1

METABOLISM

• Definiţie

• Căi metabolice

• Căi anabolice & catabolice

• Comparaţie anabolism – catabolism

• Caracteristicile catabolismului

• Localizarea intracelulară a căilor metabolice

• Echivalenţi reducători & Compuşi macroergici

• Sinteza ATP

• Lanţul transportor de electroni & Fosforilarea oxidativă

• Transportul NADH citoplasmatic în mitocondrie

• Homeostazia metabolică

• Metabolismul glucidic – prezentare schematică

Metabolism - Definiţie

Metabolism = totalitatea transformărilor chimice & energetice

2

Formele de depozitare a energiei

Ţesut / Forma de depozitareAsigură energia necesară pentru

Rezerva (g) Post Plimbare Maraton

Ţesut adipos / Trigliceride 9000-15000 34 zile 11 zile 3 zile

Muşchi /Glicogen 350 14 ore 5 ore 70 minute

Ficat / Glicogen 80 3.5 ore 70 minute 18 minute

Sânge / Glucoza extracelulară 20 40 minute 15 minute 4 minute

Muşchi / Proteine 6000 15 zile 5 zile 1.3 zile

Cale metabolică - Definiţie

Cale metabolică = succesiune liniară, ramificată sau ciclică de reacţii chimice

Glicoliza

Sinteza nucleotidelor

3

Căi catabolice & anabolice

Căile catabolice = procese oxidative, de degradare prin care din

Căile anabolice = procese reductive, de biosinteză prin care din

moleculele mari, complexe =>compuşi simpli (CO2, H2O,NH3)

energie (ATP, NADPH).

compuşi simpli +

energie (ATP, NADPH) =>compuşi cu structură complexă

(cu grad înalt de organizare).

Catabolismul si Anabolismul

sunt interdependente

Compuşi organici

bogaţi în energie

-Glucide

-Lipide

-Proteine

Energie chimică

ATP, NADPH

Macromolecule intracelulare-Proteine

-Polizaharide

-Lipide

-Acizi nucleici

Produşi finali

săraci în energie

-CO2

-H2O

-NH3

Molecule precursor

-Aminoacizi

-Monozaharide

-Acizi graşi

-Baze azotate

Catabolism Anabolism

4

NADP+

ATP

ATP

NAD+

Lanţ respirator cuplat cu

Fosforforilarea oxidativăO2

ADP + Pi

H2O

Compuşi reduşibogaţi în energie

CATABOLISM Produşi oxidaţisăraci în energie

NADPH

NADH

ADP + Pi

ANABOLISMProduşi reduşi Precursori oxidaţi

Macromolecule

(molecule complexe)

Unitati structurale

de baza

Produs unic

de degradare

Stadiul I

Stadiul II

Stadiul III

CATABOLISM - Caracteristici

5

Compartimentalizarea intracelularǎ a

cǎilor metabolice

CitosolGlicoliza

Calea pentozo-fosfat

Sinteza acizilor graşi

Sinteza & catabolismul glicogenului

MitocondrieCiclul Krebs

Fosforilarea oxidativă

β-Oxidarea acizilor graşi

Sinteza & catabolismul corpilor cetonici

Citosol & mitocondrieGluconeogeneza

Ciclului ureogenetic

Compuşi macroergici & Echivalenţi reducători

Reacţii exergonice

Compuşi

macroergici

Echivalenţi

reducători

Procese endergonice

Sinteze chimice

Contracţie musculară

Excitaţie nervoasă

Transport activ

Compuşi macroergici = compuşi care conţn legături macroergice (prin

hidroliza cărora rezultă ≥7,3kcal/mol, pentru exemple vezi tabelul următor)

Echivalenţi reducători = compuşi rezultaţi prin dehidrogenarea intermediarilor

metabolici

• NADH, FADH2 (sursă de H şi electroni ȋn lanţul respirator),

• NADPH (sursa de H ȋn căile de sinteză)

6

Compuşi macroergici - Definiţie

Denumirea compuşilor ΔG0st

(kcal/mol)

Fosfoenolpiruvat (PEP) 14,8

Carbamoilfosfat 12,3

1,3-Difosfoglicerat (1,3DPG) 11,8

Creatinfosfat 10,3

AcilCoA (SuccinilCoA) 7,5 (8)

ATP→ADP + Pi 7,3

Glucozo-1-fosfat 5,0

Fructozo-6-fosfat 3,8

Glucozo-6-fosfat 3,3

Glicerol-3-fosfat 2,2

ΔG0st > 7,3kcal/mol

Compuşi macroergici, care prin

hidroliza pot furniza energia (şi

fosfatul) necesar sintezei ATP

“Moneda de schimb”

ΔG0st < 7,3kcal/mol

Compuşi care se pot obţine utilizând

ATP ca sursă de energie şi fosfat

Compuşi macroergici- Structuri

O-

O-

O

PO

A

OHOH

O

O-

O

PO O P

O

O-

C

C

CH2

H

O

O

OH

O P O

O-

O-

O-

O-

OP

• Anhidride fosforice:

ADP, ATP

alte nucleotide di- şi trifosforilate

• Anhidride carboxifosforice:

Carbamoilfosfat 1,3bisfosfoglicerat

O-

O-

OPH2N O

O

C

7

Compuşi macroergici - Structuri

CH2

C

COOH

O P O

O-

O-

CH3 C

O

CoA

• Esteri enolici ai acidului fosforic: fosfoenolpiruvat (PEP)

• Tioesteri carboxilici: acetilCoA

• Fosfoamide: creatinfosfatHN C

NH

N

O-

O

P O-

CH3

CH2

COOH

Ciclul ATP-ADP

8

Sinteza ATP

• Reacţia catalizată de adenilat kinază (AK):

2ADP ATP + AMP

• Reacţia catalizată de creatin fosfokinază (CPK):

Fosfocreatina + ADP Creatina + ATP

• Fosforilarea oxidativă la nivel de substrat:

1,3-Difosfoglicerat + ADP 3-Fosfoglicerat + ATP

Fosfoenolpiruvat + ADP Piruvat + ATP

Succinil-CoA + GDP Succinat + GTP

• Fosforilarea oxidativă cuplată cu lanţul respirator

• Definiţie

Lanţul respirator reprezintă, pentru celulele aerobe, calea finală, comună, prin care

electronii proveniţi din diferite substrate sunt transferaţi oxigenului. Este format dintr-o

serie de componente localizate în membrana internă mitocondrială (în ordinea

crescătoare a potenţialului lor redox), majoritatea grupate sub formă de complexe, care

catalizează reacţii de tipul:

Aredus + Boxidat ↔ Aoxidat + Bredus

Sisteme redox Potenţial standard

NAD+/NADH -0,32 V

FP/FPH2 -0,10 V

CoQ/QoQH2 -0,09 V

Citb Fe3+/Citb Fe2+ +0,04 V

CitC1 Fe3+/CitC1 Fe2+ +0,22 V

CitC Fe3+/CitC Fe2+ +0,26 V

Cit(a+a3) Fe3+/Cit(a+a3) Fe2+ +0,29 V

½O2/O2- +0,82 V

Lanţul transportor de electroni

9

Sursele de electroni (şi protoni)

• NADH provenit din NAD+ asociat dehidrogenazelor:

– Izocitrat, α-cetoglutarat, şi malat dehidrogenaza din ciclul Krebs

– Piruvat dehidrogenaza

– L-3-Hidroxiacil CoA dehidrogenaza (din β-oxidarea acizilor graşi)

– Diverse alte dehidrogenaze NAD+ dependente

• FADH2 derivat din FAD asociat dehidrogenazelor:

– Succinat dehidrogenaza din ciclul Krebs

– Dehidrogenaza din şuntul α-glicerol fosfat

– AcilCoA dehidrogenaza din β-oxidarea acizilor graşi

– Diverse alte dehidrogenaze FAD dependente

Transportul NADH din citosol în mitocondrie

• Suveica glicerol 3-fosfat

NADHcitosolic

-GlicerolfosfatDH cit. NAD+ dependentă

-GlicerolfosfatDH mit. FAD dependentă

FADH2mitocondrial

10

Transportul NADH din citosol în mitocondrie

• Suveica malat - aspartat

NADH citosolic → NADH mitocondrial

NADHcitosolic → NADHmitocondrial

Lanţul respirator Componentele complexelor & Reacţiile catalizate

Complexul I = NADH-CoQ reductaza

= Flavoproteina FMN dependenta + proteine cu centrii Fe - S

NADH + CoQox → NAD+ + CoQred ; ΔGo= -69,5 Kcal/mol → sinteza 1 ATP

Complexul II = Succinat – CoQ reductaza

= Flavoproteina FAD dependenta + proteine cu centrii Fe – S + Citb560

FADH2 + CoQox → FAD + CoQred ; ΔGo= -2,9 Kcal/mol

Complexul III = CoQ-CitC reductaza

= Citb + Citc1 + proteina cu centrii Fe-S

CoQred + CitCox → CoQox + CitCred ; ΔGo= -37,7Kcal/mol → sinteza 1 ATP

Complexul IV = CitC oxidaza

= Cit(a + a3) + Cu

CitCred + 1/2O2 → CitCox + O2-; ΔGo= -112 Kcal/mol → sinteza 1 ATP

O2- + 2H+ → H2O

11

Lanţul transportor de electroni

Pe lângă cele 4 complexe, lanţul “respirator” posedă alte 2 componente:

coenzima Q (CoQ) şi citocromul c.

În mitocondria intactă transportul de electroni este cuplat cu formarea ATP din ADP

şi Pi (fosforilare oxidativă cuplată cu lanţul respirator).

În mitocondria lezată, “respiraţia” poate avea loc fără a fi cuplată cu sinteza ATP =>

energia liberă este eliberată sub formă de căldură.

Lanţul transportor de electroni

Forma lungă a lanţului transportor

Forma scurtă a lanţului transportor

ETF:Q oxidoreductaza = Flavoproteina care transferă electroni : CoQ oxidoreductaza = a 3-a “poartă

de intrare” ȋn lanţul transportor, importantă ȋn catabolismul (beta oxidare) acizilor graşi.

12

Lant respirator cuplat cu fosforilarea oxidativa

Bilant energetic

• Pornind de la NADH => 3ATP

(forma lunga a lantului respirator)

• Pornind de la FADH2 => 2 ATP

(forma scurta a lantului respirator)

Fosforilarea cuplată cu lanţul respirator

Complexele I, III si IV funcţionează ca pompe de protoni care determină

• acumularea H+ ȋn spaţiul intermembranar

=> realizarea unui gradient de pH (ΔpH) şi a unui gradient electrochimic (ΔΨ)

care ȋmpreuna formează forţa proton motrice care impinge H+ ȋn matrice prin

subunitatea F0 a ATP-sintetazei => activarea enzimei şi sinteza ATP

13

ATP- Sintetaza – Localizare & Structură

Decuplanţi sintetici ai fosforilării

Dinitrofenol

protonat

Dinitrofenol

deprotonat

14

Decuplanţi fiziologici ai fosforilării

Hormon Funcţie Căile majore de metabolism

afectate

Insulina Promovează depozitarea

resurselor energetice post prandial

Promovează creşterea

Stimulează sinteza de ȋn muşchi şi ficat

Stimulează sinteza de acizi grasi din

excesul de glucoza

Stimulează preluarea aminoacizilor şi

sinteza proteinelor

Glucagon Mobilizeaza rezervele energetice

Mentine nivelul glicemiei inter-

prandial

Activează gluconeogeneza şi

glicogenoliza hepatică ȋn timpul postului

Activează eliberarea acizilor graşi din

trigliceridele ţesutului adipos

Adrenalina Mobilizeaza rezervele energetice

in timpul stresului acut

Stimulează glicogenoliza hepatică şi

musculară

Stimulează eliberarea acizilor grasi din

ţesutul adipos

Cortizol Stimulează sinteza de glucoza ȋn

postul prelungit

Stimulează mobilizarea aminoacizilor

din proteinele musculare

Stimulează gluconeogeneza

Stimulează eliberarea acizilor graşi din

ţesutul adipos

Homeostazia metabolică – Rolul hormonilor

15

Metabolismul glucidic

Glicogenosinteza

Glicogenoliza