Metabolismul Bioenergetica Ciclul Krebs

Noiuni generale de metabolism. Catabolismui i anabolismul. Cile metabolice centrale, ciclice i specifice. Metabolismul intermediar. Metode de studiere. Noiuni de energie liber standard. 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 - enzimele, cofactorii, reglarea. Ciclul Krebs - reaciile pariale. Esena biologic a ciclilui Krebs, reglarea lui. Noiune de fosforilare la nivel de substrat. Stoichiometria ciciului Krebs. Reaciile anaplerotice (reaciile care furnizeaz produse intermediare al ciclului acizilor tricarboxilici).

Metabolismul

Metabolismul sistem coordonat de transformri a substanelor i energiei sub aciunea sistemelor multienzimatice. Deosebim: metabolismul extern i intermediar Metabolismul extern include procesele necesare pentru: asimilarea substanilor 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); 2. transformarea substanelor nutritive n precursori necesari pentru sinteza macromoleculelor 3. asamblarea macromoleculelor n componeni celulari; 4. biosinteza i degradarea biomoleculelor cu destinaie special (h, mediatori, cofactori);1.

Fazele metabolismuluiEvideniem 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 ntrun 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

I

ProteineAA

Glucidemonozaharide

LipideAG+glicerol

gluco I I

Ceto-

Piruvat

II

Acetil -CoA

c. Krebs

III

L.R FOADP + Pi

CO2 H2OATP

Deosebirile cilor catabolice de anabolice

considerentul energetic; succesiunea reaciilor este reglat separat; difer dup localizarea n celul.

CILE METABOLICE- reprezint reaciile chimice in lant, 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) C. a) anabolice b) catabolice c) amfibolice D. a) aerobe b) anaerobe

Metode de studiu a cilor metabolice

Pe organismele intact aport eliminare se aplic att pe organismele sntoase ct i pe organismele bolnave (infectate) i stresate. Se efectuiaz prin marcarea metaboliilor cu izotopi. Studiul experimental prin perfuzarea organelor intacte. Studiul seciunilor tisulare. La nivel celular. La nivelul organitelor celulare.

REGLAREA METABOLISMULUI

Se realizeaz la diferite nivele:

1.2.3.

la nivelul proprietilor specifice enzimelor (cantitatea de E i S,prezena Co, pH, t);

la nivelul E reglatoare alosterice; 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 Se = 0 ( AMP); Se=1 (ATP). Atkinson cile metabolice, responsabile de sinteza ATP sunt inhibate de Se nalt; dar cile de utilizare ale ATP sunt stimulate. Cile catabolice ca regul sunt inhibate de ATP, NADH2 i activate de AMP, ADP, NAD+. Pentru cile anabolice aciunea acestor compui este invers.

4. reglare prin modificarea covalent a enzimelor (fosforilare-defosforilare), modulat de hormoni (adrenalina, glucagon .a) 5. inducia i represia enzimatic modificarea concentraiei 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 steroizii

7. Influiena medicamentelor de diferit origine

Bioenergetica. 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.

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.

Principiul conservrii energia

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 + TS

Fora 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 standard.Energie liber reprezint acea parte din energia (total) intern a sistemului, capabil s efectuieze un lucru asupra mediului 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. Energia liber standard este partea de energie total a sistemului, convertit n lucru n condiii standard (G0) T=298K, C% iniiala 1,0 mol, pH = 7, presiunea 760 torii (1 atm).

Referitor la o singur reacie chimic - variaia energiei libere standard este diferena dintre suma energiilor libere ale produilor i suma energiilor libere ale reactanilor. G 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 catabolice exergonice Anabolice endergonice Legtura (conexiunea) ntre ele este ATP.

Ciclul ATP

1. 2. 3. 4.

ATP- transportor universal al energiei n forma sa activ este un complex cu ionii de Mg sau Mn ATP 2 legturi macroergice(valoare negativ ridicat a G0), Servete ca surs de energie n: Lucrul mecanic: micare, contracie Biosinteza moleculelor biologice Transport: transportul prin membran n transmiterea informaiei genetice

Ciclul ATP

n condiii standard hidroliza ATP are loc pe 2 ci: ATP

ADP

H3PO4

AMP

PP

7,3 kcal/mol

2H3PO414,6 kcal/mol

Sinteza ATP din ADP i Pi este posibil pe 2 ci: 1. FO 2. fosforilare la nivel de substrat reaciile n care energia necesar pentru sinteza legturii macroergice fosfat e furnizat de un substarat supermacroergic.

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 Leg macroergice sunt de tip anhidrid (unesc 2 resturi acide) Prezena ionilor de Mg (afinitatea ADP este de 6 ori mai mare hidroliza este spre formarea ADP+Pi)

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 Legtura macroergic care la hidroliza ei se elibereaz mai mult de 5,2kcal/mol (21 kJ/mol)

Legtura macroergic. Substane macroergice 1.

Compuii supramacroergici G0 (kJ/mol)-61,9 -49,3 -43,1

kcal/mol-14,8 -11,8 -10,3 -7,3 (7,6) - 6,9 (-7,3-8) -7,5

fosfoenolpiruvat 2. 1,3 difosfoglicerat 3. creatinfosfat 1. 2. 3. 4.

Compuii macroergiciATP ADP +H3PO4 ADP AMP + H3PO4 H4P2O7 2Pi+H+ acil~CoA

-G0 (kJ/mol)-30,4 -28,4 -28,4 -31,4

Compuii submacroergici Glucozo-1 P Fructozo 6 P Glucozo- 6- P

-5,0 - 3,8 - 3,3

Decarboxilarea oxidativ a piruvatuluiDOP la eucariote e localizat n mitocondrii; la procariote citozol. Are loc sub aciunea complexului multienzimatic PDH, alctuit din: 1. E1 PDH Co1-TPP 2. E2 dehidrolipoiltransacetilaz S Co 2- AL S 3. E3 dehidrolipoilDH HSCoA a.pantotenic Co3 FAD NAD+ K kinaza specific F fosfotaza specific, dependent de Ca2+ i Mg2+ X proteina ligand (n E3) Caracteristica: la E.Coli compus din 48 de lanuri polipeptidice. Nucleul l ocup E2; iar E1 i E3 se leag n exterior de nucleu. Lanurile sunt legate prin fore necovalente.

1. Atacul nucleofil - hidroxietiltiaminoPP, 2. gruparea hidroxiettilic se oxideaz cu gr disulfidic- trece n sulfhidrilic se formeaz acetillipoamid

CH3-CO-COOH +E1-TPP

E1- TPP-CH-CH3 + CO2OH

S

SH E1-TPP + E2-AL S-C-CH3

E1-TPP-CH-CH3 + E2 ALOH

S

O

pyruvate dehydrogenase complex

SHE2-AL C-CH3 O + HS-CoA

SH E2-ALSH +

CH3COSCoA

SHE2-AL SH

S + E3-FAD E2-AL

+ E3-FADH2 SO O

E3-FADH2 +NAD

E3-FAD+ NADH+H

+

Reacia sumar:Complexul PDH: S E1-TPP, E2-AL S E3-FAD HS-CoA, NAD

CH3-CO-COOH

CH3-CO - S CoA + CO2 +NADH+H

Ciclul Krebs

LR =3 ATP

Pyruvate DehydrogenaseO H3 C C O C O NAD+

HSCo A H3C NADH

O C S Co A

+ CO2

pyruvate

acetyl-CoA

Reglarea complexului PDHInhibat prin retroinhibiie: AcetilCoAE2; NADH E3 Efectul e reversibil la aciunea NAD i HSCoA Inhibiia alosteric este amplificat de AG macromoleculari Reglare nucleotidic, prin sarcina energetic: inhibat de GTP i activat de AMP 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

Ciclul Krebs Rolul

1. 2. 3. 4.

Const dintr-o secven de 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 Are loc n matricea mitocondrial Caracter aerob Rolul: Donor de protoni i electroni pentru LR Integrativ Amfibolic energetic

1. Condensarea lui Acetil CoA cu OA

2. Izomerizaea citratului n izocitrat

3. DH i decarboxilarea izocitratului

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

4. Decarboxilarea oxidativ a alfa cetoglutaratului

5. Fosforilare la nivel de substrat

6. DH succinatului

7. Hidratarea fumaratului

8. DH malatului

Diacilarea alfa cetoglutaratului 4. 2. Trecerea Citratului la OxidareaSuccinilCoA cu la succinilde Succinat i la Alfa3. Oxidarea Izocitratului formare Izocitrat CoA sub 6.Dehidrogenarea actiunea 1 Condensarea.la FumaratAlfa i cetoglutarat ce contine GTP, ca rezultat al complexului polienzimatic Fe care Succinatului E-IzocitratDH, EAconitazcetoglutaratDH OANAD, necesit Acetil CoAla nivel de areSDH FAD asemntor ca coenzim fosforilrii cu E- complexul Piruvat DH glutation redus. cu E-Citrat sintetaza 8 subunitti Mg2+, const din dependent-coenzime forme substratdin 5este activat de: Enzima compus exist sub 2 i 3 cu formare de (380000D)enzime. Procesul se MC CoA izoenzimatice: de:n Citrat.inhibat a.Acetyl ADPNADH+H+ATP CH3-C=O desfoar n cinci etape. b. Citoplasm ISCoA

Ciclul acizilor tricarboxilici (Krebs)COOH I CH2 I C=O I COOH

CS

NADH NAD+ COOH I CH2 I HC-OH I FR COOH COOH I CH II CH FADH2 I COOH FAD+

OAAMDH

COOH I CH2 I OH-C-COOH I CH2 I COOH

CitAC

Mal

3NADH+H+ => LR FADH2 => LR

ICitCOOH I ICDH CH2 I CH2 I CH=O I COOH

COOH I CH2 I H-C-COOH I CH- OH I COOH

NAD+ NADH

FumSDH

7. Hidratarea Fumaratului la Malat SCoAS 8. Oxidarea Malatului la OA E- MDHGTP GDP

Suc

COOH I CH2 I CH2 I COOH

COOH I CH2 I CH2 I C=O I SCoA

a-KGNAD+ NADH

aKGDH

SCoA

Reacia sumar. Bilanul energetic

CH3COSCoA +3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O+

2CO2 +3NADH+H +FADH2+GTP+2H +HSCoA

+

Reglarea ciclului KrebsCitrat sintaza: Inhibat - succinil CoA; AG; NADH; citrat Activat: S- OA, Acetil CoA IzocitratDH: Activat: ADP, Mg, Mn Inhibat: NADH2 i NADPH2, ATP Alfa cetoglutaratDH Inhibat: succinil CoA; NADH2; Se mare

Reaciile anapleroticeReaciile ce furnizeaz produii intermediari ai ciclului Krebs 1. Formarea de OA Piruvat +CO2+ATPOA+ADP+Pi E- piruvatcarboxilaza (biotin dependent) Asp+cetoglutarat OA+Glu n miocard i muchi: Fosfoenolpiruvat +CO2+GDP OA +GTP E- fosfoenolpiruvatcarboxikinaza

Reaciile anaplerotice2. Formarea alfa cetoglutaratului: Glu+Piruvat Ala + cetoglutarat + Ala 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 fumaratului (din catabolismul Fen i Tyr)