Introducere Metabolism.sinteza ATP

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

1

Formele de depozitare a energiei Ţesut / Forma de depozitare

Asigură 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

2

Căi catabolice & anabolice Căile catabolice = procese oxidative, de degradare prin care din moleculele mari, complexe => compuşi simpli (CO2, H2O,NH3) energie (ATP, NADPH).

Căile anabolice = procese reductive, de biosinteză prin care din compuşi simpli + compuşi cu structură complexă => energie (ATP, NADPH) (cu grad înalt de organizare).

Catabolismul si Anabolismul sunt interdependente Compuşi organici bogaţi în energie -Glucide -Lipide -Proteine

Catabolism

Produşi finali săraci în energie -CO2 -H2O -NH3

Macromolecule intracelulare -Proteine -Polizaharide -Lipide -Acizi nucleici

Energie chimică ATP, NADPH

Anabolism

Molecule precursor -Aminoacizi -Monozaharide -Acizi graşi -Baze azotate

3

Produşi reduşi

NADP+

Compuşi reduşi

ATP

NADPH

Produşi oxidaţi

CATABOLISM

bogaţi în energie

NAD+

H2O

Precursori oxidaţi

ANABOLISM

ADP + Pi

săraci în energie

NADH

Lanţ respirator cuplat cu Fosforforilarea oxidativă

ATP

O2

ADP + Pi

CATABOLISM - Caracteristici Macromolecule (molecule complexe)

Stadiul I

Unitati structurale de baza

Stadiul II

Produs unic de degradare

Stadiul III

4

Compartimentalizarea intracelularǎ a cǎilor metabolice Citosol Glicoliza Calea pentozo-fosfat Sinteza acizilor graşi Sinteza & catabolismul glicogenului

Mitocondrie Ciclul Krebs Fosforilarea oxidativă β-Oxidarea acizilor graşi Sinteza & catabolismul corpilor cetonici

Citosol & mitocondrie Gluconeogeneza 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)

5

Compuşi macroergici - Definiţie Denumirea compuşilor Fosfoenolpiruvat (PEP)

ΔG0st (kcal/mol)

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 • Anhidride fosforice: ADP, ATP alte nucleotide di- şi trifosforilate

-

-

A

O

-

O

O

P O

P O

O

O

O O P O O

-

OH OH

• Anhidride carboxifosforice: Carbamoilfosfat

O H2N C O

1,3bisfosfoglicerat O O -

O

P O -

O

C O

P O -

O CH OH

-

O

CH2 O P O -

O

6

Compuşi macroergici - Structuri • Esteri enolici ai acidului fosforic: fosfoenolpiruvat (PEP) CH2

O

C O

P O

-

COOH

• Tioesteri carboxilici: acetilCoA

-

O

O CH3 C

CoA -

O

• Fosfoamide: creatinfosfat HN C

NH

-

P O

O N CH 3 CH 2 COOH

Ciclul ATP-ADP

7

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 Succinil-CoA + GDP

Piruvat + ATP Succinat + GTP

• Fosforilarea oxidativă cuplată cu lanţul respirator

Lanţul transportor de electroni •

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 Potenţial standard

Sisteme redox NAD+/NADH

-0,32 V

FP/FPH2

-0,10 V

CoQ/QoQH2 Citb

Fe3+/Citb

-0,09 V Fe2+

+0,04 V

CitC1 Fe3+/CitC1 Fe2+

+0,22 V

CitC Fe3+/CitC Fe2+ Cit(a+a3) ½O2

/O2-

Fe3+/Cit(a+a

+0,26 V 3)

Fe2+

+0,29 V +0,82 V

8

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

-GlicerolfosfatDH cit. NAD+ dependentă -GlicerolfosfatDH mit. FAD dependentă

NADHcitosolic

FADH2mitocondrial

9

Transportul NADH din citosol în mitocondrie • Suveica malat - aspartat

NADHcitosolic → NADHmitocondrial

NADH citosolic → NADH mitocondrial

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

10

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.

11

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

12

ATP- Sintetaza – Localizare & Structură

Decuplanţi sintetici ai fosforilării

Dinitrofenol protonat

Dinitrofenol deprotonat

13

Decuplanţi fiziologici ai fosforilării

Homeostazia metabolică – Rolul hormonilor Hormon

Funcţie

Căile majore de metabolism afectate

Insulina

Promovează depozitarea Stimulează sinteza de ȋn muşchi şi ficat resurselor energetice post prandial Stimulează sinteza de acizi grasi din Promovează creşterea excesul de glucoza Stimulează preluarea aminoacizilor şi sinteza proteinelor

Glucagon

Mobilizeaza rezervele energetice Mentine nivelul glicemiei interprandial

Activează gluconeogeneza şi glicogenoliza hepatică ȋn timpul postului Activează eliberarea acizilor graşi din trigliceridele ţesutului adipos

Adrenalina Mobilizeaza rezervele energetice

Stimulează glicogenoliza hepatică şi musculară Stimulează eliberarea acizilor grasi din ţesutul adipos

in timpul stresului acut

Cortizol

Stimulează sinteza de glucoza ȋn postul prelungit

Stimulează mobilizarea aminoacizilor din proteinele musculare Stimulează gluconeogeneza Stimulează eliberarea acizilor graşi din ţesutul adipos

14

Metabolismul glucidic Glicogenosinteza

Glicogenoliza

15