curs energetica

24
ENERGETICĂ BIOCHIMICĂ Energetică biochimică = domeniu din biochimie ce se ocupă cu studiul transformărilor energetice care însoţesc reacţiile biochimice. Diversele activităţi pe care le desfășoară organismele vii (contracţia musculară, transportul ionilor și moleculelor prin membrane împotriva gradientelor de concentraţie, biosinteza moleculelor complexe din precursori simpli, etc.) necesită energie. Ca urmare, toate organismele au capacitatea să dobândească energie din mediul înconjurător și să folosească această energie în mod eficient pentru a desfășura procesele respective. Omul este un organism chemotrofic: captează energie din mediu sub forma compușilor organici din componenţa nutrienţilor (glucoză, acizi grași, aminoacizi; vom considera aceste molecule organice ca fiind „combustibili” biologici sau metabolici). Energetica biochimică utilizează câteva concepte de bază din domeniul termodinamicii și respectă legile termodinamicii. Noţiunea de sistem termodinamic aplicată la domeniul biochimiei se referă la sistemul reactant - alcătuit din participanţii la o reacţie biochimică (reactanţi și produși), solventul și mediul local. Transformările energetice care au loc într-un asemenea sistem pot fi descrise cu ajutorul a trei tipuri de energie: - energia liberă Gibbs (G) – fiecare compus implicat într-o reacţie chimică conţine o anumită cantitate de energie potenţială (potenţial chimic, care permite transformarea acelui compus într- un altul, în cadrul reacţiei chimice), legată de tipul și numărul legăturilor sale chimice (măsurată în cal/mol sau J/mol; 1 cal = 4,18 J); - entalpia (H) – este conţinutul de căldură al sistemului care reacţionează (cal/mol sau J/mol); - entropia (S) – măsoară gradul de dezordine (sau caracterul aleatoriu) al unui sistem (J/mol∙K). Pentru un sistem biologic care funcţionează la temperatură și presiune constantă (în particular un sistem reactant biochimic), energia capabilă să efectueze travaliu, altfel spus energia care susţine desfășurarea reacţiei biochimice este energia liberă G. Funcţionând la temperatură constantă, organismul viu nu poate utiliza căldura pentru a efectua un travaliu (nu este o mașină termică). Din acest punct de vedere, putem considera energia liberă G ca o energie de calitate ”superioară”, iar căldura o 1

Upload: shinino

Post on 10-Aug-2015

115 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Biochimie - Energetica

TRANSCRIPT

Page 1: Curs Energetica

ENERGETICĂ BIOCHIMICĂ

Energetică biochimică = domeniu din biochimie ce se ocupă cu studiul transformărilor energetice care însoţesc reacţiile biochimice.

Diversele activități pe care le desfășoară organismele vii (contracţia musculară, transportul ionilor și moleculelor prin membrane împotriva gradientelor de concentraţie, biosinteza moleculelor complexe din precursori simpli, etc.) necesită energie. Ca urmare, toate organismele au capacitatea să dobândească energie din mediul înconjurător și să folosească această energie în mod eficient pentru a desfășura procesele respective. Omul este un organism chemotrofic: captează energie din mediu sub forma compușilor organici din componența nutrienților (glucoză, acizi grași, aminoacizi; vom considera aceste molecule organice ca fiind „combustibili” biologici sau metabolici).

Energetica biochimică utilizează câteva concepte de bază din domeniul termodinamicii și respectă legile termodinamicii. Noțiunea de sistem termodinamic aplicată la domeniul biochimiei se referă la sistemul reactant - alcătuit din participanții la o reacție biochimică (reactanţi şi produşi), solventul şi mediul local. Transformările energetice care au loc într-un asemenea sistem pot fi descrise cu ajutorul a trei tipuri de energie:

- energia liberă Gibbs (G) – fiecare compus implicat într-o reacţie chimică conţine o anumită cantitate de energie potenţială (potenţial chimic, care permite transformarea acelui compus într-un altul, în cadrul reacţiei chimice), legată de tipul şi numărul legăturilor sale chimice (măsurată în cal/mol sau J/mol; 1 cal = 4,18 J);

- entalpia (H) – este conţinutul de căldură al sistemului care reacţionează (cal/mol sau J/mol);

- entropia (S) – măsoară gradul de dezordine (sau caracterul aleatoriu) al unui sistem (J/mol∙K).

Pentru un sistem biologic care funcţionează la temperatură şi presiune constantă (în particular un sistem reactant biochimic), energia capabilă să efectueze travaliu, altfel spus energia care susține desfășurarea reacției biochimice este energia liberă G. Funcționând la temperatură constantă, organismul viu nu poate utiliza căldura pentru a efectua un travaliu (nu este o mașină termică). Din acest punct de vedere, putem considera energia liberă G ca o energie de calitate ”superioară”, iar căldura o energie de calitate ”inferioară”; energia liberă se poate transforma în căldură, dar căldura nu poate fi transformată în energie liberă.

Într-un sistem biochimic, modificările celor 3 tipuri de energie sunt relaţionate cantitativ prin ecuaţia:

G = H – T ∙S

În cazul unei reacţii chimice A → B (A = reactant, B = produs), este diferenţa dintre energia produşilor şi energia reactanţilor. G poate avea valoare:

- negativă (GB < GA), reacţia are loc cu pierdere de energie liberă și se numește exergonică;- pozitivă (GB > GA), reacția are loc cu câştig de energie liberă şi se numește endergonică;- zero (GB = GA), sistemul este la echilibru.

Considerăm un sistem reactant A + B C + D.Dacă G este diferit de zero, reacţia decurge spontan de la compuşii cu energie liberă mai

mare spre compuşii cu energie liberă mai mică, până în momentul în care se atinge echilibrul reacţiei: rata formării produşilor este egală cu rata transformării produşilor în reactanţi, astfel încât nu mai are loc nici o transformare netă în acel sistem. În general, numai o parte din energia liberă conţinută în reactanţi poate fi utilizată pentru a realiza transformarea chimică în produşi, restul este disipată sub formă de căldură sau pierdută sub forma unei creşteri a entropiei.

Reacţia de mai sus este caracterizată de o constantă de echilibru:

Keq = [C]eq[D]eq/[A]eq[B]eq (parantezele pătrate reprezintă concentraţii molare)

1

Page 2: Curs Energetica

Keq reflectă compoziţia amestecului de reacţie ajuns la echilibru, care este aceeaşi indiferent de concentraţiile iniţiale ale reactanţilor şi produşilor (deci Keq are o valoare fixă pentru o reacţie dată).

Există două forme ale variației energiei libere: G și G°.

■ G este diferența de energie liberă reală, caracteristică pentru condițiile reale din celula vie (presiune, temperatură, pH și, mai ales, concentrații reale ale participanților la reacție). G a reacției directe (A → B) este egală ca mărime și opusă ca semn cu cea a reacției inverse (A ← B). Cunoașterea valorii lui G este utilă din două puncte de vedere:

- semnul lui G este predictiv pentru sensul de desfășurare al unei reacții A B în condițiile reale din celula vie;

- mărimea lui G arată cât de departe de echilibru este sistemul reactant în momentul inițial și, deci, cuantifică tendința de atingere a echilibrului (aceasta din urmă reprezintă o forță motrice care ”pune în mișcare” reacția biochimică).

Sunt posibile trei situații: dacă G este negativ (reacție exergonică), reacţia are loc spontan de la A către B cu

pierdere de energie liberă; dacă G are valoare mare, reacţia are, practic, caracter ireversibil (o cantitate mare de energie liberă este degajată sub formă de căldură, iar căldura nu poate fi utilizată pentru a permite desfăşurarea reacţiei în sens invers);

dacă G = 0, reacţia este la echilibru; dacă G este pozitiv, reacția poate avea loc de la A către B (în sensul endergonic) numai în

condițiile în care există un aport de energie liberă dintr-o altă sursă; altfel, sensul spontan al unei asemenea reacții este de la B către A (sensul exergonic).

Cu alte cuvinte, o reacție decurge spontan întotdeauna în sensul exergonic.

■ G° este diferenţa de energie liberă standard, caracteristică pentru condiţii standard (temperatura de 25°C, pH = 7, reactanţii şi produşii prezenţi într-o concentraţie iniţială de 1M).

G poate fi calculată cunoscând valoarea lui G° și concentrațiile participanților la reacție, conform ecuației lui Gibbs:

G = G° + RT ln [C][D]/[A][B]

R-constanta gazelor = 1,987 cal/mol∙K,temperatura absolută, [A], [B], [C] şi [D] sunt concentraţiile reale din celulă în momentul respectiv).

G a unei reacţii care decurge spontan spre echilibru este întotdeauna negativă (reacţia poate avea loc numai în sensul exergonic) şi variabilă (datorită modificării continue a concentraţiilor reactanţilor, pe măsură ce reacţia se desfăşoară): G devine din ce în ce mai puţin negativă pe măsură ce reacţia are loc şi este zero în punctul de echilibru, indicând faptul că nu se mai poate produce o transformare netă în acea reacţie.

Deci când reacţia a atins echilibrul, G = 0 şi atunci:

G° = – RT ln [C]eq[D]eq/[A]eq[B]eq = – RT ln Keq

Așadar, valoarea lui G° pentru o anumită reacție poate fi calculată cunoscând valoarea constantei de echilibru a acelei reacții. Keq fiind o constantă, rezultă că şi G° este o constantă a cărei valoare este caracteristică pentru fiecare reacţie dată.

Deși valoarea lui G° indică sensul de desfășurare al unei reacții numai în condiții standard, care în majoritatea cazurilor sunt diferite de cele reale din celula vie, cunoașterea valorii sale este utilă deoarece permite compararea diverselor reacţii biochimice în privinţa variaţiei energiei libere.

Keq ln Keq G° Sensul spontan al reacţiei > 1 > 0 < 0 spre dreapta (A → B)

1 0 0 la echilibru (A B)< 1 < 0 > 0 spre stânga (A ← B)

O reacţie cu G° > 0 poate avea loc în sensul direct (spre dreapta) dacă G < 0, acest lucru fiind posibil dacă termenul „RT ln [Produşi]/[Reactanţi]” este negativ şi are o valoare absolută

2

Page 3: Curs Energetica

mai mare decât G°. Așa se întâmplă în celulă atunci când: (a) produsul de reacţie este îndepărtat imediat pe măsură ce se formează, prin angajarea într-o altă reacţie, sau (b) are loc aportul continuu al unor cantități mari de reactant provenit din sânge sau dintr-o altă reacţie. Ambele situaţii menţin raportul [P]/[R] mult sub 1, astfel încât termenul RT ln [P]/[R] are o valoare negativă mare.

Caracterul aditiv al valorilor G pentru reacții succesive:

În cazul a două reacții succesive, valorile lui G se însumează:(1) A → B G°1

(2) B → C G°2

Reacția globală: A → C G°total = G°1 + G°2

Acest principiu explică modul în care o reacție nefavorabilă termodinamic (endergonică, având o diferenţă de energie liberă Gen) poate avea loc în sensul direct prin cuplare cu o reacţie exergonică (având Gex), cu condiția ca |Gex| > Gen, astfel încât G°total să fie < 0; o reacție nu poate avea loc în mod independent în sensul endergonic. Două reacţii sunt „cuplate” dacă energia liberă degajată în reacţia exergonică susţine desfăşurarea reacţiei endergonice; cuplarea celor două reacții se realizează printr-un intermediar chimic comun.

Ex. - formarea glucozo-6-fosfatului:(1) Glucoză + Pi → glucoză-6-fosfat + H2O (G°1 = 3,3 kcal/mol) - reacţia endergonică(2) ATP + H2O → ADP + Pi (G°2 = − 7,3 kcal/mol) - reacţia exergonică-----------------------------------------------------------------------------------------------------Reacția globală: Glucoză + ATP → glucoză-6-fosfat + ADP (G° total = − 4 kcal/mol)

Cele două reacții împărtășesc intermediarul comun Pi (fosfat anorganic). Reacția globală este exergonică; energia stocată în ATP este utilizată pentru a susține sinteza glucozo-6-fosfatului. Din punct de vedere chimic, calea pe care are loc formarea G-6-P (prin transferul grupării fosfat din ATP pe glucoză, neavând loc o hidroliză a ATP) este diferită de reacţiile 1 şi 2, dar rezultatul net este acelaşi ca şi suma celor două reacţii.

Pentru o cale metabolică ce cuprinde mai multe reacţii succesive, fiecare având o anumită valoare a lui G:

diferenţa de energie liberă pentru întreaga cale este Gtotal = G1 + G2 + G3 + G4 + ..... (datorită caracterului aditiv al variației energiei libere pentru reacţiile succesive). Dacă Gtotal < 0, calea metabolică este exergonică în ansamblu şi are loc în sensul figurat mai sus, chiar dacă unele reacţii individuale au G > 0.

Bioenergetică versus cinetică:- G are o valoare predictivă pentru ”fezabilitatea” energetică a unei reacții chimice; nu

oferă nici o informație despre viteza reacției. Bioenergetica se ocupă doar cu starea inițială și cea finală a componenților reacției, nu cu mecanismul reacției sau durata necesară pentru atingerea echilibrului.

- Viteza unei reacții depinde de mărimea energiei de activare, precum și de cantitatea și eficiența enzimelor disponibile pentru a cataliza reacția respectivă în celulă; aceste aspecte aparțin domeniului cineticii biochimice.

TRANSFERUL ENERGIEI LIBERE ÎN CURSUL PROCESELOR METABOLICE

3

Page 4: Curs Energetica

Celulele organismului uman îşi obţin energia liberă prin catabolismul combustibililor biologici conținuți în nutrienţii ingerați (glucide, lipide, proteine) și în depozitele tisulare (de glicogen, trigliceride, proteine). Catabolismul reprezintă una din laturile metabolismului și cuprinde reacţii de degradare (rupere de legături covalente), care sunt exergonice.

Anabolismul, cea de a doua latură a metabolismului (sinteza moleculelor complexe din precursori simpli), cuprinde reacţii de sinteză (formare de legături covalente), care sunt endergonice, deci se desfășoară cu consum de energie liberă.

Cum este posibil ca energia liberă degajată în procesele catabolice să poate fi utilizată (transferată) în procesele anabolice, astfel încât ea să nu se piardă sub formă de căldură? Cu alte cuvinte, cum se poate realiza cuplarea unui proces exergonic cu unul endergonic?

O modalitate importantă este aceea de a sintetiza un compus cu potenţial energetic ridicat în procesul exergonic şi de a-l utiliza în procesul endergonic, realizând astfel un transfer de energie liberă de la calea exergonică la calea endergonică.

Molecula care joacă un rol central în transferul energiei libere de la procesele exergonice la cele endergonice este ATP (adenozin trifosfat).

Implicarea ATP ca donor de energie liberă:

Molecula ATP conţine două legături cu potenţial energetic ridicat: legătura dintre gruparea fosfat şi gruparea fosfat şi legătura dintre fosfatul şi fosfatul (ambele sunt legături de tip anhidridă acidă fosforică). Potenţialul energetic ridicat este obiectivat prin existenţa unui G° cu valoare negativă mare pentru reacţia de hidroliză în ADP şi Pi (ruperea legăturii dintre Pşi PG° = − 7,3 kcal/mol) şi pentru reacţia de hidroliză în AMP şi PPi (ruperea legăturii dintre Pşi PG° = − 10,9 kcal/mol).

În procesele biochimice, ATP este donor de energie liberă în reacţiile de sinteză (în care are loc formarea de noi legături covalente, catalizate de enzime din clasa ligazelor).

Donarea energiei din ATP nu are loc prin hidroliza ATP la ADP şi Pi sau AMP şi PPi, deşi d.p.d.v. strict chimic aşa pare a fi (hidroliza ATP nu realizează nimic decât eliberare de căldură, care nu poate fi transformată în energie liberă pentru a permite desfăşurarea reacţiei de sinteză).

Donarea energiei din ATP implică participarea covalentă a ATP în reacţia chimică, cu scindarea sa în ADP şi Pi (fosfat anorganic) sau în AMP şi PPi (pirofosfat anorganic), parcurgându-se două etape:

4

Page 5: Curs Energetica

- mai întâi, gruparea fosfat sau AMP din ATP este transferată pe o moleculă substrat (X) (sau pe un rest aminoacidic dintr-o enzimă), devenind ataşată covalent şi crescând conţinutul de energie liberă al moleculei respective;

- într-o a doua etapă, gruparea Pi sau AMP este dezlocuită de către cel de al doilea substrat (Y). În felul acesta, o parte din energia legăturii fosfoanhidridice din ATP este transferată şi conservată în noua legătură covalentă formată între X şi Y.

(1) X + Y + ATP → X−Y + ADP + Pi sau (2) X + Y + ATP → X−Y + AMP + PPi X + ATP → X~P + ADP X + ATP → X~AMP + PPi X~P + Y → X−Y + Pi X~AMP + Y → X−Y + AMP

În reacţia (2), pirofosfatul anorganic (PPi) este hidrolizat la 2Pi sub acţiunea pirofosfatazei anorganice (enzimă prezentă în toate celulele), într-o reacţie exergonică. Îndepărtarea PPi din mediu face ca echilibrul reacţiei de sinteză să fie şi mai mult deplasat spre dreapta.

Şi alţi compuşi au potenţial energetic ridicat (valori negative mari pentru G° la hidroliză). Compuşii fosforilaţi din organism pot fi împărţiţi în două grupe, în funcţie de G° pentru reacţia de hidroliză:

- compuşi „înalt energetici” (conţin legături de tip ”macroergic”, simbolizate prin „~”) - au G° la fel de negativ sau mai negativ decât ATP-ul (la scindarea în ADP şi Pi: − 7,3 kcal/mol);

- compuşi „cu energie joasă” (conţin legături de tip ”microergic”) - au G° mai puţin negativ decât această valoare.

■ Compuşii înalt energetici au un potențial ridicat de transfer de grupare chimică - pot transfera o grupare fosfat (sau acil) pe un alt compus:

▪ ATP și alți nucleozid trifosfați - GTP, UTP, CTP (2 legături tip anhidridă acidă fosforică)

▪ Fosfoenolpiruvat ▪ 1,3-Difosfoglicerat ▪ Acil-CoA (legătură enol-fosfat) (legătură anhidridică (legătură tiol-esterică) tip carboxil-fosfat)

▪ Creatin-fosfat (legătură N-fosfat, tip fosfo-guanidină)

- ATP este un donor universal de energie, pentru diverse procese biochimice și fiziologice;- UTP este utilizat în procesul de sinteză a glucidelor;- CTP este folosit în sinteza lipidelor complexe;- GTP furnizează energie în procesul de sinteză a proteinelor;- fosfoenolpiruvat și 1,3-difosfoglicerat sunt intermediari ai glicolizei (cale de degradare a

glucozei cu scopul de a genera energie);- acil-CoA reprezintă forma activă a acizilor grași, sub care aceștia participă atât la procesul

de degradare cât și la sinteza diverselor clase de lipide.

5

Page 6: Curs Energetica

În general, compușii fosforilați macroergici nu reprezintă forme de stocare pe termen lung a energiei; ei sunt forme tranzitorii de depozitare a energiei, având rolul de a transporta energia dintr-un punct în altul, de la un sistem enzimatic la altul, în cursul defășurării proceselor biologice și chimice din celulă. ATP-ul are un turnover rapid (viteza de degradare și resinteză este mare).

Excepție face creatin-fosfatul, care reprezintă o formă de stocare a energiei în mușchiul scheletic (și miocard), utilizabilă în condițiile creșterii substanțiale a necesarului energetic în cursul efortului fizic susținut.

■ Compuşi cu energie joasă:

▪ Esteri fosforici (ex. glucoză-6-fosfat, fructoză-6-fosfat, glicerol-fosfat)

ATP are o poziţie intermediară în ceea ce priveşte valoarea G° la hidroliză (tabelul 1); în consecinţă:

ATP poate fi sintetizat prin transferul, pe ADP, a unei grupări fosfat de la compuşii înalt energetici care au G° mai negativ decât − 7,3 kcal/mol, conform ecuaţiei generale:

În cursul catabolismului nutrienţilor (în vederea disponibilizării energiei libere conţinute în moleculele lor) au loc 3 asemenea reacţii generatoare de ATP (vor fi expuse ulterior); la acestea se adaugă reacția de sinteză a ATP prin transferul unui fosfat înalt energetic din creatin-fosfat, care are loc în mușchi.

ATP poate dona un fosfat înalt energetic unor compuşi (cum sunt glucoza, fructoza, glicerolul, etc), transformându-i în specii fosforilate mai reactive (îmbogăţite în energie liberă) şi favorizând, astfel, metabolizarea ulterioară a acestora; asemenea reacţii sunt catalizate de kinaze:

Deci ATP-ul poate transporta energia liberă între cele două categorii de compuşi biochimici (înalt energetici şi cu energie joasă) → serveşte ca „moneda” energetică universală în celulele vii.

Tabel 1. Valorile G° la hidroliză pentru unii compuşi cu importanţă biochimică.

Compuşi chimici G° (kcal/mol)Înalt energetici

Fosfoenolpiruvat − 14,81,3-Difosfoglicerat − 11,8Creatin fosfat − 10,3ATP (→ AMP + PPi) − 10,9Acil-CoA − 7,5ADP (→ AMP + Pi) − 7,8*ATP (→ ADP + Pi) − 7,3

Cu energie joasăPPi (→ 2Pi) − 4,6AMP (→ adenozină + Pi) − 3,4Glucoză-1-fosfat − 5Fructoză-6-fosfat − 3,8Glucoză-6-fosfat − 3,3Glicerol-3-fosfat − 2,2

6

Page 7: Curs Energetica

REACŢII DE OXIDO-REDUCERE

Energia liberă conținută în moleculele combustibililor metabolici este disponibilizată în urma degradării acestora pe diverse căi catabolice, în mod particular în reacțiile de oxidare. Multe procese catabolice au natură oxidativă, deoarece atomii de C din moleculele cu rol de combustibil sunt într-o stare redusă. Transferul de electroni (e−) în reacţii de oxido-reducere este responsabil, direct sau indirect, de majoritatea energiei libere degajate în cursul proceselor catabolice.

Fie reacţia de oxido-reducere:

Ared + Box Aox + Bred (ex: Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+) donorul de e− (Ared) este agentul reducător → pierzând e−, el se oxidează; acceptorul de e− (Box) este agentul oxidant → câştigând e−, el se reduce.

Reacţia de mai sus poate fi scrisă sub forma a două jumătăţi de reacţie:Ared → Aox + n e−

Box + n e− → Bred

Ared/Aox şi Bred/Box formează două cupluri oxido-reducătoare. Fiecare cuplu oxido-reducător este caracterizat de potenţialul redox (E), care este o măsură a afinităţii pentru electroni (a disponibilității de a accepta electroni).

Într-o reacţie de oxido-reducere, e− se deplasează de la cuplul donor de e− (cu afinitate mai mică pentru e−, E mai mic) spre cuplul acceptor de e− (cu afinitate mai mare pentru e−, E mai mare).

Potenţialul redox în condiţiile reale existente în celulă (E) poate fi calculat conform ecuaţiei lui Nernst:

E = E° + (RT/nF) ln [Ox]/[Red]

unde E° este potenţialul redox standard, n - numărul de e− transferaţi, F - constanta Faraday = 96,480 J/V∙mol, [Ox] şi [Red] - concentraţia formei oxidate, respectiv concentraţia formei reduse a cuplului oxido-reducător.

În cursul proceselor catabolice, oxidările sunt, în majoritatea cazurilor, dehidrogenări catalizate de dehidrogenaze (DH, enzime din clasa oxido-reductazelor):

AH2 + B A + BH2

7

Page 8: Curs Energetica

În reacţiile de dehidrogenare se transferă, de la o moleculă donoare la o moleculă acceptoare, 2 echivalenţi reducători (termenul de „echivalent reducător” se referă la un electron, un atom de hidrogen sau un ion hidrid H:−, care participă la o reacţie de oxido-reducere).

În cadrul căilor metabolice de degradare a combustibililor biologici, în reacţiile de dehidrogenare catalizate enzimatic, electronii de la multiple substrate diferite sunt canalizaţi spre câteva tipuri de transportori de e− universali: coenzimele piridinice şi cele flavinice.

■ Dehidrogenaze dependente de coenzimele nicotinamidice (sau piridinice, provenite din vitamina PP sau nicotinamida) catalizează reacţii de tipul:

AH2 + NAD(P)+ A + NAD(P)H + H+

NAD+ şi NADP+ acceptă un ion hidrid (H:− - un atom de hidrogen cu un electron suplimentar) de la un substrat care cedează doi atomi de hidrogen, un proton fiind eliberat în mediu:

NAD(P)+ + 2e− + 2H+ → NAD(P)H + H+

NAD+ NADH

Majoritatea dehidrogenazelor care acţionează în catabolism sunt specifice pentru NAD+ ca acceptor de e−; unele sunt localizate în citosol, altele în citoplasmă, iar altele au izoenzime mitocondriale şi citosolice.

■ Dehidrogenaze dependente de coenzimele flavinice (provenite din vitamina B2 sau riboflavina) fac parte din categoria flavoproteinelor şi catalizează reacţii de tipul:

AH2 + FMN/FAD A + FMNH2/FADH2

FMN şi FAD acceptă doi atomi de H de la substrat:

FMN/FAD + 2e− + 2H+ → FMNH2/FADH2

FAD FADH. FADH2

Coenzimele flavinice, spre deosebire de cele nicotinamidice, sunt legate ferm de apoenzimă, de aceea se mai numesc grupări prostetice. E° (potenţialul de reducere standard) pentru coenzima legată de apoenzimă are o valoare particulară pentru acea flavoproteină, depinzând de proteina cu care coenzima este asociată, această valoare fiind de multe ori diferită de valoarea E° pentru flavina liberă.

Coenzimele flavinice pot accepta de la substrat un singur atom de H (transformându-se în forma parţial redusă FADH.) sau 2 atomi de H (transformându-se în forma complet redusă FADH2). Ca urmare, flavoproteinele pot servi ca intermediari între reacţiile în care sunt cedaţi 2 e− şi reacţiile în care este acceptat un singur e−.

Prin reducerea celor două tipuri de coenzime în procesele catabolice, are loc conservarea unei mari părţi a energiei libere degajate prin oxidarea combustibililor metabolici.

8

Page 9: Curs Energetica

FOSFORILAREA OXIDATIVĂ (PO)

Reprezintă punctul culminant al metabolismului generator de energie: toate căile de degradare oxidativă a glucidelor, lipidelor şi aminoacizilor converg spre această etapă finală, în care energia eliberată în procesele de oxidare este utilizată pentru sinteza ATP.

Energia liberă degajată în cursul proceselor catabolice (în reacţiile de dehidrogenare) este conservată temporar în molecula coenzimelor reduse NADH şi FADH2; prin oxidarea ulterioară a acestora (transferul electronilor la oxigen), energia conservată devine disponibilă pentru a susţine sinteza ATP din ADP şi Pi.

PO are două componente: componenta exergonică: lanţul transportorilor de electroni (lanţul respirator, LR), care

transferă echivalenţii reducători de la NADH şi FADH2 până la oxigen; componenta endergonică: sinteza ATP prin fosforilarea ADP-ului, sub acţiunea ATP

sintazei.

Sediul PO este mitocondria. Acest organit celular are două membrane care înconjoară matricea mitocondrială:

Membrana externă este permeabilă pentru molecule mici şi ioni, care trec liber prin canale proteice transmembranare.

Membrana internă este impermeabilă pentru majoritatea moleculelor mici hidrosolubile şi a ionilor; moleculele care o pot străbate o fac cu ajutorul unor transportori specifici. Această membrană conţine componentele LR şi ATP sintaza.

Matricea mitocondrială conţine enzimele care intervin în toate căile de degradare oxidativă a substratelor energogene, cu excepţia glicolizei.

PO implică reducerea O2 la H2O cu electronii cedaţi de către NADH şi FADH2, care la rândul lor au colectat aceşti e− din căile catabolice. Dacă transferul de e− de la NADH sau FADH2 la O2 s-ar face direct, s-ar degaja o cantitate extrem de mare de căldură; ca urmare, acest transfer se realizează în mai multe etape, prin intermediul unor transportori de e− care acţionează secvenţial şi care constituie lanţul respirator (acesta fiind calea finală comună prin care electronii proveniţi de la diverşi combustibili biologici sunt transferaţi pe oxigen).

9

Page 10: Curs Energetica

Componentele LR cuprind:

■ Ubiquinona (coenzima Q) este o benzoquinonă liposolubilă cu o catenă laterală izoprenoidă lungă. Poate accepta 1 H (devenind radical semiquinonic .QH, forma parţial redusă) sau 2 H (devenind ubiquinol QH2, forma complet redusă) → ca şi flavoproteinele, poate acţiona la joncţiunea dintre un donor de 2 e− şi un acceptor de 1 e−. Având o moleculă mică şi hidrofobă, este uşor difuzibilă prin bistratul lipidic al membranei mitocondriale interne.

■ Proteinele cu Fe-S conţin fier nu în componenţa hemului, ci în asociere cu atomi de sulf anorganic sau cu sulf aparţinând unor resturi de Cys din partea proteică. Variază de la structuri simple cu un singur atom de Fe coordinat la 4 grupări –SH ale Cys, până la centri cu Fe-S mai complecşi, cu 2 sau 4 atomi de Fe. Toate proteinele cu Fe-S participă la transferuri de 1 e−.

■ Citocromii sunt hemoproteine, de 3 tipuri (a, b, c) cu spectre de absorbţie diferite în vizibil. Hemul din cit a şi b este legat ferm, dar necovalent de partea proteică, pe când cel din cit c este legat covalent prin intermediul unor resturi de Cys. E° (potenţialul de reducere standard) al atomului de Fe hemic al unui citocrom depinde de asocierea cu o anumită parte proteică, fiind diferit pentru fiecare citocrom. Citocromii tip a, b şi c1 sunt proteine integrale din membrana mitocondrială internă; excepţie face cit c, care este o proteină solubilă ce se asociază cu faţa externă a membranei mitocondriale interne. Citocromii pot accepta/ceda un singur electron:

cit (Fe3+) + 1 e− cit (Fe2+)

(forma oxidată) (forma redusă)

Componentele lanțului respirator sunt aşezate în ordinea creşterii potenţialului redox (E).

10

Page 11: Curs Energetica

Transportorii de e− din LR sunt organizaţi în 4 complexe supramoleculare integrate în membrana mitocondrială internă. Complexele I şi II catalizează transferul de e− către coenzima Q, de la doi donori de e− diferiţi: NADH, respectiv succinat.

Complexul I (NADH dehidrogenaza)Conține o flavoproteină cu FMN şi mai mulți centri cu Fe-S. Catalizează transferul unui ion

hidrid (H:+) de la NADH şi al unui proton din matrice, la coenzima Q, conform ecuaţiei generale:

NADH + H+ + CoQ → NAD+ + CoQH2

Electronii curg de la NADH → FMN → centrii cu Fe-S → coenzima Q.

Complexul II (succinat dehidrogenaza)Este o enzimă legată de membrana mitocondrială internă. Conţine centri cu Fe-S şi FAD

legat ferm. Catalizează transferul a 2 atomi de H de la succinat la coenzima Q, prin oxidare succinatul transformându-se în fumarat (succinatul este un intermediar dintr-o cale metabolică degradativă numită ciclul Krebs, care va fi descrisă ulterior).

Fluxul e− prin complexul II este de la succinat (substratul enzimei) → FAD → centrii cu Fe-S → situsul de legare al coenzimei Q. Ecuaţia reacţiei catalizate de către complexul II este:

Succinat + CoQ → fumarat + CoQH2

În afară de succinat, mai există și alte substrate care sunt oxidate de către dehidrogenaze mitocondriale și care îşi trimit e− în LR la nivelul coenzimei Q, dar nu prin intermediul complexului II:

- acil-CoA dehidrogenaza este o flavoproteină care intervine în degradarea acizilor grași; ea catalizează transferul e− de la acil-CoA la FAD-ul din componenţa enzimei, apoi electronii sunt transferați la ETF (electron transferring flavoprotein), iar de aici la ETF:ubiquinon oxidoreductaza, care îi transferă în cele din urmă pe coenzima Q;

- glicerol-3-fosfat dehidrogenaza este o flavoproteină localizată pe faţa externă a membranei mitocondriale interne, care canalizează e− din glicerol-3 fosfat spre coenzima Q; această enzimă are rol important în transferul echivalenţilor reducători de la NADH citosolic în lanțul respirator.

CoQH2 (coenzima Q care a fost redusă sub acțiunea complexului I sau a complexului II) difuzează în membrana mitocondrială internă pînă la complexul III, unde va fi oxidată. Fiind capabilă să accepte şi să cedeze 1 sau 2 electroni, coenzima Q are o poziţie intermediară între un donor de 2 e− (NADH, prin intermediul complexului I şi succinat, prin intermediul complexului II) şi un acceptor de 1 e− (citocromul b din componenţa complexului III).

Complexul III (citocrom c reductaza)

11

Page 12: Curs Energetica

Conţine citocromii b şi c1 şi proteine cu Fe-S. Transferă e− de la coenzima Q redusă la citocromul c, conform ecuaţiei:

CoQH2 + 2 cit c (Fe3+) → CoQ + 2 cit c (Fe2+) + 2 H+

Rezultatul net al activităţii complexului III: CoQH2 este reoxidată şi 2 molecule de cit c sunt reduse.

Citocromul cEste o proteină solubilă din spaţiul intermembranar, asociat cu faţa externă a membranei

mitocondriale interne. Acceptă 1 e− de la complexul III, după care se deplasează spre complexul IV pentru a-i ceda electronul.

Complexul IV (citocrom c oxidaza)Transportă e− de la citocromul c la oxigenul molecular, reducându-l la H2O. Conţine

citocromii a şi a3 (asociaţi), precum şi ioni de cupru: CuA (Cu complexat cu o grupare −SH aparţinând cisteinei, formând un centru Cu-S asemănător centrilor Fe-S) şi CuB (asociat cu cit a3).

Transferul de e− prin complexul IV este de la cit c → CuA → hemul a → hemul a3 → CuB → O2. Pentru fiecare 2 e− pasaţi prin complex, 2 H+ din matrice sunt utilizaţi pentru a transforma ½O2

în H2O. Ecuaţia reacţiei catalizate de complexul IV:

2 cit c (Fe2+) + 2 H+ + ½ O2 → 2 cit c (Fe3+) + H2O

■ Transferul global al electronilor prin lanţul respirator:

Energia degajată prin transferul e− prin LR este conservată eficient în gradient de protoni:

Transferul a 2 e− de la NADH prin lanţul respirator până la O2 poate fi scris astfel:

NADH + H+ + ½O2 → NAD+ + H2O

Reacţia este puternic exergonică: G° = − 52,6 kcal/mol.

Pentru oxidarea succinatului: succinat + ½O2 → fumarat + H2O, G° = − 35,8 kcal/mol.

Mare parte din energia liberă degajată prin transferul e− la oxigen este utilizată pentru a pompa H+ în afara matricei mitocondriale (din matrice spre spaţiul intermembranar). Pentru fiecare pereche de e− transferaţi la O2, 4 H+ sunt pompaţi de către complexul I, 4 H+ de către complexul III şi 2 H+ de către complexul IV (deci complexele I, III şi IV joacă rol de pompe de H+).

În felul acesta se creează un gradient al protonilor: concentraţie mai mare de H+ pe faţa externă a membranei mitocondriale interne şi concentraţie mai mică în matrice. Acest gradient are două componente:

- gradient electric: exteriorul membranei mitocondriale interne este mai pozitiv faţă de interiorul său;

- gradient chimic: pe faţa externă a membranei mitocondriale interne, pH-ul este mai acid în comparaţie cu faţa sa matriceală.

12

Page 13: Curs Energetica

În acest gradient este stocată o energie electro-chimică, ce reprezintă o conservare temporară a unei mari părţi a energiei eliberate prin transferul e− până la oxigen (aprox. 90%). Energia stocată astfel se numeşte forţă proton-motoare: atunci când H+ curg spontan în sensul gradientului lor electrochimic, energia stocată în acest gradient devine disponibilă pentru a efectua travaliu: susţinerea sintezei ATP din ADP şi Pi.

Sinteza ATP

Are loc la nivelul complexului V: ATP sintaza sau complexul Fo-F1. Acest complex are două componente (domenii funcţionale):

Fo este integrată în membrana mitocondrială internă; este alcătuită din 3 tipuri de subunităţi (a, b şi c) în proporţiile ab2c10. Are un canal (por) central pentru H+ prin care protonii curg în sensul gradientului de concentraţie, din spaţiul intermembranar spre matrice.

F1 este localizată pe faţa internă a membranei mitocondriale interne (proemină spre matrice) şi este asociată cu Fo. Este alcătuită din 9 subunităţi: Subunităţile şialternează, fiind dispuse ca feliile de portocală. Fiecare din cele trei subunităţi conţine un centru catalitic pentru sinteza ATP. Subunitatea formează un ax central care trece prin F1 şi este asociată cu Fo.

a) F1 izolată de Fo catalizează hidroliza ATP (ATP + H2O → ADP + Pi, G° = − 7,3 kcal/mol), motiv pentru care a fost denumită iniţial „F1 ATP-aza”.

b) F1 integrată în membrana mitocondrială internă, asociată cu Fo, catalizează sinteza ATP: ADP + Pi → ATP + H2O. Reacţia fiind puternic endergonică (G° = 7,3 kcal/mol), poate avea loc doar în condiţiile în care atât ATP cât şi H2O sunt îndepărtate eficient din mediul de reacţie, astfel încât concentraţia lor să fie menţinută la valori mult mai mici decât concentraţia ADP şi Pi (în felul acesta G real poate fi negativ). Aceste condiţii sunt create în centrii catalitici ai ATP sintazei:

- mediul hidrofob menţine concentraţia moleculelor de H2O la o valoare redusă; - ATP este îndepărtat printr-un mecanism rotativ mobilizat de curentul de protoni care trec

din spaţiul intermembranar spre matricea mitocondrială (în sensul gradientului de concentraţie), prin porul existent în componenta Fo.

■ Mecanism de cataliză rotaţională la nivelul ATP sintazei, propus de către Paul Boyer:

13

Page 14: Curs Energetica

Cei 3 centri catalitici ai subunităţilor se pot găsi în 3 conformaţii diferite: -ATP (cu afinitate mare pentru ATP),-ADP (cu afinitate mare pentru ADP) şi-empty (cu afinitate foarte mică pentru ATP şi ADP). Fiecare centru catalitic trece succesiv prin fiecare din cele trei stări: mai întâi-ADP (leagă ADP şi Pi) → are loc sinteza ATP, în acelaşi timp centrul catalitic trecând la conformaţia -ATP → în final, subunitatea trece la conformaţia -empty, cu afinitate foarte mică pentru ATP, care va fi eliberat de pe suprafaţa enzimei. Apoi începe o nouă rundă de cataliză.

Aceste modificări conformaţionale ciclice sunt determinate de pasajul H+ prin porul Fo: acest curent de H+ determină rotaţia cilindului format din subunităţile c şi a subunităţii ataşate. Aceasta din urmă trece prin centrul sferoidului . Cu fiecare rotaţie de 120°, vine în contact cu o subunitate diferită, iar contactul forţează acea subunitate să treacă în conformaţia -empty, determinând eliberarea ATP.

În concluzie: - prin transferul e− de la NADH sau succinat la O2, prin lanţul respirator, se degajă o anumită

cantitate de energie liberă → aceasta este utilizată la pomparea de H+ în afara matricei mitocondriale de către complexele I, III şi IV → se creează un gradient de H+;

- energia electro-chimică ce este conţinută în gradientul de H+ reprezintă o forţă proton-motoare: aceasta permite sinteza ATP la nivelul componentei F1 a ATP sintazei, pe măsură ce H+

curg pasiv (în sensul gradientului lor electrochimic) înapoi în matrice prin porul de la nivelul Fo.Pentru ca forţa proton-motoare să poată fi folosită la sinteza ATP, este absolut necesar ca

membrana mitocondrială internă să fie impermeabilă pentru H+, astfel încât gradientul de H+ să se menţină şi protonii acumulaţi în spaţiul intermembranar să se poată întoarce în matrice numai prin porul Fo.

■ Acest model pentru sinteza ATP se numeşte modelul chemiosmotic şi a fost propus de către Peter Mitchell: termenul „chemiosmotic” descrie o reacţie enzimatică ce implică, simultan, o reacţie chimică şi un proces de transport.

ADP + Pi + nH+ext → ATP + H2O + nH+

int

(H+ext sunt protonii de pe faţa externă a membranei mitocondriale interne; H+

int sunt protonii ajunşi pe faţa internă a membranei mitocondriale interne).

■ Raportul P/O = numărul de molecule de ATP sintetizate pentru ½O2 redus la H2O, sau pentru fiecare 2 e− transferaţi în LR:

14

Page 15: Curs Energetica

- experimental s-a constatat că numărul de H+ necesari pentru sinteza unei molecule de ATP este 4;

- atunci când NADH este oxidat în LR, sunt pompaţi 10 H+ la nivelul complexelor I, III şi IV (4 + 4 + 2) → raportul P/O este 10:4 = 2,5 (prin rotunjire se va considera ca fiind 3); reacţia de oxidare a NADH cuplată cu sinteza ATP este:

NADH + H+ + ½O2 + 3ADP + 3Pi → NAD+ + 3ATP + 4H2O

- atunci când succinatul este oxidat în LR, sunt pompaţi 6 H+ la nivelul complexelor III şi IV (4 + 2) → raportul P/O este 6:4 = 1,5 (prin rotunjire se va considera ca fiind 2); reacţia de oxidare a succinatului cuplată cu sinteza ATP este:

succinat + ½O2 + 2ADP + 2Pi → fumarat + 2ATP + 3H2O

Cele 2 procese - lanţul respirator şi fosforilarea ADP - sunt cuplate în mod obligatoriu: nici unul nu poate avea loc fără celălalt.

Inhibitorii pasajului electronilor de la NADH sau succinat până la O2 blochează sinteza ATP:

Pentru ca transferul de e− prin LR să degaje energie liberă, care apoi să poată fi utilizată la sinteza ATP, este necesar ca e− să ajungă până la acceptorul final (O2), astfel încât componentele LR să se reoxideze şi să fie apte de a transfera noi e−. Blocarea LR la un anumit nivel face ca transportorii situaţi înainte de blocaj să rămână în stare redusă, incapabili de a mai transporta noi e−

spre oxigen; în consecinţă, încetează degajarea de energie liberă → sinteza ATP devine imposibilă.

- amital (un barbituric) şi rotenona (produs din plante utilizat ca insecticid) inhibă fluxul e−

de la complexul I la coenzima Q;- malonatul (similitudine structurală cu succinatul) inhibă competitiv complexul II (succinat

dehidrogenaza);- antimicina A (un antibiotic toxic) inhibă LR între cit b şi cit c1 (în cadrul complexului III);- cianurile şi monoxidul de carbon inhibă citocrom oxidaza (complexul IV).

Inhibarea sintezei de ATP blochează transferul e− la O2:Dacă sinteza ATP nu poate avea loc sau fluxul H+ spre matrice (prin componenta Fo) este

blocat, H+ pompaţi nu se mai pot întoarce în matrice. Pe de altă parte, ei continuă să fie expulzaţi prin activitatea LR, ceea ce duce la crearea unui gradient de H+ foarte mare. La un moment dat, energia eliberată prin transferul e− de la NADH la O2 devine mai mică decât energia necesară pompării protonilor. În acest moment, transferul e−

nu mai poate continua, trebuie să se oprească.- oligomicina este un antibiotic toxic care inhibă ATP sintaza (componenta Fo) → inhibă atât

sinteza ATP cât şi transferul e− la O2.

Decuplarea lanţului respirator de fosforilarea ADP poate fi realizată:

15

Page 16: Curs Energetica

- 2,4-dinitrofenolul este un decuplant chimic: acid slab cu moleculă hidrofobă, care poate străbate membrana mitocondrială internă. Intră în matrice în formă protonată şi eliberează un H+ → se întoarce în spaţiul intermembranar în formă deprotonată; aici captează un proton → traversează din nou membrana şi eliberează protonul în matrice ş.a.m.d.; în felul acesta, DNP permeabilizează membrana mitocondrială internă pentru H+, disipând astfel gradientul de protoni transmembranar (este un protonofor).

- ionofori ca valinomicina permit ionilor anorganici să treacă prin membrana mitocondrială internă, disipând componenta electrică a gradientului electro-chimic.

În urma decuplării celor două procese, transferul de e− în LR continuă, dar energia eliberată în cursul acestui proces nu mai poate fi utilizată pentru sinteza ATP → este disipată sub formă de căldură.

Decuplanți fiziologici: în țesutul adipos brun, bogat reprezentat la animalele hibernante, prezent și la nou născuți, există o proteină numită termogenina (UCP1 - uncoupling protein 1): aceasta formează un canal în membrana mitocondrială internă, care permite transferul protonilor din spațiul intermembranar spre matrice. În felul acesta, gradientul de protoni format prin activitatea lanțului respirator este disipat și ATP sintaza este scurt-circuitată, energia degajată în lanțul respirator fiind transformată în căldură. Așadar termogenina are rol în termogeneză.

Reglarea fosforilării oxidative - de către nevoile energetice celulare:

Rata respiraţiei (consumul de oxigen, sau altfel spus viteza transportului electronilor prin lanțul respirator) în mitocondrie este reglată riguros; în general este limitată de disponibilitatea de ADP ca substrat pentru fosforilare, având în vedere cuplarea dintre cele două procese (în prezenţa ADP, rata consumului de O2 este semnificativ mai mare decât în absenţa ADP).

Concentraţia intracelulară a ADP este o măsură a statusului energetic al celulei. atunci când consumul de ATP creşte (pentru diverse procese ce au loc cu consum de

energie), acesta este scindat în ADP şi Pi → rezervele de ATP scad iar concentraţia ADP creşte (aceasta semnifică faptul că rezervele energetice ale celulei trebuie refăcute) → crescând cantitatea de ADP disponibil pentru procesul de fosforilare, rata respiraţiei va creşte → aceasta va determina regenerarea ATP;

atunci când consumul de ATP este redus, în celulă se menţin concentraţii ridicate de ATP (ceea ce semnifică satisfacerea necesităţilor energetice) → în aceste condiţii, concentraţia ADP este scăzută → scăzând cantitatea de ADP disponibil pentru fosforilare, rata respiraţiei va scădea.

Reglarea ratei respirației are loc sincronizat cu reglarea vitezei căilor metabolice de degradare a combustibililor biologici, care duc la sinteză de ATP. Acestea sunt, în general, controlate feedback de nivelul ATP: o creștere a concentrației ATP (ca urmare a utilizării sale reduse) determină scăderea vitezei căilor degradative, în timp ce creșterea utilizării ATP duce la scăderea nivelului său și creșterea nivelului ADP sau AMP, având ca efect creșterea vitezei căilor de oxidare a combustibililor.

Se poate vorbi, astfel, de homeostazia ATP: aceasta se referă la capacitatea celulelor de a menține niveluri constante de ATP în ciuda fluctuațiilor mari în rata utilizării sale. ATP-ul se formează atât de rapid pe cât este utilizat în activităţile celulare consumatoare energie.

16