NOTE de Curs Biochimie Metabolism. Oxidarea Biologica

Embed Size (px)

Citation preview

Biochimie 2011

METABOLISMUL- Oxidarea biologica Organismele vii = sisteme deschise fata de mediul inconjurator schimburi de substante si energie. Metabolismul reprezinta totalitatea transformarilor care se produc ca urmare a interactiunii dintre organismele vii si mediul inconjurator si pe care se bazeaza existenta si dezvoltarea organismelor vii. Practic, metabolismul asigura: - insusirea de catre organism a unor subst. din mediul extern - folosirea acestor substante exogene pt. functionarea si dezvoltarea organismului - eliminarea unor compusi nefolositori organismului, rezultati din transformarile chimice din organsim. Etapele metabolismului Transformarile metabolice se diferentiaza in functie de etapele parcurse de materia din mediul exterior sau specifica organismului viu, in timpul asimilatiei si dezasimilatiei. Transformarile metabolice sunt corelate cu: 1. Digestia 2. Absorbtia 3. Transportul substantelor exogene la tesuturi si organe 4. Metabolismul intermediar 5. Transportul substantelor endogene la tesuturi, organe 6. Eliminarea substantelor exogene sau endogene din organism Metabolismul intermediar = totalitatea transformarilor de substante si energie care au loc in interiorul organismului, in diferite tesuturi si organe ale acestuia. Substantele exogene absorbite sunt folosite pentru: biosinteza de subst. cu rol plastic depunerea ca atare sau transf. in subst. de rezerva transf. in alte subst. fiziologic active transf. in alte subst. in scopul obtinerii de energie transf. in alte subst. ce urmeaza a fi eliminate sau excretate

Termodinamica sistemelor vii Organismul viu este: sistem deschis sistem complex in stare stationara. in stare de neechilibru mentinuta datorita aportului extern de substante si energie. la nivelul lui se produc reactii exergonice si endergonice, energia eliberata de o reactie exergonica putand fi utilizata pt. producerea unei reactii endergonice, cu conditia ca prima sa fie apreciabil mai mare decat a doua ( energiei libere) sistem eterogen, compartimentat in faze intre care exista suprafete de separare: prin trecerea unei substante dintr-o faza intr-alta, concentratia acesteia scade, ceea ce deplaseaza echilibrul in sensul formarii unei noi cantitati din substanta respectiva, chiar in conditiile energiei libere Termodinamica chimica sisteme izolate (cu evolutie bazata pe procese reversibile), evolueaza spre starea de echilibru prin energiei libere si entropiei.

1

Profesor- S MMARIANA

Biochimie 2011

Procese celulare endergonice Biosinteza, prin care se realizeaz lucru chimic, este cel mai important proces celular care se desfoar cu consum de energie. Contracia i motilitatea, care sunt forme ale lucrului mecanic i transportul activ, care este o reflectare a lucrului osmotic sau de concentraie, sunt celelalte trei procese celulare care necesit energie.

Oxidarea biologica are rol important in primul rand pentru transformarile care se produc in scopul eliberarii de energie. Mecanisme speciale de oxidare = reactii consecutive, majoritatea reversibile, cu degradarea prorgresiva a substantelor oxidate si eliberarea treptata de energie, in cantitati mici, pt. functii vitale si biosinteza subst. endergonice.

2

Profesor- S MMARIANA

Biochimie 2011

Respiratia celulara1. In general oxigenul nu vine in contact cu substratul, intre cele 2 substante plasandu-se o serie de substante intermediare (hidrogenul substratului nu se combina direct cu oxigenul, ci trece la acesta prin intermediul unor transportori de hidrogen, respectiv de electroni) 2. Oxidarea se face prin dehidrogenare (DH) 3. Carbonul nu se combina direct cu oxigenul, ci numai indirect, cu oxigenul din apa, iar CO2 apare in urma unor reactii de decarboxilare 4.

Purtatori universali biologici de electroniGrupe Fe-S- Transferul direct de electroni1. FMN (FlavinMonoNucleotid- forma oxidata) (FAD) (Flavin Adenin Dinucleotid- forma oxidata) / FMNH2(FADH2) (formele reduse)- Transferul de electroni sub forma atomilor de hidrogen 2. NAD(P)+ (nicotinamid adenin dinucleoid (fosfat) forma oxidata ) / NAD(P)H nicotinamid adenin dinucleoid (fosfat) forma redusa)- Transferul de electroni sub forma ionului de de hidrur 3. Coenzima Q 4. Hemul citocromilor

1. Transferul direct de electroni Poate fi descris in mod conventional sub forma oxidarii ionului feros de catre ionul cupric: Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+ sau altfel scris: Fe2+ Fe3+ + e Cu2+ + e- Cu+ unde: ionul feros, Fe2+ , este donorul de electroni, deci substratul redus i respectiv agentul reductor, care se oxideaz; ionul cupric, Cu+ , este acceptorul de electroni, deci substratul oxidat i respectiv agentul oxidant, care se reduce.

2. Transferul de electroni sub forma atomilor de hidrogenFlavin nucleotidele a. FAD- Flavin Adenin Dinucleotide sau b. FMN- Flavin MonoNucleotide) au rol de transportatori de electroni, sub forma atomilor de hidrogen, n cazul oxidrii legturilor C - C: c. Pot accepta 2 e- + 2 H+ pentru a forma FMNH2 (FADH2)

Pot accepta 2 e- + 2 H+ pentru a forma FMNH2 (FADH2)Profesor- S MMARIANA

3

Biochimie 2011O H C H 3C H 3C C C C H C C N CH2 HC HC HC H2C OH OH OH O O P OON C C N C NH C

O H C H 3CO H 3C

O H C NH C H3C O H3C C C C H C C N CH2 HC HC HC OH2C OH OH OH O O P OOH N C C N H C NH C O

H N C C C C N CH2 HC HC HC H2C OH OH

C

C C C H

N

e + H+

e + H+

OH O O P O-

FMN

FMNH

FMNH2

FMN (FAD), legata de centrul activ al unor enzime, poate accepta 1 e- formand un radical semichinonic, pe jumatate redus. Semichinona poate accepta al 2 lea e-, formand FMNH2 (FADH2). Putand sa accepte/doneze 1 sau 2 e-, FMN (FAD) au un important rol in medierea transporului de e- intre purtatori care transfera 2e- (de ex., NADH) si cei care accepta doar 1e- (de ex. Fe+++).

3. Transferul de electroni sub forma ionului de de hidrurIonul de hidrur (:H-) este format dintr-un proton i doi electroni; Acest transfer are loc n cazul oxidrilor mediate de NAD+ (Nicotinamid Adenin Dinucleotid- forma oxidata), respectiv in cazul oxidrilor grupelor funcionale ce conin oxigen:

NAD(P)+/NAD(P)H Perechile conjugate NAD+/NADH au un rol principal in transferul de electroni specific catabolismului, iar NADP+/NADPH in transferul electronilor de la intermediari ai catabolismului la intermediari ai biosintezei. Concentraia total a perechilor conjugate redox se menine la un nivel practic constant, ca urmare a reaciilor la care acestea particip n cadrul catabolismului (NAD+/NADH) i n cadrul anabolismului (NADP+/NADPH). Transferul de electroni prin legarea covalenta a oxigenului Oxigenul se combin cu un reactant i este ncorporat prin legare covalent n produsul de reacie:

R-CH3 + 1/2 O2 R-CH2-OH

4

Profesor- S MMARIANA

Biochimie 2011

4. Coenzima Q (ubichinona)Este o coenzima liposolubila, care participa la transportul electronilor de la substratele organice la oxigen in lantul respirator al mitocondriei.O CH3O CH3 CH3 CH3O O (CH2 CH C CH2)nH

CH3 H 2C C C H CH2

coenzyme Q

isopreneCoenzima Q (CoQ, Q, ubichinona) este foarte hidrofoba. Se dizolva in miezul hidrocarbonat al membranei mitocondriale. Contine o catena isoprenoida lunga, formata din mai multe unitati izoprenice, in celulele umane n = 10. Catena isoprenoida este mai lunga decat latimea bistratului lipidic al membranei celulare. Se poate plia formand o structura mai compacta care se gaseste in mijlocul membranei, intre 2 monostraturi lipidice.

5. Citocromii Sunt proteine transportoare de electroni avnd ca grup prostetic hemul, n centrul cruia atomul de fier se poate afla n form oxidat (Fe +III) sau n form redus (Fe +II). S-au evidentiat 3 clase de citocromi a, b si c, care difera intre ei prin substituentii de pe nucleul porfirinic si prin pozitiile caracteristice ale benzilor lor de absorbtie in vizibil. Intre atomii de fier din hemul diferitilor citocromi se poate realiza transferul unui singur electron: FeIII + e- FeII Diferiii citocromi au valori diferite ale potenialului reductor standard, dar toi au ca grupare prostetic hemul, cu Fe acceptor sau donor de electroni, acceptnd electroni de la purttorii flavinici de joas energie, electroni pe care i transfer altui citocrom i n final i doneaz oxigenului molecular, care se transform astfel n oxigen ionic i se combin cu ionii de hidrogen formnd apa.Citocromii absorb lumina la lungimi de unda caracteristice. Absorbanta se modifica in functie de starea oxidata sau redusa a fierului din hem. Unii citocromi fac parte dintr-un complex integrat membranar, fiecare constand in mai multe polipeptide si includzand purtatori multiplii de electroni. Unele grupe prostetice hem pot fi desemnate separat ca citocromi, chiar in cadrul aceleiasi proteine.

5

Profesor- S MMARIANA

Biochimie 2011De exemplu, hemul a si a3 care sunt parti ale complexului IV din lantul respirator sunt deseori mentionati ca cyt a si a3. Citocromul c este o proteina mica, solubila in apa, cu un singur hem.

PDB file 5CYT

Fierul din hem poate realiza o tranzitie de 1 e- intre starea ferica si feroasa: Fe+3 + e- Fe+2 Nucleul porfirinic este plan. Fe din hem este legat de obicei de 2 liganzi axiali, (X,Y) in plus fata de cei 4 atomi de N porfirinici. Liganzii axiali pot fi atomi de S sau N ai catenelor laterale ale aminoacizilor.PDB file 5CYT

Heme in cytochrome c

Liganzii axiali in cyt c sunt Met S (galben) si His N (albastru). Un hem care leaga O2 poate avea o pozitie axiala de ligand libera.

His

X N Fe N YResturile de Lys (lizina) incarcate pozitiv (in magenta) inconjoara, la suprafata, crevasa hemului din citocromul c. Ele pot interactiona cu resturile anionice ale complexelor membranare de care se leaga citocromul c, cand se accepta sau cedeaza un electron.

N

complex IVMet

N

cyt. c

Heme in cytochrome cCytochrome c hemePDB 5CYT

4-iron Fe-S

Lys13

2-iron Fe-S72 Lys

Grupele prostetice Fe-S contin 2, 3 , 4 sau 8 atomi de fier, complexati prin intermediul unor atomi de S elementar sau din cisteina . Grupele Fe-S cu 4 atomi de Fe, au o structura tetraedrica cu atomii de Fe si S alternand in colturile unui cub. Resturile de cisteina furnizeaza S ca ligand pentru fier si tin grupele prostetice legate de proteina.

Two iron-sulfur centers from complex ICys S S Cys Cys S Fe Cys S S S Fe Fe Fe S Fe S Cys S S S S S Cys Fe S Cys Cys

Iron-Sulfur Centers

Proteinele transportoare de electroni pot contine mai multi centrii Fe-S.

6

Profesor- S MMARIANA

Biochimie 2011 Centrii Fe-S transfera doar un electron, chiar daca ele contin 2 sau mai multi atomi de Fe, daorita proximitatii atomilor de Fe. Ex.: un centru cu 4-Fe poate trece in urmatoarele stari redox : Fe+33, Fe+21 (oxidized) + 1 e- Fe+32, Fe+22 (reduced)Cys S S Cys Cys S Fe Cys S S S Fe Fe Fe S Fe S Cys Fe S S S S Cys S Cys Cys

S

CATABOLISMUL

Iron-Sulfur Centers

Catabolismul cuprinde toate procesele degradative pe care le sufer moleculele nutritive (glucide, lipide, proteine) provenite din alimente sau din rezervele celulare. Degradarea principiilor alimentare se caracterizeaz prin convergen i se realizeaz n mai multe stadii: Stadiul I nutrienii sunt descompui n unitile constituente caracteristice; Stadiul al-II-lea unitile de baz (aminoacizi, glucoz, acizi grai) sunt degradate la un compus unitar, mai simplu, acetilCoA; Stadiile al-III-lea i al IV-lea reprezint respiraia celular i cuprinde procesele prin care acetilCoA este transformat n dioxid de carbon i ap. Prin transformrile realizate se formeaz cea mai mare parte din energia celular sub form de ATP. Pe lng amoniac, dioxid de carbon, ap, ca produi finali ai catabolismului mai rezult acid lactic, uree, acid uric, creatinin, etc.

7

Profesor- S MMARIANA

Biochimie 2011

8

Profesor- S MMARIANA

Biochimie 2011

Metabolismul glucidelorRolul glucidelor 1) energetic principala sursa de energie pentru organismele animalelor superioare 2) plastic sub forma de mucopolizaharide, glucoproteide, heterozide 3) de rezerva glicogenul Observatie: Excesul de glucide se transforma in gliceride si se depoziteaza ca atare. Catabolismul glucozei Ci de obinere a energiei i metaboliilor pentru cretere

Glicoliza (calea Embden Meyerhof Parnas) degradarea oxidativa a glucozei, fara interventia oxigenului) Metabolismul piruvatului Ciclul acizilor tricarboxilici Calea pentozofosfatilor (degradarea oxidativa a glucozei in prezenta oxigenului) Importanta glucozei Glucoza pozitie centrala in metabolismul plantelor, animaleleor si al multor microorganisme. Este relativ bogata in energie potentiala un bun combustibil. Oxidarea glucozei la CO2 are loc cu o modificare a energiei libere standard de -2,840 kJ/mol. Prin stocarea glucozei sub forma de polimeri cu masa moleculara mare ca amidon sau glicogen, celulele depoziteaza cantitati mari de surse de unitati de hexoze, mentinandu-si o osmolaritate relativ joasa a citosolului. Cand nevoia de energie creste, glucoza este eliberata din polimerii sub forma carora e stocata si folosita pentru a produce ATP pe cale aeroba sau anaeroba. Glucoza = remarabil precursor pentru un mare numar de intermediari pentru reactiile de biosinteza.

Caile majore de utilizare a glucozei

9

Profesor- S MMARIANA

Biochimie 2011

CICLUL KREBS Ciclul Krebs reprezint calea catabolic final n transformarea glucozei, aminoacizilor i acizilor grai rezultai prin hidroliza principiilor alimentare dup metabolizarea specific la acetil CoA (Coenzima A). Un proces in 9 etape care transforma acetatul din acetil coenzima A in CO Totodat unii intermediari ai ciclului Krebs sunt precursori importani n biosinteza unor compui cu activitate biologic, ciclul Krebs avnd i un rol anabolic. a) Citratul poate s ias din mitocondrie n citoplasm unde genereaz acetilCoA necesar biosintezei acizilor grai i steroizilor. b) -cetoglutaratul i oxaloacetatul particip la reacii de transaminare, fcnd legtura cu metabolismul proteic; c) SuccinilCoA este precursorul protoporfirinei IX din structura hemului; d) Unii intermediari ai ciclului Krebs sunt verigi importante n metabolismul aminoacizilor Principiul de funcionare a ciclului lui Krebs

10

Profesor- S MMARIANA

Biochimie 2011 Acetil CoA intra in ciclu si se combina cu oxalacetatul pentru a forma citrat. Urmatoarele 8 etape participa la conversia citratului inapoi la oxalacetat. In acest proces, acetatul este oxidat la 2 CO2. La sfarsitul ciclului se reface oxalacetatul si se obtine ATP si alti compusi macroergici. Oxalacetatul reintra in ciclu.

Oxidarea fosforilanta. Compui macroergici O parte din energia generat de oxidrile biologice se elimin din sistem, iar o alt parte este nmagazinat n celule sub forma unor compui organici macroergici. Aceast energie este conservat ntr-o form chimic pentru a putea fi utilizat ulterior n reacii endergonice. Compuii macroergici = compui organici ce conin legaturi covalente a cror hidroliz are loc cu eliberarea unei cantiti mari de energie (compusi cu reactivitate mare, donori de energie). Aceste legturi sunt denumite legturi de nalt energie (macroergice); astfel de legturi sunt prezente n compuii ce conin P, S sau N, cum ar fi: fosfoenolpiruvai (esteri fosforici ai enolilor) fosfocreatin sau fosfoarginin ATP (AdenozinTriPhosfatul) acetilcoenzima A (anhidrida mixta intre acizi si functiunea tiol)

ATP- AdenozinTriPhosfat Este compusul care constituie rezervorul de energie al celulelor vii.

Prin hidroliza celor dou grupe fosfat terminale ale ATP, se elibereaz 12 000 cal per grup, n timp ce hidroliza AMP (adenozinmonofosfat) conduce la doar 1 500 cal. Aceasta se datoreaz faptului c legturile dintre grupele fosfat adiacente din ATP i ADP (adenozindifosfat) sunt legturi de tip anhidrid care au o energie liber standard de hidroliz mult mai mare dect a legturii esterice dintre riboz i acid fosforic din AMP. Cantitatea de energie eliberat depinde de condiiile de hidroliz, pH, concentraiile reactanilor. n condiiile fiziologice, se consider c valoarea energiei eliberate este de ordinul de mrime menionat. Dei ATP conine dou legturi fosfat de energie mare, de regul, dar nu chiar ntotdeauna, n reaciile enzimatice este implicat numai gruparea fosfat terminal.

11

Profesor- S MMARIANA

Biochimie 2011

Inhibitorii lanului transportorilor de H+ i electroni i ai fosforilrii oxidative Procesul de respiraie celular poate fi afectat de anumii compui ce mpiedic transferul H+ i electronilor prin lanul respirator sau cuplarea cu fosforilarea oxidativ. a) Inhibitori ai complexului I: rotenona(insecticid), amital (barbituric), unele antibiotice, mercuricele, demerolul (analgezic); b) Inhibitori ai complexelor II i III (blocheaz transportul electronilor): antimicina (antibiotic din Streptomyces griseus); c) Inhibitori ai complexului IV (blocheaz transportul electronilor de la citocromul a3 la oxigen: cianura, azida, monoxid de carbon; d) Inhibitori ai ATP-azei: oligomicina.

Agenii de decuplare sunt compui care acioneaz prin disiparea gradientului de H+ din membrana intern mitocondrial, de ex. 2,4-dinitrofenolul, dicumarolul. Au posibilitatea de a funciona ca transportori de H+ de pe faa citosolic spre cea dinspre matrice a membranei, n locul ATP-sintazei. Energia eliberat de transferul de electroni este disipat sub form de cldur. Animalele nou-nscute, cele adaptate la frig i cele care hiberneaz au capacitatea de a genera cantiti mari de cldur prin decuplarea fosforilrii oxidative. esutul adipos al acestora conine multe mitocondrii (care-i dau culoarea brun - esut adipos brun). Membrana intern a mitocondriilor din celulele esutului adipos brun conin o protein endogen denumit termogenin sau UCP-1 (uncoupling protein 1, proteina decuplant mitocondrial) care formeaz canalul pentru trecerea H+ dinspre citosol spre matrice, decuplnd ATP-sintaza.

12

Profesor- S MMARIANA