADH +H+NAD+

Acid L-lactic

COOH

CH3

HHOC

LDH1

NADH +H+ NAD+

Structura tridimensional a LDH

Izoenzimele LDH pot fi separate prin electroforez, obinndu-se zimograme

Markeri de lezare tisular: semnificaie clinic diferit!

Ex: LDH1 i LDH2 infarct miocardic acut

LDH2 i LDH5 hepatit acut65

muchi cardiac

muchi scheletic

Muchi cardiac i Eritrocite

Leucocite

Plmni

Rinichi

Muchi scheletic i Ficat

LDH1 (H4)

LDH2 (M1H3)

LDH3 (M2H2)

LDH4 (M3H1)

LDH5 (M4)

BILANUL CHIMIC I ENERGETIC AL GLICOLIZEI

Stadiul - I

Glucoz + 2 ATP 2 Gliceraldehid -3-P + 2 ADP

(2 triozo-3-P)

2 Gliceraldehid -3-P + 2 Pi + 2 NAD+ 2 Acid 1,3-bis fosfo-gliceric + 2 NADH2

2 Acid 1,3-bis fosfo-gliceric + 4 ADP 2 Acid piruvic + 4 ATP + 2 H2O

2 Acid piruvic + 2 NADH2 2 Acid lactic + 2 NAD+

LDH

Stadiul - II

Glucoz + 2 Pi + 2 ADP 2 Acid lactic + 2 ATP + 2 H2O

Glicoliza e formatoare de ATP prin fosforilare

de substrat66

C6H12O6

CH3

HC

acid lactic

OH

COOH

2

BILANUL CHIMIC I ENERGETIC AL GLICOLIZEI

Go = - 47 kcal/mol

47 .......................10014 ........................x = ~30%

Glicogen fosforilaz

Glucozo -1-fosfat

izomerizare

Glucozo -6-fosfat

izomerizare

Fructozo -6-fosfat

+ ATP

Fructozo -1,6-bisfosfat

Pi

67

(2ATP)

n esutul muscular glicoliza ncepe de la glucozo-1 fosfat, deci nu se consum dect o molecul de ATP n Stadiul I:

GLICOLIZA COMENTARII - CONCLUZII

1.) Este procesul prin care o molecul de glucoz se transform anaerob(n condiii de hipoxie celular) n dou molecule de acid lactic.

2.) Deci procesul de desfoar fr participarea oxigenului.NADH + H+ nu trece n lanul respirator ci particip la reducerea acidului piruvic.

3.) Din punct de vedere energetic concomitent cu degradarea glucozei din punct de vedere chimic are loc eliberare de energie Go = - 47 kcal/mol (cldura de formare a acidului lactic)

4.) Pe baza energiei eliberate de formeaz: -2 molecule de ATP cnd reaciile ncep de la glucoz- 3 molecule de ATP cnd reaciile ncep de la glicogen (n esutul muscular)

5.) Procesul decurge n dou stadii:-Primul stadiu consumator de energie (ATP)-Al doilea stadiu este interesant din punct de vedere energetic deoarecese genereaz ATP prin fosforilare de substrat (adic prin oxidarea direct a unui substrat aa cum este gliceraldehid 3-fosfatul, cu participarea enzimei gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza). 68

GLICOLIZA COMENTARII - CONCLUZII

6.) Randamentul energetic este ~ 30%.

7.) Complexul de enzime care sunt implicate n glicoliz sunt localizate n citoplasm.

8.) Reglarea glicolizei:Procesul de glicoliz depinde de urmtorii parametri:a) concentraia de fosfat anorganic (Pi) din sistemul de reacieb) concentraia n esteri hexozo- i triozofosfai c) Raportul dintre ATP i ADP

9.) Aceti parametri, printr-un mecanism de feed-back pot stimula sau inhiba lanul de reacii din glicoliz.

De exemplu: cnd are loc o solicitare de ATP, n condiiile unui consum energetic, se elibereaz ADP i Pi. Aceasta duce la mrirea vitezei reaciilor are loc stimularea procesului glicolitic.

69

GLICOLIZA COMENTARII - CONCLUZII

Pe de alt parte, n lips de ADP i Pi - deci n condiii aerobe cnd este intensificat fosforilarea oxidativ i se formeaz ATP - glicoliza este inhibat.

10.) Exist particulariti privind eficiena procesului n funcie de esuturi.Astfel, glicoliza predomin n eritrocit dar i n muchiul cardiac i creier (deci n esuturi extrahepatice).

11.) Glicoliza reprezint mijlocul prin care organismul ateapt revenirea unor condiii de oxigenare adecvat. Mecanismul este denumit datorie de oxigen.DECI:- Meninerea unor anumite concentraii de oxigen i de dioxid de carbon n celule este esenial pentru funcia normal a celulelor.

70

Medicine: High Rate of Glycolysis in Tumors SuggestsTargets for Chemotherapy and Facilitates Diagnosis

CT scan

PET scan18F-2-fluoro-2-deoxyglucose

72

Detection of cancerous tissue by positron emission tomography (PET). Cancerous Tissue Has Deranged Glucose Catabolism (Lehninger Biochemistry, 5e, 2013)

73

Detection of cancerous tissue by positron emission tomography (PET). Cancerous Tissue Has Deranged Glucose Catabolism

Glucose uptake and glycolysis proceed about ten times faster in most solid tumors than in noncancerous tissues. Tumor cells commonly experience hypoxia (limited oxygen supply), because they initially lack an extensive capillary network to supply the tumor with oxygen. As a result, cancer cells depend on anaerobic glycolysis for much of their ATP production. They take up more glucose than normal cells, converting it to pyruvate and then to lactate as they recycle NADH. The high glycolytic rate may also result in part from smaller numbers of mitochondria in tumor cells; less ATP made by respiration-linked phosphorylation in mitochondria means more ATP is needed from glycolysis. In addition, some tumor cells overproduce several glycolytic enzymes, including an isozyme of hexokinase that associates with the cytosolic face of the mitochondrial inner membrane and is insensitive to feedback inhibition by glucose 6-phosphate. This enzyme may monopolize the ATP produced in mitochondria, using it to convert glucose to glucose 6-phosphate and committing the cell to continued glycolysis. The hypoxia-inducible transcription factor (HIF-1) is a protein that acts at the level ofmRNA synthesis to stimulate the synthesis of at least eight of the glycolytic enzymes. This gives the tumor cell the capacity to survive anaerobic conditions until the supply of blood vessels has caught up with tumor growth.

CATABOLISMUL GLUCIDIC

GLICOLIZA

FERMENTAIILE

DEGRADAREA AEROB

DEGRADAREA PE CALEA PENTOZO-FOSFAT

DEGRADAREA PE CALEA ACIZILOR URONICI

ALTE CI DE DEGRADARE

74

DEGRADAREA AEROB

Implic mai multe stadii:

I. TRANSFORMAREA GLUCOZEI N ACID PIRUVIC

II. FAZA INTERMEDIAR

III. FAZA AEROB PROPRIU-ZIS

a) Acetil~ScoA + Acid oxalilacetic Ciclu Krebs CO2

b) Cuplare cu lanul respirator H2O + Energie

Acid piruvic

Acid oxalilacetic

Acetil-CoA

CH3

C O

COOH

C O

COOH

CH2

COOH

O

CH3 C~SCoA

76

OO

CH3

C OTPP

Acid lipoicHSCoAFADNAD+

1

2

3

4

5

L-alanin

acid

- cetoglutaric

+ acidglutamic

transaminare

CO2

+ ATP

ligaz

acid oxalilacetic decarboxilaresimpl

TPP

alcool etilic

acid acetic

FERMENTATIILE

decarboxilareoxidativ

LDHNAD+

Glucoz

Glicogen

COOH

CH3 C~SCoA

NADH2

reducere

CH3

HC OH

COOH

NADH2FADH2

Ciclul Krebs

acid lactic

acid piruvic

CO2

CH3 CH

acetaldehida

NADH2

NAD+

CH3 CH2 OH

CH3 COOHNAD+

NADH2

PLP

a+

CH3

CH

COOH

H2N

carboxilare

BIOTINA

+ "CO2"

C O

COOH

CH2

COOH

acetil-CoA

ALT

(microorganisme)

+ H2O

aldehid-DH

alcool-DH

TRANSFORMRILE ACIDULUI PIRUVIC

n metabolismul intermediar

CO2

77

DECARBOXILAREA OXIDATIV A ACIDULUI PIRUVIC

Mecanismul reaciei:

5coenzime

TPPacid lipoicHSCoAFADNAD

3enzime

piruvat dehidrogenaza

dihidrolipoil transacetilaza

dihidrolipoil dehidrogenaza

COMPLEX MULTIENZIMATIC

N

S

N

N

C

H2

CH3

CH2CH3 NH

2CH

2O PP E1

TPP(tiamin pirofosfat)

+

CH3

C

acid piruvic

O

COOH

+

78

NS

CH3

CH2-CH

2-PP

OH

CH3

COOH

E1

R

C

"lactil derivat"

CO2N

S

CH3

CH2-CH

2-PP

OH

CH3

E1

R

C

"hidroxietil derivat"

H

S S

(CH2)4 CO-Lys+ E2

acid lipoic(forma ox.)

E1 TPP

O

+ HSCoA

CH3 C~SCoAacetil-CoA

SH

(CH2)4 CO-Lys

HS

E2

acid lipoic(forma red.)

acid lipoic(forma ox.)se reface

FADH2

FAD E3 NADH2

E2NAD+

(CH2)4

S

CH3

CO - Lys E2

CO

SH

79

++

DEGRADAREA AEROB A GLUCOZEI

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

Go = - 688 kcal/mol

Bilan chimic i energetic global

+ 38 ATP

80

OO

STADIUL I

STADIUL II

STADIUL III

a) Ciclul Krebs

b) Lantul respirator H2 .....................1/2 O2 .....................1 H2O

12 H2 ....................6 O2 .....................12 H2O

Glucoza

2 Acid piruvic

Glucoza + 2 ATP 2 Triozo 3-fosfati - 2 ATP

2 Triozo 3-fosfati + 4 ADP + 4 Pi + 2 NAD+

2 Acid piruvic + 2 NADH2 + 4 ATP

+ 6 ATP

+ 2 H2O + 4 ATP

(fosforilare de substrat)

Total I + 8 ATP

2 Acid piruvic

2 CH3 C ~acetil-CoA

SCoA

Decarboxilarea oxidativa a acidului piruvic2 CO2

CH3

C O

COOH

2 2 CO2 + 2 NADH2 ...................... + 6 ATP

+ 2 Acetil-CoA

4 H2O

2 CH3 C ~acetil-CoA

SCoA6 NADH2 ............6 NADH2 ................18 ATP

2 FADH2 ............2 FADH2 ................ 4 ATP

2 GTP ..............................................+ 2 ATP (fosforilare de substrat)

Total III 24 ATP

TOTAL GENERAL 38 ATP

Total II + 6 ATP

TPPacid lipoic

HSCoAFAD; NAD+

+ O2

4 CO2

Go = - 688 kcal/mol

688 ..................................100266 (38 x 7) ........................x = 39%

81

DEGRADAREA AEROB A GLUCOZEI

82

DEGRADAREA AEROB A GLUCOZEI

83