METABOLISM

METABOLISMDr.Antonescu Angela

Metabolismul reprezint totalitatea transformrilor de substan, energie i informaie, care au loc ntr-un organism viu. Metabolismul general prezint dou aspecte eseniale: catabolismul i anabolismul.Catabolismul reprezint totalitatea reaciilor de degradare din organism, iar aceste reacii sunt frecvent procese de oxido-reducere, care au loc cu eliberare de energie. Energia eliberat este conservat sub forma legturilor macroergice din ATP.Energia nmagazinat n ATP este utilizat n procese de biosintez a biomoleculelor, care sunt substane cu molecul mare. Cu mare specificitate i cu nivel nalt de organizare. Totalitatea proceselor de biosintez din organism constituie anabolismul. Spre deosebire de procesele catabolice, procesele anabolice decurg cu consum de energie, fiind endergonice. Energia necesar proceselor de biosintez este asigurat de hidroliza legturii macroergice din ATP. Pe lng procesul cu caracter catabolic sau anabolic, n celule mai au loc transformri ale constituenilor si, care au concomitent att caracter catabolic ct i anabolic. Acestea se numesc procese amfibolice. n cadrul acestor procese pot rezulta compui care pot fi catabolizai sau care pot fi utilizai n procese de biosintez. Totalitatea transformrilor pe care le sufer anumii compui de la ingestia sau biosinteza lor pn eliminarea lor din organism se numete metabolism intermediar. Degradarea constituenilor organici fundamentali ai celulei vii (proteine, glucide i lipide) se desfoar n mai multe stadii:

I.Moleculele mari a acestor compui sunt degradate cu eliberarea unitilor lor structurale fundamentale;II.Produii rezultai n primul stadiu sunt transformai pe ci specifice ntr-un numr mic de molecule simple, printre care predomin acetil-CoA;III.Compuii rezultai n al doilea stadiu sunt transformai n dioxid de carbon i ap pe o cale numit ciclul citratului;IV.Echivalenii de hidrogen preluai de la metaboliii din stadiile anterioare sunt oxidai cu formare de ap prin intermediul lanului respirator.Stadiile I i II sunt specifice pentru fiecare categorie de compui, iar stadiile III i IV sunt caracteristice transformrii glucidelor, lipidelor i proteinelor.

Cea mai important cale de formare de dioxid de carbon n celul este ciclul citric sau ciclul acizilor tricarboxilici sau ciclul lui Krebs.

CICLUL ACIZILOR TRICARBOXILICIRespiraia este procesul prin care celula aerob obine energie n urma oxidrii moleculelor de combustibil de ctre oxigenul molecular. Ciclul acizilor tricarboxilici este calea metabolic central cea mai obinuit pentru degradarea resturilor de acetil-CoA rezultate prin catabolizarea glucidelor, acizilor grai i aminoacizilor. Ciclul acizilor tricarboxilici este o secven ciclic, care are loc n toate celulele aerobe. Se mai numete i ciclul acidului citric sau ciclul lui Krebs. Aceast secven de reacii este catalizat de un sistem multienzimatic care primete gruparea acetil de la acetil-CoA drept combustibil i o descompune n dioxid de carbon i echivaleni reductori. Acetia sunt apoi condui printr-un lan de proteine transportoare de electroni la oxigen, care este redus pentru a forma ap. Din schema prezentat mai sus se constat c acetil-CoA rezultat n urma procesului de catabolizare a principalelor biomolecule, intr n ciclul acizilor tricarboxilici. n unele cazuri, ns, n urma procesului de catabolizare a acestor biomolecule nu rezult acetil-CoA, ci piruvat. Piruvatul ca s poat intra n ciclul acizilor tricarboxilici trebuie s se transforme, n prealabil, n acetil-CoA.

5

Oxidarea piruvatului la acetil-CoA.Oxidarea piruvatului la acetil-CoA este un proces complex catalizat de complexul multienzimatic piruvatdehidrogenaz.

Aceast reacie, care este ireversibil n esuturile animale, nu reprezint o parte din ciclul acizilor tricarboxilici, dar este obligatorie pentru participarea tuturor hidrailor de carbon la ciclul acizilor tricarboxilici.Decarboxilarea oxidativ a piruvatului la acetil-CoA i dioxid de carbon necesit trei enzime diferite i cinci coenzime organizate ntr-un complex multienzimatic. Etapele de reacii realizate sub influena acestor enzime sunt artate mai jos.

Aceast etap este catalizat de ctre piruvat dehidrogenaz, enzim a crei grupare prostetic este coenzima tiaminpirofosfat. Piruvatul sufer o decarboxilare pentru a elimina dioxidul de carbon i derivatul -hidroxietil.

n etapa a doua, gruparea hidroxietil este dehidrogenat de piruvat dehidrogenaz iar gruparea acetil care rezult este transferat la acidul lipoic, care reprezint gruparea prostetic legat covalent la cea de a doua enzim, dihidrolipoil transacilaz.

Transferul unei perechi de atomi de hidrogen de la gruparea hidroxil a TPP la legtura disulfuric a acidului lipoic face ca aceasta din urm s treac n forma redus a acidului dihidrolipoic. n etapa a treia, gruparea acetil este transferat pe cale enzimatic, de la gruparea lipoil a acidului dihidrolipoic la gruparea tiolic a CoA.

Acetil-CoA astfel format prsete complexul enzimatic sub forma sa liber.

n etapa a patra, forma ditiolic a gruprii lipoil a dehidrolipoil transacetilazei este reoxidat la forma disulfuric prin transferul atomilor de hidrogen de la cea de a treia enzim a complexului, cunoscut sub numele de dihidrolipoil dehidrogenaz, la a crei grupare prostetic este strns legat FAD.

FADH2, care rezult, rmne legat de enzim i este reoxidat n faza a cincea de ctre NAD+.

Complexul piruvat dehidrogenaz este inhibat specific de compuii arsenului trivalent (As+3). Activitatea complexului piruvat dehidrogenaz este reglat la nivelul ATP-ului i a ionilor de calciu. Acetil-CoA rezultat intr n ciclul acizilor tricarboxilici unde este transformat n dioxid de carbon i ap.

Reaciile ciclului ac.tricarboxiliciLa nceput ciclul acizilor tricarboxilici reprezenta o simpl schem. Aceast schem a fost completat cu detalii privind enzimele care catalizeaz reaciile, ct i stereochimia reaciilor din ciclu.

1. Acidul citric este primul intermediar al ciclului acizilor tricarboxilici se formeaz prin condensarea acetil-CoA cu oxalilacetat.

Aceast reacie este catalizat de citrat sintetaz, enzim ce determin formarea intermediar a citroil-CoA, care ulterior trece n acid citric. Citrat sintetaza are rol de enzim reglatoare, deoarece este inhibat de ATP i (NADH + H+), produsul final al fosforilrii oxidative.

2. A doua reacie a ciclului acizilor tricarboxilici este reprezentat de trecerea citratului n izocitrat, printr-un intermediar denumit acid cis-aconitic.

Enzima care catalizeaz aceast reacie se numete aconitaz, care este activat i stabilizat de Fe+2 i de cistein. Aceast reacie este stereospecific, adiia apei la cis-aconitat este o trans adiie

3. Oxidarea izocitratului la -cetoglutarat este o reacie care are loc n prezen de izocitrat dehidrogenaz care necesit prezen de NAD+ sau NADP+.

Izocitrat dehidrogenaza NAD dependent din mitocondrie necesit prezena ionilor de magneziu, este o enzim alosteric reglat de ADP, ca i activator specific i Mg+2.

4. A patra etap o constituie oxidarea -cetoglutaratului la succinil-CoA n prezena -cetoglutarat dehidrogenazei.

Reacia este analoag oxidrii piruvatului la acetil-CoA i dioxid de carbon i are loc prin acelai mecanism, cu participarea tiamin-pirofosfatului, a acidului lipoic, a coenzimei A, FAD-ului i NAD-ului drept coenzime.

5. n etapa a cincea succinil-CoA sufer o pierdere a gruprii CoA, nu printr-o simpl reacie de hidroliz ci printr-o reacie conservatoare de energie. Reacia are loc n prezena succinil-CoA sintetazei, ca enzim, care provoac formarea legturii macroergice a GTP-ului, gin GDP i fosfat anorganic, pe seama legturii macroergice din succinil-CoA.

6. n etapa urmtoare succinatul este oxidat la fumarat de flavoproteina succinat dehidrogenaza, care conine FAD legat covalent.

Enzima este activat de succinat, fosfat, ATP i coenzima Q redus i inhibat de concentraii mici de oxalilacetat. Reacia este stereospecific, dehidrogenaza ndeprteaz atomii de hidrogen din poziia trans de la atomii de carbon metilenici ai succinatului.

7. Succinatul rezultat este apoi hidratat la L-malat n prezena enzimei fumarat dehidrogenaz sau fumaraz.

Fumaraza acioneaz stereospecific, deoarece ea formeaz numai stereoizomerul L al malatului.

17

8. n ultima reacie a ciclului L-malatul este oxidat la oxalilacetat n prezen de L-malat dehidrogenaz NAD dependent.

Reacie este strict stereospecific pentru stereoizomerul L al acidului malic. Oxalilacetatul rezultat poate reintra ntr-un nou ciclu condensndu-se cu acetil-CoA.

Dac facem un bilan al ciclului se constat c pentru fiecare grupare acetil intrat n ciclu doi atomi de carbon formeaz dou molecule de dioxid de carbon, iar prin reacia de dehidrogenare enzimatic, care au loc, rezult patru perechi de atomi de hidrogen: trei dintre ele au fost utilizate la reducerea NAD+ i una la reducerea FAD. Aceste patru perechi de atomi de hidrogen vor ceda electronii, n cursul lanului respirator, oxigenului. Ecuaia global se poate scrie astfel

Localizarea intracelular a enzimelor cicluluiCercetrile efectuate de Kennedy i Lehninger au demonstrat c mitocondriile izolate prin ultracentrifugare omogenatelor de esut hepatic, asigur transformarea tuturor intermediarilor ciclului citric, deci conin toate enzimele necesare acestui ciclu.Pe de alt parte nucleele, fraciunea microzomal i fraciunea solubil a citoplasmei erau inactive. Deci, mitocondriile hepatice conin toate enzimele necesare ciclului citric i enzimele necesare transportului de electroni. Deci, se constat c la toate animalele i plantele studiate pn n prezent, sediul desfurrii ciclului Krebs ce reprezint mitocondriile.

Natura amfibolic a cicluluiCiclul acizilor tricarboxilici este de fapt o cale amfibolic, care funcioneaz nu numai n catabolism, ci i n anabolism, fiind precursor important ntr-o serie de biosinteze. Anumii intermediari i cu preponderen -cetoacizi i oxalilacetatul servesc n biosinteza unor aminoacizi ce pot fi uor transformai n prezena unor transaminaze.

Lanul respirator constituie o secven de procese biochimice a crui rezultat este transportul electronilor la oxigenul molecular. Sistemul este format dintr-un complex multienzimatic avnd componentele niruite ntr-o secven dictat de valoarea crescnd a potenialului redox. Sistemul de enzime care deservete lanul respirator este localizat n membran mitocondrial intern.

22

Energia eliberat n urma proceselor de oxidare din lanul respirator este ncorporat n moleculele de ATP.

Aceste procese ce cupleaz sinteza endergonic de ATP n urma unor procese de oxidoreducere din lanul respirator reprezint punctele de fosforilare oxidativ.Astfel, oxidarea unei molecule de NADH + H+ din lanul respirator produce trei molecule de ATP, iar oxidarea unei molecule de FADH2 produce 2 ATP

Semnificaia energetic a ciclului acizilor tricarboxilici. Procesele din ciclul Krebs i din lanul respirator au loc n mitocondrie i constituie etapa final a oxidrii celulare care furnizeaz o cantitate mare de energie stocat sub form de ATP.Bilanul energetic al ciclului este urmtorul:

Reglarea ciclului acizilor tricarboxilici.

ENZIME TRANSPORTOARE DE ELECTRONI

n transportul de electroni de la substrate organice la oxigenul reductor particip patru tipuri de enzime:dehidrogenaze legate de un nucleu piridinic (piridindependente), care necesit NAD sau NADP ca i coenzime;dehidrogenaze legate de nucleu flavinic (flavindependente), care conin FAD sau FMN ca i grupare prostetic;proteine cu fier-sulf;citocromii, care conin inelul porfirinic cu fier ca i grupare prostetic. n plus, fa de aceste proteine, pentru transportul de electroni mai particip i ubiquinona sau coenzima Q.