curs4,energetica biochimica

Embed Size (px)

Citation preview

TERMODINAMICA 1. disciplinaa chimiei-fizice, 2. studiazareactiilechimicedin punct de vedere energetic, 3. are drept scop aprecierea sensuluiin care o reactie va decurge spontan (fara aport de energiedin exterior).

ENERGETICA BIOCHIMICA TERMODINAMICA BIOCHIMICA (BIOENERGETICA) disciplinade granita(chimie-fizica,biochimie,biofizica), studiazareactiilebiochimicedin punct de vedere energetic(modulin care are loc mobilizarea,transferulsi consumulde energiein sistemele biologice), SISTEMELE BIOLOGICE SISTEME TERMODINAMICE SISTEM TERMODINAMIC portiunedin univers, separata real sau imaginarde mediulinconjurator, exemplu:o reactie, o secventa de reactii,o celula,organismulca intreg, clasificareasistemelortermodinamice: - sistemeizolate(nu schimbanicimaterie,nicienergiecu mediul), - sistemeinchise(schimbadoar energiecu mediul), - sistemedeschise (schimbasi energiesi materiecu mediul). Sistemele biologice sunt sisteme deschise !!! LEGILE TERMODINAMICII: relatiiintrefunctiilede stare, sunt formulatematematic, au la baza doua principii ale termodinamicii: 1. Principiul intai (principiul conservarii energiei), 2. Principiul al doilea (principiul evolutiei). Principiul intai al termodinamicii Energia nu poate fi creata din nimic si nu poate fi anihilata.Daca dispare o energie de un anumitfel, in locul ei apare o alta forma de energie (Robert Mayer, 1842) energianu poate fi creata sau distrusa, ci poate fi convertitaintrediferiteforme, consecite: cantitateatotala de energiedin universeste constanta, nu poate fi creat un perpetuummobilede specia intai,adica o masina care sa produca energiedin nimic. Principiul al doilea al termodinamicii Orice transformare libera si spontanase face in directia corespunzatoare cresterii entropieiansambluluiconstituitde sistem si mediul inconjurator Principiulal doilea: da raspuns intrebarii daca un proces termodinamiceste posibilsau nu in conditiidate, stabilestecriteriilede desfasurareale proceselor chimicesi sensul lor de evolutiepentru conditii date prin intermediulfunctieide stare ENTROPIE. ENTROPIA (S): denota gradulde dezordineal unuisistem, orice transformareliberasi spontana se face in sensul cresteriientropiei. ENERGIE INTERNA, ENERGIE LIBERA, ENERGIE LEGATA 1. Energiainternaa unuisistem E = G + TS, T = temperatura, S = entropie 2. Energialibera(G): acea formade energiecapabila sa efectueze travaliu(lucrumecanic)asupra mediuluiin conditii constantede temperaturasi presiune, reprezintaceea ce este ordinesi poate devenidezordine (creste entropia), 3. Energialegata (TS): fractiea energieiinternece nu poate fi transformatain travaliu, Termodinamicaopereaza cu variatia continutuluienergetic al unuisistem intre starea initialasi cea finala in cadrul unei transformari !!! VARIATIA ENERGIEI LIBERE (AG) reprezintadiferentaenergieilibereintrestarea finalasi cea initialain cursulunei transformarichimice/biochimice, se exprimain kcal/mol, este o marimepotrivitapentrucaracterizareasistemelorbiologice: 1. formade energiecapabila sa efectueze travaliuin conditiiconstantede temperaturasi presiune, 2. este corelata cu marimiusor de determinat. VARIATIA ENERGIEI LIBERE (AG) criteriude evolutiein chimiesi biochimie, folositapentruprezicerea sensului uneireactiichimice/biochimice: 1. AG < 0 reactie exergonica decurge spontan de la stanga la dreapta, 2. AG > 0 reactie endergonica nu decurge spontan de la stanga la dreapta si necesita un aport de energie, 3. AG = 0 reactie la echilibru nu evolueazaspontan in niciun sens.

PROPRIETATILE LUI AG este o marimeextensiva depinde de concentratiilereactantilorsi ale produsilor de reactie, este o marimeaditiva valorileAG ale reactiilorse pot aduna ATP + H2O ADP+Pi AGo' = 31 kJ/mol Pi + glucoza glucozo-6-fosfat+ H2O AGo' = +14 kJ/mol ATP + glucose ADP + glucose-6-P AGo' = 17 kJ/mol Energia libera poate fi corelata cu marimi usor de determinat energialiberapoate fi corelata cu marimice pot fi usor determinatein laborator: 1. Kechilibru 2. POTENTIALUL REDOX (reactiile redox) A + B C + D Kech =

[C]*[D]

[A]*[B]LegaturadintreAG si Kech este data de relatia: AG = AG + RTlnKech unde :T - temperatura(grade Kelvin) R - constantageneralaa gazelor Observatii determinariles-au efectuat la presiuneade 1 atm si 25C (37C), pentru reactiilebiochimice este necesara corectia de pH (pH=7). Relatia anterioarava deveni: AG = AG + RTlnKech

CONCLUZII: AG variatiaenergiei liberein reactia propriu-zisa, AG variatiaenergiei liberein conditii standard pentrusistemechimice, AG variatiaenergieiliberein conditiistandard pentru sistemelebiochimice (corectiepentru pH = 7). AG si AG SUNT CONSTANTE PENTRU O REACTIE DATA !!! AG are valoare predictiva pentru aprecierea sensului in care va decurge o reactie chimica sau biochimica !!! Ox + n e- Red E = E0 + RT/nF * ln[Ox]/[Red] LegaturadintreAG si E este data de relatia: AG = - nFAEunde:n - numarulde electroni transferati, F - numarulluiFaraday (23,062 kcal) Observatie: pentru reactiilebiochimiceeste necesara corectia de pH (pH=7). Relatia anterioarava deveni: AG = - nFAE Valoarea E pentru unele cupluri Ox/Red importante in biochimie Observatii: cu cit E este mainegativtendintade a ceda electroniieste maimare, cu cit E este maipozitivtendintade a accepta electroniieste maimare, OxidantReducatorn E (volti) NAD+ NADH2-0.32 acetaldehidaetanol 2-0.20 piruvat lactat2-0.19 oxaloacetat malat 2-0.17 fumaratoxaloacetat2-0.031 1/2 O2+2H+ H2O 2+0.82 Cuplarea reactiilor endergonicecu reactiile exergonice REACTII EXERGONICE: - au AG < 0, - decurg spontan de la stingala dreapta, - elibereazaenergiein mediu. REACTII ENDERGONICE: - au AG > 0, - nu decurg spontan de la stinga la dreapta, - pentrua se derulaau nevoiede aport de energiedin exterior.

Cum poate deveni posibila o reactie endergonica ? CUPLAREA REACTIILOR BIOCHIMICE doua reactii chimice sunt cuplate daca energia eliberata la derularea reactiei exergonice (AG0). variantede cuplare a reactiilorbiochimice: 1. Printr-un metabolit comun 2. Printr-un intermediar energetic comun Cuplarea printr-un intermediar metabolic comun reactia exergonicasi cea endergonicaprezintaun metabolitcomun: A C + DAG = -21,8 kcal/mol X + D YAG = +4,7 kcal/mol A + X C + YAG = -17,1 kcal/mol exemplubiochimic: glucozo-1-fosfat glucozo-6-fosfat fructozo-6-fosfat glucozo-1-fosfat glucozo-6-fosfat fosfoglucomutazaAG = -1,74 kcal/mol glucozo-6-fosfat fructozo-6-fosfat hexozofosfatizomeraza AG = +0,40 kcal/mol SUMAAG = -1,34 kcal/mol

AVANTAJCUPLAREA REACTIILORBIOCHIMICE IN SECVENTE METABOLICE !!! Cuplarea printr-un intermediar energetic comun intermediarulenergetic compus ce poate exista in doua stari energizata(I*) si neenergizata(I), cele doua formesunt interconvertibileprin absorbtie- cedare de energielibera, A B XY I*I AG > 0 AG < 0 Intermediar energetic comun (compus macroergic) Conceptul de legatura macroergica Intermediar energetic comun I* reprezintaun compusce contineuna/mai multe legaturi macroergice, I este produsulhidrolizeiluiI*, I se poate sa maicontinasau nu inca o legaturamacroergica. Compus macroergic Compus ce poseda in structura sa una sau mai multe leg macroergice Energia libera standard la hidroliza compusilor fosforilati compusiifosforilatiau un rol fundamentalin energeticabiochimica, transferul grupariifosfat de pe moleculaunuicompusfosforilatpe o molecula acceptor (apa): R-O-PO32- + H-OH R-OH + HO-PO32-

procesul este de fapt hidrolizaunuiester fosforic, pentru a evalua tendintade transfera grupariifosfat se determinaexperimental valoarealuiAG la hidrolizaacestor compusifosforilati !!

ValorileAG in reactiiledehidrolizapentrudiferiticompusi fosforilati.Compusii pentru care AG < -7,3 kcal/mol sunt compusi macroergici. Se observa ca AG pentru reactia de hidrolizaa Acetil-CoAare valoarea de -7,5 kcal/mol.Deci si Acetil-CoA este un compus macroergic. Clasificarea compusilor fosforilati in raport cu valoarea AGhidroliza in functiede valoarea luiAG in reactia de hidroliza,compusiifosforilati se impartin doua categorii: 1. MACROERGICI AG < -7,3 kcal/mol 2. NON-MACROERGICI AG > -7,3 kcal/mol valoarea de referintaAG = -7,3 kcal/molreprezintavariatiaenergieiliberela hidrolizaATP, caracterulmacroergiceste explicatin moduridiferite. Acidul adenozin trifosforic (ATP) continein structuradoua legaturi macroergice de tip anhidrida mixtaintregruparile -| si |-o, AG la hidroliza are valoarea -7,3 kcal/mol. o | Factori ce confera moleculei de ATP caracter macroergic stabilizareaprin rezonantaa aciduluifosforiccare rezultala hidroliza, diminuarearepulsiilorelectrostaticeintresarcinilenegative(4 sarcininegativein moleculaATP versus 3 sarcininegativein moleculaADP). Fosfoenol piruvatul (PEP) contine o legatura macroergica de tip enol-fosforic, prin hidrolizase formeazaacidulenol piruviccare prin tautomerizaretrece in formacetonica multmaistabila, AG la hidroliza are valoarea de -14,8 kcal/mol. 1,3-bisfosfo gliceratul (1,3-BPG) contineo legatura macroergica de tip anhidrida mixta, AG la hidroliza are valoarea -11,8 kcal/mol. Fosfocreatina prin hidrolizarezultacreatinastabilizataprinrezonanta, AG are valoarea de -10,5 kcal/mol, compus macroergiccu rol fundamentalpentruenergeticaceluleimusculare. Acetil coenzima A (Acetil-CoA) contineo legatura tio-esterica, in legaturatio-estericanu este posibila conjugareap-t, hidrolizaelibereazaacetatulstabilizat prin conjugare, AG are valoarea de -7,5 kcal/mol. Potentialul de transfer al gruparii fosfat prin ordonarea compusilorfosforilatiin ordineadescrescatoare a AG inreactia de hidrolizase obtineurmatorultabel: Compusul fosforilat AG la hidroliza Fosfoenol piruvatul-14.8 1,3-bisfosfogliceratul-11.8 Creatinfosfatul-10.5 Acetil~CoA -7.5 ATP ADP + Pi-7.3 Glucozo-1-fosfat-5.0 Glucozo-6-fosfat-3.3 Glicerol-3-fosfat-2.2 compusiisituati deasupra ATP sunt compusimacroergici, compusiisituatideasupra ATP pot: 1. transferagrupareafosfat pe ADP cu formareaATP, 2. asigurafosforilareadiferitilormetaboliti. 1,3-bisfosfogliceratul,fosfoenolpiruvatulsi fosfocreatinapot transfera gruparea fosfat pe ADP asigurindsintezaATP; de pe ATP gruparea fosfat poate fi transferata pe alte molecule generind esteri fosforici non-macroergici;reactiile sunt catalizatede enzimespecifice. Metabolismul ATP Posibilitati de evolutie metabolica a ATP Biosinteza ATP Variante de hidroliza a ATP 1. indepartareaunei singuregruparifosfat: ATP + H2O ADP + PiAG = -7,3 kcal/mol 2. indepartareaunei gruparipirofosfat: ATP + H2O AMP + PPiAG = -7,3 kcal/mol PPi + H2O 2 PiAG = -8 kcal/mol variantaavantajoasa deoarece se elibereazamaimultaenergie.

In vivo ADP-ul nu poate fi hidrolizat la AMP si Pi deoarecenu exista enzima corespunzatoare !! Posibilitati de utilizare metabolica a ATP 1. activareaglucozeila glucozo-6-fosfat(hexokinaza/glucokinaza) glucoza+ ATP glucozo-6-fosfat+ ADP G = -4 kcal/mol 2. activareagliceroluluila glicerol-3-fosfat(glicerol 3-kinaza) glicerol + ATP glicerol-3-fosfat+ ADP 3. activareaaminoacizilorpentrubiosintezaproteica(aminoacil tRNA sintetaze) aminoacid+ ATP + tRNA aminoacil~tRNA + AMP + PPi

PPi + H2O 2 Pi 4. activareaacizilorgrasi(acil gras sintetaze) R-COOH + ATP + CoA-SH CoA-S~CO-R + AMP + PPi PPi + H2O 2 Pi ATENTIE !! In reactiile 1 si 2 se foloseste doar energia uneia dintre cele doua legaturi macroergice din structura ATP !! In reactiile 3 si 4 se foloseste energia stocata in ambelelegaturi macroergice din structura ATP !! Biosinteza ATP 1. Sinteza ATP prin fosforilare la nivel de substrat 2. Sinteza ATP prin fosforilare oxidativa Sinteza ATP prin fosforilare la nivel de substrat permitesinteza ATP in aerobioza si anaerobioza, mecanism: - cuplareaa doua reactii: 1. proces redox in care se elibereazaenergiece este stocataintr-uncompusmacroergicfosforilat, 2. compusulmacroergicformatanteriorva transferagruparea fosfat pe ADP cu formareaATP, trei reactii: 1. doua in glicoliza 2. una in ciclulKrebs Fosforilari la nivel de substrat 1. Gliceraldehid-3-fosfatdehidrogenaza/fosfogliceratkinaza: gliceraldehid-3-fosfat+ Pi + NAD+ 1,3-bisfosfoglicerat+ NADH + H+

1,3-bisfosfoglicerat+ ADP 3-fosfoglicerat+ ATP 2. Enolaza/piruvatkinaza: 2-fosfoglicerat fosfoenolpiruvat + H2O fosfoenolpiruvat + ADP piruvat + ATP 3. Complexulo-cetoglutarat dehidrogenazei/succinil~CoAsintetaza o-cetoglutarat+ CoASH + NAD+ succinil~CoA+ CO2 + NADH + H+ succinil~CoA+ GDP + Pi succinat+ CoASH + GTP Sinteza ATP prin fosforilare oxidativa functioneazaexclusiv in aerobioza, proces mitocondrial, necesita prezenta lantuluitransportorde electronimitocondrial, asigurareoxidareacoenzimelorreduse (NADH,H+ si FADH2) generate in procese redox citosolicesi mitosolice, energiaeliberataprin reoxidareacoenzimelorreduse este folositapentru sinteza ATP din ADP si Pi, reprezintasursa majora de ATP pentrucelulele aerobe. Mitocondria membrana externa usor permeabila pentrucompusiicu masa molecularamica, spatiu intermembranarce contineunele enzime(adenilatkinaza, creatinkinaza), membrana interna este impermeabila pentrumoleculelemici (continut ridicatin lipide); continetranslocazespecializate, matrixul mitocondrial continemulte enzime(enzimelecicluluiKrebs, enzimele |-oxidarii,enzimeale ureogenezei,ceto- genezei, complexulpiruvatdehidrogenazic). Lantul transportor de electroni mitocondrial localizat in membranainternamitocondriala, se mainumestelant respirator mitocondrial, alcatuitdin maimultetipuride componente:flavoproteine,citocromi,proteine cu clustere FeS, coenzimaQ, fiecarecomponentaare un potentialredox bine determinat, preia echivalentiide reducere (H+ si e-) de pe NADH,H+ si FADH2, formateinprocesele degradativemitosolice, oxidarea NADH,H+ si FADH2 se face in trepte asigurindeliberarea gradata a energiei, acceptorul final al electroniloreste O2 care va fi redus la H2O. Flavoproteinele sunt dehidrogenazeFMN sau FAD dependente: 1. FMN dependenta (NADH dehidrogenaza): - reoxideazaNADH,H+ format in mitosol, 2. FAD dependenta (succinatdehidrogenaza) - oxideaza succinatul la fumarat - este singuraenzimaa cicluluiKrebs localizatain membrana internamitocondriala, 3. alte flavoproteine FAD dependente: - dehidrogenazaimplicatain preluareaechivalentilorde reducere rezultatiin urma |-oxidariiacizilorgrasi. aceste proteinesunt ancorate in membranainternamitocondriala. In procesul de reducere, oxidarea FAD/FMN, respectiv FADH2/FMNH2 sunt implicati atomiiN1 si N5. FMN (flavinmononucleotid), FAD (flavinadenin dinucle- otid), derivatide la vitaminaB2. Proteinele cu clustere Fe-S proteinenon-hemice, continionide Fe ce pot oscila intrestarilede oxidare+2 si +3, ioniide Fe sunt coordinaticu ionisulfurasi atomide sulfapartinindunor resturide Cys din apoproteina, exista maimultetipuri, transportadoar electroni. Coenzima Q singurulcomponentneproteical lantului respiratormitocondrial, transportasi protonisi electroni, prezintao catena hidrocarbonatapoliizoprenoidicacu ajutorulcareia se ancoreaza in membranainternamitocondriala, exista intr-oformaredusa (ubiquinol,CoQH2) si o formaoxidata (ubiquinona,CoQ). Citocromii proteinehemice, transportadoar electroni prinoscilarea reversibilaa ionilorde Fe intre+2 si +3, mai multetipuride gruparihem:a, a3, b, c, maimultetipuride citocromi: a, a3, b, c, in citocromulc grupareahemeste legata covalentla apoproteinaprin doua Cys doar citocromul a3 poate lega O2 reducindu-l la H2O.Surse de coenzime reduse

Organizarea componentelor lantului transportor de electroni componentelelantului respiratorse asociaza cu alte proteineformind complexe, exista 4 complexe: 1. Complexul I (NADH-CoQ reductaza) 2. Complexul II (succinat-CoQreductaza) 3. Complexul III (CoQH2-citocromc oxidaza) 4. Complexul IV (citocrom c oxidaza) maiexista un complexnumitATP-sintetaza(F1Fo-ATP-aza), coenzimaQ si citocromulc nu se asociazanici unui complex!! La nivelul lantului respirator mitocondrial electronii circula de la o componenta cu potential redox negativ (cedeaza usor electronii) la o componenta cu potential redox mai mare (accepta usor electronii) acceptorul final fiind oxigenul. Complexul I (NADH-coenzima Q reductaza) contineaproximativ46 de subunitati, preia echivalentiide reducere de pe NADH,H+ si ii transferape CoQ, efluxeazaH+ din mitosolin spatiulintermembranar, AE = 0,42 eV ceea ce corespunde la AG = -19,4 kcal/mol aceasta energiear permitesinteza a 2 molide ATP, se sintetizeazadoar un mol de ATP. Complexul II (succinat-coenzima Q reductaza) contineaproximativ4 subunitati, preia echivalentiide reducere de pe succinatsi ii transferape CoQ, echivalentii de reducere trec de pe succinatpe o moleculaFAD din structura unuipolipeptidal complexului II, nu efluxeazaprotonidin mitosolin spatiulintermembranar, AE = 0,07 eV ceea ce corespunde la AG = -3,32 kcal/mol, aceasta energie este insuficientapentru sintezade ATP. Complexul III (CoQH2-citocrom c reductaza) contineaproximativ11 subunitati, transferaechivalenti de reducere de pe CoQH2 pe citocromul c, efluxeazaprotonidin mitosolin spatiulintermembranar, AE = 0,18 eV ceea ce corespunde la AG = -7,75 kcal/mol, energia este suficientapentrusintezaunui mol de ATP. Complexul IV (citocrom c reductaza) contineaproximativ13 subunitati, preia echivalentiide reducere de pe citocromulc redus, catalizeaza reducerea tetravalentaa O2 cu formarede H2O, 4 e- + 4 H+ + O2 2 H2O efluxeazaprotonidin mitosolin spatiulintermembranar, AE = 0,54 eV ceea ce corespunde la AG = -24,8 kcal/mol, aceasta energiear permitesinteza a trei molide ATP, se sintetizeazadoar un mol de ATP. Cum se produce ATP in lantul respirator mitocondrial ? Teoria chemiosmotica (Peter Mitchell, 1961) complexeleI, III si IV efluxeazaH+ din mitosolin spatiulintermembranar, apare un gradient dublu: 1. de pH mitosoluleste alcalin,spatiulintermembranaracid, 2. de sarcina fata mitosolicaa membraneiinterneeste (+), iar fata externaeste (-), acest gradient se numestefortei proton motrice, forta proton motrice modalitatede stocare a energiei, aceasta energiepermitesinteza ATP la nivelulcomplexului V.Complexul V (F1Fo-ATP-aza) organizatain doua componente: 1. regiuneaFo liposolubila,inclavatain membranainterna, 2. regiuneaF1 proeminain mitosolsub formauneisfere, fiecareregiunecontinemaimultesubunitatipolipeptidice, reintroduceH+ in mitosol, influxulde H+ este insotit de sinteza ATP la nivelulregiuniiF1, regiuneaF1 continesitusurilede legarepentru ADP, Pi si ATP. ADP + Pi ATP F1 Fo 3 H+ matrix intermembrane space subunitatea F1 rol catalitic, este alcatuitadin maimultesubunitati o3|3oc, subunitatea Fo proteinaintegralade membrana, are rolulde a translocaH+ din spatiulintermembranarin mitosol. Observatii prin reoxidareaNADH,H+ in lantulrespirator 3 molide ATP, prin reoxidareaFADH2 in lantulrespirator 2 molide ATP, NADH + H+ + O2 NAD+ + H2O AE = EO2/H2O - ENAD/NADH = 0,82 - (-0,32) = 1,14 eV AG = -nFAE Deci energiaeliberata AG = - 52,6 kcal/mol Dar se sintetizeaza3 molide ATP si deci se consuma3 7,3 = 21,9 kcal/mol Randamentulutilizariienergieiliberepentru sintezaATP este q = 21,9*100/52,6 = 42 % Restul energiei se disipeaza sub forma de caldura !!! Inhibitori ai fosforilarii oxidative substante ce blocheaza fie transportulde electroni,fie fosforilareaADP, actioneaza la nivelulcomplexelormembranare. COMPLEXUL Irotenone,amital, pericidina COMPLEXUL IIIantimicinaA, mixotiazol, COMPLEXUL IVanionul cianura, CO,SUBUNITATEA Fooligomicina AGENTII DECUPLANTI substante lipofilecu caracter slab acid, prototipul este 2,4-dinitrofenolul poseda o functiunefenolicace poate eliberaprotonultrecindin ionulfenoxid, permeaza membranainternamitocondrialasi functioneazaca transportoride H+. OHNO2NO22,4-dinitrofenolMatrix H+ + NADHNAD+ + 2H+2H+ + O2 H2O 2 e

IQIII IV

4H+ 4H+2H+H+ Intermembrane Space cyt c uncoupler Agentii decuplanti disipeaza gradientul de protoni, anuleaza dublul gradient de sarcina si de pH si blocheaza fosforilarea oxidativa !! TESUTUL ADIPOS BRUN SI TERMOGENEZA tesutuladipos brun: - animalelecare hiberneazasi la nou-nascut(regiuneaomoplatului), - bogat in mitocondrii, - rol in termogeneza, mitocondriiledin tesutul adipos brun: - putinecomplexeF1Fo-ATP-azice, - in membranainternaexista o proteinaTERMOGENINA(uncoupling protein,UCP), termogenina: - translocaH+ din spatiulintermembranarin mitosol, - anuleaza gradientulde H+, - decuplantnatural Energia eliberata in lantul respirator se disipeaza sub forma de caldura !!!