11.METABOLISM- NOIUNI INTRODUCTIVE 1.1.Introducere n studiul metabolismului intermediar Organismeleviiiasigurstructuracomplex-carepresupunemeninereaunor echilibrebiochimiceifuncionale-printr-unaportcontinuudeenergiedinexterior. Aceastenergieestepreluatodatcualimenteledinmediulnconjurtoriar organismeleviiauposibilitateacaprinprocesecolectiveseliberezeisstochezeaceastenergiechimicissintetizezebiomoleculecomplexeporninddelacele simple. Totalitateatransformrilorcompuilorchimiciiaenergieidinorganismulviu poart denumirea de metabolism iar prin metabolism intermediar se nelege ansamblul proceselorbiochimicecareaulocdupabsorbiaintestinalasubstanelornutritive provenitedinalimente.Acesteprocesebiochimicepresupunconversiamaterieii energieiprinsecvenedereaciicatalizatedeenzimencareprodusuluneireacii enzimaticedevinesubstratpentrureaciaurmtoare.Produiicarerezultnaceste reacii succesive pot fi metabolizai sau devin intermediari metabolici. Cele dou direcii principale ale metabolismului intermediar sunt: 1.Catabolismul care cuprinde procesele prin care molecule complexe-glucide, lipide, proteine-denaturendogensauexogensuntscindatetreptatlamoleculesimple: monoglucide,glicerol,acizigrai,aminoacizi.Acestealarndullorsuntdegradate oxidativ pn labioxid de carbon i ap. n aceast etap energia liber care rezult este captatsubformdeadenozintrifosfat(ATP)saualicompuimacroergici.Energia chimic care se formeaz n procesele catabolice mai poate fi folosit n susinerea unor procese fiziologice sau fizico- chimice cum ar fi contracia muscular, transportul activ prinmembrane,excitaianervoassaupentruuneleproceseanaerobeiaromicparte dinenergieesteconvertitncldur.Etapelefinalealeciimetabolicesunt reprezentatedea.ciclulacizilortricarboxilicib.catenaderespiraiec.fosforilarea oxidativ. n aceste etape acetilcoenzima A este degradat oxidativ la dioxid de carbon i ap iar energia este stocat sub form de ATP. 2.Anabolismulcuprindeproceseledebiosintezalecomplexelormacromoleculare (glucide, lipide, proteine, acizi nucleici etc) , pornind de la componeni mai simpli care provin n primul rnd din alimente. Energia necesar proceselor anabolice este furnizat de compui macroergici cum ar fi ATPsau indirect prin hidrogenul cu energie ridicat din nicotinamid - adenindinucleotid fosfat (NADPH). ntreproceselecatabolice iceleanaboliceexistunechilibru dinamiclanivelcelular, compoziiachimicacelulelorfiindmeninutpetoat duratade via aacestorantre anumitelimiteceeacenseamncvitezadesintezabiomoleculeloresteegalcu viteza de degradare a lor. Economisirea de metabolii i de energie reprezint condiii de desfurare a proceselor biochimice componente ale metabolismului intermediar. Unelecianaboliceicatabolicecuprindetapecomuneformatedinreaciireversibile care sunt catabolizate de enzime comune i la care particip metabolii comuni aa cum este cazul gluconeogenezei i glicolizei din metabolismul glucidic.Aceste ci cuprind i etapedistincteformatedinreaciiireversibileicaresuntcatalizatedeenzime reglatoare. 2 Echipamentulenzimaticcarecatalizeazoanumitcalemetabolic-anabolicsau catabolic-areolocalizareintracelulardistinct.Astfel,citosolulconineenzime specificeurmtoarelorseturidereacii:glicoliza,caleapentozofosfailor,biosinteza acizilor grai. Echipamentul enzimatic care catalizeaz setul de reacii din ciclul acizilor tricarboxilici ( ATC), fosforilarea oxidativ, |-oxidarea acizilor grai ,formarea corpilor cetonici este localizat n matricea mitocondrial. Metabolismulseclasificnfunciedenaturabiomoleculeisaucompusului metabolizat: a.metabolismul glucidic; b.metabolismul lipidelor; c.metabolismul proteinelor (incluznd aicii metabolismul nucleotidelor i acizilor nucleici) ; d.metabolismul hidromineral. Reglareametabolismuluiserealizeazlamaimulteniveleicuprindeanumite sistemedereglare,uneleprinmecanismespecificeiaralteleprinmecanisme nespecifice.n molecula enzimei care controleaz o anumit reacie biochimic exist n afaracentruluiactivalmoleculeiicentrialostericiundesepotlegaspecii moleculare carenuprezintanalogiestructuralcusubstratul(numiiefectorialosterici).Legarea acestor efectori determin modificri conformaionale n macromolecula de enzim care setransmitladistan,lacentrulactivalenzimeiiacioneaznsensulactivriisau inhibriiformriicomplexuluienzim-substrat.Acetiefectorialostericijoacunrol important n reglarea i controlul proceselor biochimice. Astfelntr-unprocesbiochimiccaredecurgenmaimulteetape(procesmulti- secvenial),unuldintreproduiifinalipoateacionacainhibitoralostericpentruuna dintre enzime ( n schema de mai jos: S= substrat, P=produs de reacie, E=enzima ): Reglareaproceselormetabolicesepoatefaceiprincontrolulgeneticalvitezei debiosintezalenzimeicarecatalizeazoreaciebiochimicsauprincontrolul vitezelordeintrareabiomoleculelornceluldatoritpermeabilitiiselectivea membranelor celulare pentru acetia. Proceselemetabolicenorganismeleanimalesuntreglateprinintermediul hormonilor.Astfel,hormoniihipotalamicipotstimulasauinhibasecreiatropinelor hipofizare. Eliberarea hormonilor hipotalamici i a tropinelor hipofizare este reglat prin mecanism feed back de ctre concentraia plasmatic a hormonilor periferici Activitatea unorglandeendocrinecumesteparatiroidasaupancreasulendocrinestereglatde parametrulbiologicpecare-lcontroleaz.Astfel,eliberareadeinsulincuaciune hipoglicemiant este declanat de creterea glicemiei. Hormoniisuntactivatoriaibiosintezeilanivelcelular,ndeplinindfunciade efectoriaibiosintezeienzimelor.nmetabolismullipidic,uniihormonicumarfi (-)SP1P2....PnE1E2E3 En3catecolaminele stimuleaz lipoliza (mesagerul secundar este n acest caz AMP ciclic) n timpcealii(cumarfiinsulina)stimuleazlipogeneza.nmetabolismulglucidic hormoniiglucocorticosterozifaciliteaz conversiaaminoacizilornglucoziarinsulina induce conversia glucozei n glicogen. 1.2.Oxidarea biologic a glucidelor, lipidelor i proteinelor Biomoleculelecustructurcomplexdenaturexogencumarfipoliglucidele, proteinelesaulipidelenupotfiutilizatedectreorganismdectdupoprealabil conversiealornaparatuldigestiv.Scindareahidroliticaacestorbiomoleculeeste realizat cu ajutorul echipamentului enzimatic prezent n sucul gastric, sucul duodenal, intestinulsubireiflorabacterian.nurmaacestortransformrimetaboliceseobin unitilecomponentealeacestorbiomoleculecomplexe:monoglucide,glicerol,acizi grai,aminoacizi.Acesteuniticomponentesuntcatabolizatelanivelcelularprin desfacereatreptatalegturilorC-Cdinfiecarecompuscuformareanfinalaunui metabolitcomun,acetilcoenzimaA,carereprezintpunctuldelegturcatabolici anabolic din organism. Pornind de la acetilcoenzima A se pot sintetiza mai multe clase debiomolecule.Degradareaaminoacizilorpresupuneobligatoriuioetapde ndeprtareagrupriiaminorealizatprintransaminaresaudeaminare oxidativ.Catabolizareaunitilorstructurale(monoglucide,aminoacizietc.)rezultate prinhidrolizsefacepecaleoxidativ,cuconsumdeoxigeniaracestproceseste denumitimpropriuoxidarebiologic.Dinoxidareaacizilorgrairezultcelemai importante cantiti de energie dar oxidarea glucidelor decurge mai rapid, fiind utilizat deseoridectreorganismulanimalpentrunevoileimediatedeenergie.Dioxidulde carboniapareprezintproduiifinaliaioxidriiacetilcoenzimeiAnciclulATC cuplatcucatenaderespiraieifosforilareoxidativ.Dioxiduldecarbonrezultprin decarboxilarea unor acizi ( de exemplu acidul o-cetoglutaric) n ciclul ATC. Apa rezult ncatenaderespiraieporninddelahidrogenulpreluatdepediferitesubstratesub formdecoenzimenstareredus(NADH,FADH2)ioxigenulmolecular.Prin cuplareacatenei derespiraiecufosforilareaoxidativ,energiacarerezultnprocesul de formare al apei este nmagazinat n legturile macroergice ale ATP. nschema demaijos se redprincipaleleetapen degradarea oxidativaglucidelor, lipidelor i proteinelor:

4Ciclul ATCAcetil-CoAPiruvatGlucozaPoliglucide LipideAcizi grasiProteineAminoacizi2 CO2O2H2ONAD+NADH+H+ADP+PiATP Degradarea oxidativ a glucidelor, lipidelor i proteinelor 1.3. Biomolecule macroergice norganismeleanimaleexistungrupdebiomoleculespecializatedenumitecompui macroergici care sunt implicai n schimbul de energie, bilanul energetic n orice tip de celule vii. Compuii macroergici i ndeplinesc aceast funcie prin susceptibilitatea lor lahidrolizcndseelibereazocantitatemaredeenergie(egalsaumaimarede7 kcal/mol). Unrolimportantcafurnizordeenergiepentrumulteprocesebiochimiceirevine sistemuluiadenilatcecuprindeadenozintrifosfatul-ATP,adenozindifosfatul-ADPi adenozinmonofosfatul-AMPicarefuncioneaznprezenaionilordemagneziu (Mg2+) i fosfatului anorganic Pi (a se vedea i schema de mai jos): NNNNNH2AMPADPOCH2O OHO P P ~ OO-OO-P ~ OOOO-OH_ Schema 1.3.1. Structura funcional a sistemului adenilat, ATP/ADP/AMP 5Fosforilarealanivelulsubstratuluiifosforilareaoxidativreprezintcelemai importante ci de sintez a ATP-ului. Fosforilarea la nivelul substratului implic utilizarea imediat n scopul sintezei de ATP aenergieieliberatencursuluneireaciiexergonicecarefacepartedintr-osecven catabolic. Fosforilarea la nivelul substratului implic preluarea de Pi i asigur 10-12% din necesarul de ATP al organismului animal. Se cunosc trei reacii de fosforilare la nivelul substratului care opereaz n organismul animal i anume: a.nglicoliz,aldehida3-fosfoglicericesteconvertitlaacid1,3-difosfogliceric subaciuneagliceraldehid-fosfat-dehidrogenazei(cupreluaredePi).ntr-oetap ulterioar,acidul1,3-difosfoglicericestetransformatsubaciunea fosfogliceratkinazei n acid 3-fosfogliceric cu sinteza concomitent de ATP: H2C OCCOOHOH HP H2C OCCOHHOHP H2C OCC ~ OOHOHPNAD+NADH+H+PiPADPATPAldehid-3- fosfo-gliceric Acid 1,3-difosfo- gliceric Acid 3-fosfo- gliceric b. Totnglicoliz,2-fosfoenolpiruvatulesteconvertitlapiruvatcuformareaunei molecule de ATP. Aceast etap este precedat de obinerea 2-fosfoenolpiruvatului din 2-fosfoglicerat: Acid 2-fosfo- gliceric H2OH2C OHC OCOOHH PCH2C O ~COOHPADPATPCOOHCCH3OFosfoenol- piruvat Piruvat c.nciclulATC,prindecarboxilareaoxidativao-cetoglutaratuluilasuccinatse sintetizeazATP.Aceastconversieserealizeazprindoureaciicatalizatedeo-cetoglutarat dehidrogenaza i respectiv succinil~CoA sintetaza: COO-C OCH2CH2COOHC ~ SCoACH2OCH2COOHNAD+NADH+H+ CO2CoA-SHGDPGTPCoA-SHPiCOOHCH2CH2COOHAcid o-ceto- Succinil ~ CoA Acid glutaric succinic Aceast fosforilare la nivel de substrat duce la sinteza de GTP pornind de la GDP i Pi. SistemulGDP/GTPestencorelaiecusistemulADP/ATPaacumrezultidin reacia de transfosforilare prezentat mai jos: 6GTP + ADP GDP + ATP Fosforilareaoxidativasiguraproximativ80-90%dinnecesaruldeATPal organismuluianimal.Oxidareacoenzimelorreduse(NADH,FADH2)ncatenade respiraieestecuplatcufixareadirectdefosfatanorganic(Pi)laADP,acest mecanism de cuplare fiind prezentat mai departe. n cursul diverselor procese biochimice, ATP-ul este scindat la ADP+ Pi sau la AMP i acid pirofosforic care este hidrolizat mai departe la acid fosforic ,aa cum se exemplific n reaciile de mai jos: a.OOHOHOHCH2OHOHOOHOHOHCH2OOH+ ATPP+ ADPGlucozaGlucozo-6-fosfat Deoarecefosforilareaglucozeinecesitmaipuinde7,3kcal/mol,estesuficient scindarea hidrolitic a ATP-ului la ADP+ PI. b.R-COOH + ATP + COA-SH R-CO~SCOA + AMP + PPi Acid gras Acil~CoA Sinteza acetil~CoA(formaactivataacizilorgrai)necesitmai mult de 7,3kcal/mol, iarnacestcazscindareahidroliticaATP-uluisefacelaAMP+PPi,acestadinurm fiindhidrolizatrapidladouresturidefosfatanorganic(Pi)subaciuneaunor pirofosfataze specifice existente n toate tipurile de celule: PPi + H2O 2 Pi Adenilatkinazaesteoenzimactiv,prezentntoatecelulele,carecatalizeaz conversia AMP la ADP printr-o reacie de transfosforilare: AMP + ATP 2 ADP Dac ATP-ulpoatefisintetizatdinADPiPi,nuacelailucrusepoatespunedespre sinteza din AMP i PPi pentru care nu exist o enzim care s catalizeze aceast reacie. Alicompuimacroergicisunt ceidinclasaguanidinfosfailorianumecreatinfosfatul i argininfosfatul: HN PO3H2CNNHCH2CH3COOHHN PO3H2CNHNHCH2CH2CCOOHNH2HCreatinfosfat Argininfosfat 7Pentrumamifere,creatinfosfatulareunrolimportantcarezervordegruprifosfat macroergiclanivelulmuchilor,pentruaputeafiutilizatntimpulcontracieiprin intermediulATP.Creatinfosfokinaza(CPK)esteoenzimcarecatalizeazsinteza ATP-ului pornind de la creatinfosfat i ADP ntr-o reacie reversibil: C HNNH ~ N CH2CH3COOHP+ ADP HN CNH2N CH2CH3COOH+ ATPCreatinfosfatCreatin nrepaus,reaciamergedeladreaptalastngaireprezintmodalitateadesinteza creatinfosfatului. n muchii nevertebratelor, rolul de fosfagen al creatinfosfatului este preluatdeargininfosfat.Astfeldecompuimacroergicireprezintunrspunsla asigurarea de durat a rezervei de energie n celule cu un consum foarte ridicat de ATP, cum este cazul muchilor n contracie. SintezadeATPestenfunciedenecesitileenergeticelanivelcelulariar controlul acestui proces se face cu ajutorul unor enzime alosterice a cror activitate este dependent de concentraiile unor efectori ca AMP, ADP i ATP. Mononucleotideletrifosforilate,alteledectATP,auunrolimportantndeosebi nprocesedebiosintez.Astfel,guanozintrifosfatul(GTP)esteimplicatnbiosinteza proteinelor, citozintrifosfatul (CTP)n biosinteza fosfolipidelor, uridintrifosfatul (UTP) n biosinteza glicogenului, glicosfingolipidelor etc. Unele mecanisme de transmitere a informaiilor chimice, ndeosebi provenind de lahormoni, presupunexistenalanivelulmembranelor plasmaticeaunorproteine G care au ca i componente GDP i GTP. n tabelul de mai jos se d coninutul n energie liber (kcal/mol) corespunztoare hidrolizeiunorcompuimacroergicisaualeunorbiomoleculefosforilatecarenusunt macroergice. Tabelul1.3.1.Coninutulnenergieliber(kcal/mol)corespunztoare hidrolizei unor compui macroergici sau ale unor biomolecule fosforilate care nu sunt macroergice BiomoleculeTipul de legturEnergie Acid fosfoenolpiruvic Creatinfosfat Acetil~CoA ATP ( ADP + Pi) Glucozo-1-fosfat Glucozo-6-fosfat Glicerol-3-fosfat enol-fosfoesteric fosfoamidic tioesteric anhidridic esteric esteric esteric 14,8 10,3 7,5 7,3 5,0 3,3 2,2 8Orice biomolecul macroergic fosforilat avnd o energie liber corespunztoare hidrolizeisalemaimarede7,3kcal/molestecapabilcaprintr-oreaciede transfosforilare s converteasc ADP la ATP. 1.4.Ciclul acizilor tricarboxilici 1.4.1. Etapele ciclului ATC CiclulacizilortricarboxilicisauciclulluiKrebsesteocaleamfibolic(se implic att n procesele catabolice ct i n cele anabolice): a. acetatulactivatcarerezultcametabolitaldiferitelorcideutilizareasubstanelor nutritive(glucide,acizigraiiaminoacizi)estedegradatprintr-uncicludereaciin scop energetic. b. ciclulacizilortricarboxilicifurnizeazintermediariisipentrubiosintezamultor compui. 1.Introducerea acetatului sub form de acetilcoenzim A n ciclul Krebs se face prin reacia de condensare cu acidul oxalilacetic n urma creia rezult acidul citric: H3C CO ~ SCoAAcetil ~ CoA+HOOC C CH2OCOOHAcid oxalilaceticH2OCoA-SHH2C COOHCCCOOH HOCOOH H2Acid citric Reaciade maisusestecatalizatde citratsintetazi esteocondensarealdolic ntreocomponentcarbonilic(oxalilacetat)iunametilenic(acetil~CoA). Labilizarea hidrogenului din poziia o a acetil~CoA se datoreaz lipsei fenomenului de mezomerie n tioesteri care conduce la efectul atrgtor de electroni al grupei CO-. Succinil~CoA,unintermediaralcicluluiKrebsiATP-ulsuntinhibitorialostericiai citratsintetazei.nacestfel,ostareenergeticridicatnesuturi,semnalatde concentraiimarideATP,ducelancetinirearitmuluireaciilorinclusenciclulATC prin inhibarea citratsintetazei. 2. Citratul este izomerizat n continuare la izocitrat sub aciunea cis-aconitazei i avnd ca intermediar cis-aconitatul: H2C COOHCCCOOH HOCOOH H2C COOHCCCOOHCOOHHH2- H2O+ H2O- H2O+ H2OHO CH COOHCCCOOHCOOHHH2acidul citric acidul acidulcis-aconiticizocitric Izomerizareaaciduluicitricserealizeazprintr-odeshidratareurmatdeoetapde hidratare.3.Acidul izocitric este decarboxilat oxidativ cu formarea aciduluio-cetoglutaric i CO2 sub aciunea izocitratdehidrogenazei, enzim reglatoare alosteric: 9HO CH COOHCCCOOHCOOHHH2NAD+NADH+H+CO2COOHC OCH2CH2COOHAcidul izocitricAcidul o-cetoglutaric 4. Acidul o-cetoglutaric este decarboxilat oxidativ la succinil~coenzima A: Decarboxilareaoxidativaaciduluio-cetoglutaricestecatalizatdecomplexulo-cetoglutaratdehidrogenazacaredepindedetiaminpirofosfat(TPP),acidlipoic,FADi NAD+.Produsuldereacie,succinil~CoA,esteuncompusmacroergic,iarscindarea legturiitioestericeestecuplatcufosforilareaguanozin-difosfatului(GDP)caretrece n GTP (reacie de fosforilare a substratului): Conversia GTP la ATP se face sub aciunea enzimei nucleozid difosfatkinaza: GTP + ADP GDP + ATP o-Cetoglutaratdehidrogenaza este inhibat de ATP, NADH i succinil~CoA. 5. Acidul succinic obinut n reacia precedent este convertit la acidul fumaric sub aciunea succinatdehidrogenazei, o flavin-dehidrogenaz: COOHCH2CH2COOHFADFADH2HC COOHCH HOOCAcid succinic Acid fumaric COOHC OCH2CH2COOHNAD+NADH+H+CO2CoASHAcidSuccinil ~ CoAo-cetoglutaricCOOHCH2CH2CO SCoACOOHCH2CH2COOH+ CoASHGDPGTPPiCOOHCH2CH2CO SCoAAcid succinicSuccinil-CoA10 Aceast reacie este inhibat competitiv de concentraii mari de acid oxalilacetic, dar i de acid malonic, un fals substrat. 6. Sub aciunea fumarazei, o enzim stereospecific, acidul fumaric este hidratat la acid L-malic: COOHCCH2COOHOHHC COOHCH HOOCH2OH2OHAcid fumaricAcid L-malic 7. Ciclul catabolizrii unei molecule de acetil~CoA se ncheie prin reacia de oxidare a acidului L-malic la acid oxalilacetic: NAD+NADH+H+COOHCCH2COOHOH HCOOHCCH2COOHOAcid L-malic Acid oxalilacetic Reacia este catalizat de L-malatdehidrogenaza. Ecuaia global a ciclului ATC este: CH3CO~SCoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + 2H2O + Pi 2 CO2 + FADH2 + 3 NADH + GTP + CoASH + 2 H+ Deciprinoxidareaacetil~CoArezult2moleculedebioxiddecarbonipatru perechi de echivaleni reductori (3 NADH + 3 H+ + FADH2) care sunt oxidai n lanul respiratoricarepermitereluareacicluluiATC.Condiiaobligatorienacestcazeste desfurareaacestuiprocesncondiiideaerobioz.CiclulKrebsreprezintocale majordedegradareaglucidelor,lipideloriproteinelorcuscopulgenerriideATP, dar poate furniza intermediari pentru diferite ci metabolice. IntrareanciclulKrebsaaa-numiiloraminoacizicetoformatori(fenilalanin, leucin) se face prin acetil~CoA, la fel ca i pentru acizii grai caresunt degradai prin |-oxidare.Glucideledariuniiaminoacizifurnizeazicomponentaoxalilacetatcare permitereluareacicluluiATC.Disponibilitateaoxalilacetatuluipermiteutilizarea lipidelor n ciclul ATC. Caleamajordesintezaoxalilacetatuluioreprezintcarboxilareapiruvatuluisub aciunea piruvatcarboxiligazei: CH3COCOOH + CO2 + ATP HOOCCH2COCOOH + ADP + Pi Reaciasedesfoarnmitocondrii,iarbiotinaestegrupareaprostetica piruvatcarboxiligazei. Aminoaciziiglucoformatorisedegradeazpecipropriicuformareaunor intermediari ai ciclului ATC. LapH-ulcelular,toiaciziiformainstarelibernciclulATC(citric,cis-aconitic, izocitric, o-cetoglutaric, etc.) se gsesc sub form de anioni. CeledoudecarboxilrioxidativedinciclulKrebscatalizatedeizocitratdehidrogenaz respectivo-cetoglutaratdehidrogenazasuntresponsabilepentruceamaimareparte din 11 bioxidul de carbon expirat de animale (volumul de CO2 n litri/zi este de 30003500 n cazul vacilor n perioada de lactaie i demonstreaz intensitatea acestei ci metabolice). 1.4.2.Bilanul energetic al ciclului Krebs. Cuplarea ciclului Krebs cu lanul respirator ifosforilareaoxidativpermiteoxidareacoenzimelorreduse(NADH,FADH2)prin caresegenereazATPiestefacilitatdelocalizareaintramitocondriala echipamentelor enzimatice specifice acestor procese. Princonversiaizocitratuluilao-cetoglutaratsubaciuneaNAD+izocitratdehidrogenazei rezult un mol de NADH care duce n final la formarea a 3 moli de ATP. Prindecarboxilareaoxidativao-cetoglutaratuluilasuccinil~CoAsubaciuneao-cetoglutaratdehidrogenazei se formeaz un mol de NADH (=3 moli de ATP). Dehidrogenareamalatuluilaoxalilacetatsubaciuneamalatdehidrogenazei genereaz un nou mol de NADH (= 3 moli de ATP). Conversia succinatului la fumarat sub aciunea succinatdehidrogenazei genereaz un mol de FADH2 (= 2 moli de ATP). nconversiasuccinil~CoAlasuccinatseformeazolegturfosfatmacroergicprin fosforilare la nivelul substratului. Prin transfosforilare, molecula de GTP astfel format este convertit la ATP. DecinsumndnumruldemolideATPformaiprincatabolizareaunuimolde acetil~CoAprinciclulATCcontinuatcucatena derespiraiecuplatcufosforilarea oxidativ se obine un total de 12 moli ATP. 1.4.3.Caracterul amfibolic al ciclului ATC.Numeroasebiomoleculeisintetizeazscheletulhidrocarbonatpeseamaunor intermediariaicicluluiKrebs,ceeaceconsacracestciclucapeocaleamfibolic (catabolicianabolic).Succinatul,intermediaralcicluluiATC,esteantrenatn biosintezahemului,mioglobinei,citocromilorprinciclulsuccinat-glicocol.Succinatul este intermediar i n gluconeogeneza la rumegtoare. Oxalilacetatulio-cetoglutaratul,cetoaciziiformainciclulATC,potformaprin transaminare sau aminare reductiv aminoacizii corespunztori, aspartatul i glutamatul. Aspartatul este de asemenea un precursor n biosinteza pirimidinelor. Prin reacii anaplerotice se neleg reaciile care permit furnizarea de intermediari metaboliciaicicluluiKrebs.Carboxilareapiruvatuluiesteunexempludereacie anapleroticprincaresefurnizeazcicluluiKrebsoxalilacetatncondiiilencare mamiferelorlelipseteechipamentulenzimaticdeconversiedirectaacetil~CoAn oxalilacetat.Reaciianapleroticesuntconsiderateitransaminrileaspartatuluii glutamatului la oxalilacetat i respectiv o-cetoglutarat: Aspartat + piruvat oxalilacetat + alanin Glutamat + piruvat o-cetoglutarat + alanin Glutamatdehidrogenazacatalizeazurmtoareareacieanapleroticcarefurnizeazo-cetoglutarat: 12 Glutamat + NAD+ + H2O o-cetoglutarat + NADH + H2O + NH3 ReglareacicluluiATC.Oxidareaacetatuluiactivatnacestciclu,dariritmul oxidrilor n ciclul ATC sunt sensibile la ncrcarea energetic a celulei, la concentraia deATP.SuntimportanteisemnaleleFADiNAD+atuncicndschimbulenergetic estemic.Controlul cicluluiATCesterealizatprin mai multemecanismeceacioneaz nctevapunctedecontrolcareincludcitratsintetaza,izocitratdehidrogenazaio-cetoglutaratdehidrogenaza i au fost menionate la trecerea n revist a reaciilor acestui ciclu. 1.4.4.DereglrialecicluluiATC. UneleotrvuridemembranecumarfiCCl4pots afecteze randamentul de sintez al coenzimelor reduse (NADH, FADH2) cu consecine imediatensintezade ATP(princuplareacu lanulrespiratorifosforilareaoxidativ) iimplicitinstalareaunortulburrifuncionaleinclusivmodificristructurale degenerative. ncetozarumegtoarelor,insuficienaoxalilacetatuluifacecasnusemai asigureraportulechimolarnecesarreacieicuacetil~CoA,instalndu-seastfelo disfuncie a mitocondriilor. O privire de ansamblu asupra ciclului ATC este redat n schema 1.4.1. Oxalil acetatCitratCis-aconitatIzocitrato-CetoglutaratSuccinil ~ CoASuccinatFumaratMalatAcetil-CoANAD+NADH+H+CO2NAD+NADH+H+CO2GTP GDPFADH2FADNAD+NADH+H+2a2b 1345678 Schema 1.4.1.Principalele etape ale ciclului ATC (1-citratsintetaza, 2-aconitaza, 3-izocitratdehidrogenaza,4-o-cetoglutaratdehidrogenaza,5-succinil-CoAtiokinaza, 6-succinatdehidrogenaza, 7-fumaraza, 8-malatdehidrogenaza). 1.5.Catena de respiraie i fosforilare oxidativ Ciclulacizilortricarboxiliciilanulrespiratorcuplatcufosforilareaoxidativ reprezintcicomunededegradareaglucidelor,lipideloriproteinelor.Coenzimele reduse NADH i FADH2 formate n glicoliz, oxidarea acizilor grai i ciclul ATC sunt 13 moleculebogatenenergieiarhidrogenulpecare-lconinsegsetelaunpotenial ridicat cuantificabil prin potenialul redox standard. Printransferul hidrogenuluipeoxigencuformareaapeiseelibereazo cantitate maredeenergiecarepoatefiutilizatlagenerareadeATP.Reoxidareacoenzimelor asigur continuitatea reaciilor din ciclul ATC dar i din alte ci metabolice care implic dehidrogenri specifice. Lanulrespiratoresteetapaultimadegradriiaerobelaorganismeleeucariote princareatomiidehidrogenielectronii(aanumiiiechivalenireductori)dela coenzimeleredusesunttransferailaoxigenprinintermediulunorsistemeredoxia unui echipament enzimatic specific: NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ + H2O FADH2 + 1/2 O2 FAD + H2O Fiecaresistemredoximplicatnlanulrespiratorestecaracterizatprintr-oanumit cdere de potenial. FosforilareaoxidativesteprocesulprincaresegenereazATPdintransferul echivalenilorreductoridelaNADHsauFADH2laoxigenireprezintsursamajor de ATP n organismele aerobe. Localizarealanuluirespiratorifosforilriioxidative.Ansamblulcomponentelor lanuluirespiratorifosforilriioxidativeestelocalizatnmembranainterna mitocondriei.Transferuldeelectronidelacoenzimelereduse(NADH,FADH2)la oxigenul molecular are loc prin intermediul componentelor lanului respirator (cum ar fi citocromii)1.5.1.Organizarea catenei de respiraie Catenaderespiraieesteformatdin4complexeenzimaticelegateprindoi transportori de electroni mobili: coenzima Q i citocromul C. ComplexulImaiestedenumiticomplexulNADH-coenzimaQreductaza cunoscut i sub numele de NADH-dehidrogenaza, Subunitile complexului I conin i ctevaheteroproteine cufierneheminicisulfnotatecu FeS1,FeS2etc,aceast ordine corespunznddescreteriiluiE0.FlavoproteinaFPN,avndcaicoenzim flavinmononucleotidul(FMN),estedeasemeneaocomponentacomplexuluiI,fiind implicat n preluarea hidrogenului de la coenzimele NADH. Acceptorul de electroni pentru complexul I este coenzima Q numit i ubichinon i notat Q.CoenzimaQfacelegturacucomplexulIII(complexulcitocromCreductaz).Tot coenzimaQesteimplicatntransferuldeelectronidelacomplexulIIlacomplexul III. Complexul II mai este denumit i succinat-coenzima Q-reductaza i reprezint punctuldeintrarencatenaderespiraieahidrogenuluidelasuccinat.ComplexulII includeflavoproteinasuccinatdehidrogenaza(fiindaceeaienzimcareparticipin ciclul Krebs) cu coenzim de tip FAD. Tot n complexul II se mai gsesc cel puin trei proteine cu fier i sulf. Funcionarea catenei de respiraie se poate face prin ramura lung, adic atunci cnd echivaleniidereducereintrnlanulrespiratorprincomplexulIsauprinramura scurt, cnd intrarea echivalenilor se poate face prin complexul II. 14 ComplexulIIIestedenumiticoenzimaQ-citocromc-reductaz.Electronii primiidelacomplexeleIiIIsuntcedaicomplexuluiIIIprinintermediulcoenzimei Q. Ca grupri prostetice ale complexului III menionm citocromii de tip b i c precum i o protein cu Fe i S. Citocromii sunt heteroproteide avnd ca grupare prostetic Fe-porfirina IX, asemntor hemuluidinmioglobinihemoglobin.CitocromulC,deexemplu,esteo heteroproteidsolubil,legatdemembranpentruandepliniroluldetransportorde electroni. NNNFe2+H3C CHCH3CH2CH3CSCH3CH2CCCH3NCH3CHCH3SH2H2H3P R O T E I N Schema 1.5.1.Structura citocromului C n esen, rolul citocromilor n catena de respiraie este de acceptor al electronilor de la partenerul aflat n amonte i cedarea acestora partenerului din dreapta: Cit (Fe3+)Cit (Fe2+)e-e- ComplexulIVnumiticitocromoxidazesteacceptoruldeelectronidela citocromul C n stare redus pe care-i transfer la oxigenul molecular ca acceptor final. 15 Gruprileprosteticealeacestuicomplexsuntcuprul(Cu2+)icitocromiiaia3.O imagine de ansamblu a lanului respirator este redat n schema 1.5.2:

cit a cit a3 ATP CN-, azide, CO, H2S 1/2 O2 H2O (+0,32 V) Complex I FPN (FMN) Fe SComplex II FPS (FAD) Fe S cit b 560 NADH+H+NAD+(-0,32 V)SuccinatFumaratRotenon, amital, pericidin Coenzima Q (+0,04 V) Complex III cit b 562 cit b 566 Fe - S cit C1 citocrom C (+0,25 V) Complex IV Cu2+ F A C T O R D E C U P L A R E 1 (F1) ATP ATP Antimicin Schema1.5.2. Complexele lanului respirator i fosforilrii oxidative 1.5.2.Calea transferului de electroni ComplexulINADH-CoQ-reductaza(princuplarecufosforilareaoxidativ) catalizeaz urmtoarea reacie: 16 NADH+H+ + CoQ NAD+ + CoQH2ADP+PiATP Cuplarealanuluirespiratorcufosforilareaoxidativnecesiteliberareaprotonilorn primele etape. InhibitoriitransferuluideelectronidincomplexulIsuntuneleinsecticide(rotenona), antibiotice (antimicina A) sau barbiturice (amitalul). ComplexulIIreprezintpunctuldeintrarenlanulrespiratorpentruelectroniidela succinat care sunt transferai la coenzima Q: FPS(FAD)FPS(FADH2)SuccinatFumaratCoQH2CoQ ComplexulIIIesteacceptoruldeelectronidelaCoQpecare-itransfercitocromului C: CoQH2 + 2 cit C (Fe3+) CoQ + 2 cit C (Fe2+) + 2 H+ADP+PiATP Complexul IV (citocromoxidaza) este acceptorul de electroni de la citocromul c i catalizeaz transferul acestora la oxigenul molecular pentru a forma n final ap: O2 + 4 cit C(+2) + 4 H+ADP+PiATP4 cit C(+3) + 2 H2O Sinteza de ATP este realizat de o protein cu structur complex format din 12-13 subuniti i denumit factor de cuplare F1 care este localizat n membrana intern mitocondrial. Principala component a complexului ATP-sintetaza este format din cincisubuniti.CelelaltecomponentealefactoruluidecuplareF1aurolurinfixarea de membrana mitocondrial sau de reglare ale unor procese. Citocrom-oxidaza este inhibat de azide, oxidul de carbon i ionii CN-. Ecuaia global a lanului respirator cuplat cu fosforilarea oxidativ este: NADH + H+ + 1/2 O2 + 3 ADP + 3 Pi NAD+ + 3 ATP + 4 H2O Dacnsintroducereaechivalenilordereducerencatenaderespiraieseface prin ramura scurt atunci ecuaia global a celor dou procese este: FADH2 + 1/2 O2 + 2 ADP + 2 Pi FAD + 2 ATP + 3 H2O Dinoxidareanlanulrespiratorcuplatcufosforilareaoxidativrezult echivalena n ATP pentru formele reduse ale dehidrogenazelor: 1 mol NADH + H+ = 3 moli ATP 1 mol FADH2 = 2 moli ATP 17 Oxidarea dehidrogenazelor depinde de concentraia substratelor, a ADP-ului i Pi dar i de integritatea membranei mitocondriale i de aportul de oxigen. |-Oxidarea acizilor grai i ciclul Krebs reprezint surse importante de coenzime reduse(NADH+H+,FADH2,FMNH2),darnumeroasealtesubstratepotfi dehidrogenate sub aciunea unor dehidrogenaze specifice. Princtde fosforilarenotatcu P/Osenelegeraportulntrenumruldemoli deATPsintetizaiioxigenulconsumatnlanulrespiratorielestede3/1pentru ramura lung i de 2/1 pentru ramura scurt. 1.5.3.Decuplani ai fosforilrii oxidative de catena de respiraie Ageniicapabilisstopezeutilizareaenergieieliberatencatenaderespiraie pentrufosforilareaADP se numesc decuplani.Ca decuplaninaturaliamintimtiroxina n concentraii peste limitele normale, care face ca energia n catena de respiraie s fie disipatsubformdecldur.Animalelecarehiberneazauesuturibrunencare catena de respiraie este decuplat de fosforilarea oxidativ (astfel de esuturise gsesc ilaanimalelenounscutesaulaft).Unaltdecuplanteste2,4-dinitrofenolulcare, fiinduntransportordeprotoniprinmembran,ducelaanulareagradientuluidepH implicat n cuplarea catenei de respiraie cu fosforilarea oxidativ. 1.5.4.Specii reactive de oxigen n catena de oxidaie cuplat cu fosforilarea oxidativ apar alturi de oxigenul redus la O2-iformeintermediaredeoxigenactivatdatoritunorreduceriincomplete,aa numitele specii reactive de oxigen (SRO). n peroxizomi i citosol exist de asemenea sistemecaregenereazspeciireactivedeoxigen.Unexempludegeneraredeanion radical superoxid (O2- .) este oxidarea xantinei sub aciunea xantinoxidazei la acid uric: Xantin +2 O2 + H2O Acid uric + 2 O2-. + 2 H+ Speciile reactive de oxigen (SRO) au o citotoxicitate deosebit ,interacionnd cu aciziinucleici,lipidemembranare,proteineetc.Aceastinteraciuneseconcretizeaz prinpromovareaformriide peroxizi aibazelor nucleicesauacizilorgraiconstitueni ailipidelordinmembranelecelulare,cuefecteasuprapermeabilitiimembranelor, activitii unor enzime etc. Radicalulsuperoxidestetransformatsubaciuneauneienzimedenumit superoxiddismutaz (SOD) n ap oxigenat, H2O2. (reacia a, vezi mai jos). Anionul superoxidgenereaziunradicallibercutoxicitatemare,radicalulhidroxil(-OH, reacia b): (a) O2- . + O2- . +2 H+ H2O2 + O2 (b) O2- . + H2O 1/2 O2 + OH- + OH. Catalazaiperoxidazele(inclusivglutation-peroxidaza)suntenzimeprezenten peroxizomi capabile s ndeprteze rapid H2O2 din celule: 18 H2O2 H2O + 1/2 O2CatalazaGlutation peroxidazaGSH G S S GGlutation reductaza Sistemuldeaprarecelularutilizeazisistemeantioxidanteneenzimaticecare cuprindvitamine(A,E,C), provitamine(|-carotin), peptidecumarfiglutationulsau metabolii ca acidul uric. Oseriedestripatologicecumarfitendinalahemolizdatoritdeteriorrii membraneloreritrocitelor,ischemia,malignizarea,afeciunilegatedevrstanaintat etcseinterpreteaz nprezentiprinaciuneaspeciilorreactivede oxigen care produc efecte de autooxidare sau peroxidare. 19 2.METABOLISMUL GLUCIDELOR 2.1. Digestia i absorbia glucidelor Poliglucidele(amidon,celuloz,glicogen,pentozani)idiglucidele(zaharoz, maltoz,lactoz)careprovindinalimentaiesuntscindatehidroliticsubaciuneaunui echipamentenzimaticspecificlamonoglucidelecomponente,singureleforme absorbabile. Digestia amidonului i glicogenului ncepe prin aciunea amilazei salivare pn la forme intermediarelimitimaltoz.oAmilazasalivaratacexclusivlegturile1,4-glicozidice. Legturile o 1,6glicozidice caracteristice punctelor de ramificaie nu pot fi desfcutedeo-amilaz.PH-ulacidalstomaculuiinhibaciuneao-amilazeisalivare nsnintestinulsubiresuculpancreatic(alcalin)determinocretereapH-ului, favoriznd digestia amidonului i glicogenului. Dextrinele limit sunt scindate hidrolitic sub aciunea amilo-1,6-glucozidazei pn la maltoz. n tractul digestiv al omului, celuloza nu poate fi scindat hidrolitic n lipsa unui echipamentenzimaticcorespunztor,fiindlipsitastfeldeoricevaloarenutritiv. Rumegtoarele dispunnsde o |-glicozidaz denumitcelulaz careestefurnizatde flora bacterian din prestomace, valorificnd astfel celuloza ca surs de glucoz. Dizaharidazeleacioneazspecificlanivelulintestinuluisubirenfunciede natura diglucidei i a legturii glicozidice. Astfel maltaza (o o-glucozidaz) catalizeaz scindareahidroliticamaltozei,lactoza(o|-galactozidaz)peaceeaalactozei, zaharaza (o o-glucozidaz sau |-fructozidaz) pe aceea a zaharozei. Aceste enzime sunt sintetizate de ctre enterocite i acioneaz la nivelul marginii n perie a enterocitului, n imediata apropiere a sistemului de transport al monoglucidelor rezultate. Monoglucidelenstarelibercarerezultnurmascindriihidroliticea glucidelorsunttransportateprinceluleleepiteliatealeintestinuluiprintr-unprocesde difuzie(galactozaiglucozafiindabsorbitecuovitezmaimaredectfructozasau manoza).Existdeasemeneasistemedetransportactivamonoglucidelor,faptcare rezultdinvitezadeabsorbiedectevaorimaimareaglucozeiigalactozeidect pentru xiloz, care este absorbit prin difuzie pasiv. Unprimsistemdetransportactivcareestespecificpentruglucozigalactoz esteceldependentdeNa+.nacestcazlegareaNa+latransportor(carrier)mrete afinitatea acestuia pentru monoglucid.Digestia i absorbia unor glucideeste prezentat n schema 2.120 CIRCULAIE FICAT Metabolismul unor monoglucide (fructoz, galactoz) CAVITATEA BUCAL -amilaza salivar Amidon Diglucide (lactoz, zaharoz, fructoz) VEN PORT Transport LUMEN INTESTINAL EPITELIU INTESTINAL/CAPILARE Maltoz AmidonGlucoz Transport activ Dextrine Galactoz Lactoz Transport activ Glucoz GlucozTransport activ Zaharoz FructozDifuzie facilitat 12345STOMAC (HCl distruge -amilaza) Schema 2.1. Digestia i absorbia unor glucide (1 - -amilaz, 2 maltaz, 3 dextrinaz, 4 lactaz, 5 - zaharaz) 2.2Ci de metabolizare a glucozei n organismele animale Principalele ci de catabolizare a glucozei sunt urmtoarele: a. catabolizareaanaerobsauglicolizacuformaredeacidlacticiavndca intermediaracidulpiruviccareesteredussubaciuneauneilactatNAD+- oxidoreductaze. b. catabolizareaaerob,oxidativcaredecurgetotprinintermediulpiruvatuluiicare duce la formarea acetil~CoA ce poate fi preluat n ciclul Krebs i catena de respiraie n cuplare cu fosforilarea oxidativ. c. caleapentozo/hexozo-fosfailorcaredecurgeprinintermediulesterilorfosforiciai aciduluigluconiciaiunorpentoze.PrinaceastcaleestefurnizatNADPHnecesar unorbiosintezereductivedaripentozelenecesarebiosintezeinucleotidelori acizilor nucleici. d. caleaaciduluiglucuroniccareimplicactivareaglucozo-1-fosfatuluisubformde UDP-glucoziconvertireaacestuiadinurmprinintermediulUDP-glucuronatuluin 21 pentozeiacidascorbiclamajoritateaspeciilor(cuexcepiaomului,primatelori cobailor). 2.2.1. Glicoliza (calea Embden-Meyerhof-Parnas) 2.2.1.1.Etapele glicolizei Degradarea glucozei pn la piruvatse realizeaz n toate tipurile de celule (n citosol) n scop energetic, aceast cale metabolic fiind elucidat de ctre Embden, Meyerhof i Parnas.Piruvatulrezultatnglicolizesteconvertitlaacetil~CoAipreluatapoin ciclul ATC n condiiile n care esuturile dispun de oxigen sau este redus la acidul lactic n condiiile unui deficit de oxigen. 1.Prima etap este reprezentat de conversia glucozei n fructozo-1,6-difosfat i care implicofosforilare,oizomerizareioadouaetapdefosforilare.Oetap obligatorienmetabolizareaglucozeiestefosforilareaeicarepermitecaptareaei n celule: OCH2OOHOHOHHOHOCH2OOHOHOHO PHMg2+ATPADPGlucozGlucozo 6 - P LapH-ulfiziologic,grupareafosfatconfermoleculeideglucozo-6-fosfato sarcinnetnegativcarempiedicpracticprsireacelulei.Hexokinazelesunt enzimeleimplicatencatalizareatransferuluigrupeifosforildelaATPlagruparea hidroxil de la C6 al glucozei sau alt hexoz.Glucozo-6-fosfatesteizomerizatlafructozo-6-fosfatsubaciuneaglucozo-6-fosfat-izomerazei(oaldo/cetoizomerazspecific).Esteoreaciereversibil,controlatprin nivelul substratului, care necesit prezena ionilor de Mg2+ sau Mn2+: OCH2OOHOHOHO PHOC OHCH2OOHOHHH2O PGlucozo - 6 - fosfat Fructozo - 6 - fosfat Fructozo-6-fosfatulestefosforilatlafructozo-1,6-difosfatsubaciuneaenzimei fosfofructokinazei(PFK)ntr-oreacieireversibil.PFKareoactivitatemairedus, fiind enzima reglatoare major a glicolizei. PFK este o enzim alosteric care are ca i activatori: 22 a. adenozinmonofosfatul(AMP)dariADPactiveazPFKisemnaleazoscdere energeticaceluleiducndnfinallacretereafluxuluimetabolicpringlicolizi sinteza de ATP n mitocondrie. b. fructozo-2,6-difosfatul,c. fructozo-1,6-difosfatul,produsulaciuniisale,activeazprinfeed-back stimularePFKfiindtotodatuninhibitoralfructozo-1,6-difosfatazei(enzimacare catalizeaz reacia invers, de formare a fructozo-6-fosfatului din fructozo-1,6-difosfat). Ca inhibitori ai PFK menionm: a. citratul-intermediaralcicluluiATCinhibPFKb. ATP-ulestedeasemeneaun inhibitor al PFK i semnaleaz (la concentraii mari) o stare energetic ridicat a celulei. Reacia de fosforilare a fructozei-6-fosfatului: ATPADPOC OHCH2OOHO PHH2O P OC OHCH2OOHOHHH2O PFructozo - 6 - fosfat Fructozo - 1,6 - difosfat 2. Scindarea fructozo-1,6-difosfatului Fructozo-1,6-difosfatulestescindataldolicladoutrioze,gliceraldehid-3-fosfatuli dihidroxiaceton-fosfatul sub aciunea unei liaze, fructozo-1,6-difosfatliaza sau aldolaza: OC OHCH2OOHO PHH2O PH2C OCPOC OH H2+ HCCCOHOOHP H2Dihidroxiaceton-Gliceralde-fosfat hid - 3 - P Reaciaestereversibiliarntretriozo-fosfaiiobinuisestabileteunechilibru sub aciunea unei triozo-fosfat izomeraze: H2C OCPOCH2OHH2C OCPOHCOHHDihidroxiaceton- fosfat Aldehida 3-fosfogliceric Aldehida3-fosfoglicericestemaireactiv,sistemulenzimaticiconversiileulterioare avnd specificitate pentru acest substrat, de aceea echilibrul de mai sus este deplasat n sensul formrii acestuia. 23 3. Oxidarea fosforilant a gliceraldehidei-3-fosfatului Conversiagliceraldehidei-3-fosfatuluilaacid1,3-difosfogliceric(oreaciede fosforilare a substratului) are loc sub aciunea gliceraldehid-3-fosfat-dehidrogenazei: NAD+NADH + H+PiGliceraldehid-Acid 1,3-difosfo- 3 - fosfat glicericHCCCOHOOHP H2~ PHCCCOHOOOP H2 Aceastreaciereversibilnecesitnicotinamidadenin-dinucleotidul(NAD+)ca acceptordeelectroniiarprodusulreaciei,acidul1,3-difosfogliceric,esteuncompus macroergic. Legtura macroergic de la C1 din acidul 1,3-difosfogliceric este transferat pe ADP sub aciunea 1,3-difosfoglicerat kinazei (fosforilare la nivelul substratului): ADPATPAcid 1,3-difosfo-Acid 3-fosfo- gliceric glicericHCCCOHOOOHP H2~ PHCCCOHOOOP H2 NADHrezultatnurmaoxidriifosforilanteagliceraldehidei-3-fosfatului necesit reoxidarea sa permanent n cursul glicolizei desfurate n citosol. 4. Conversia acidului 3-fosfogliceric la acid 2-fosfogliceric Aceastconversieesteorearanjarencaregrupareafosforilseschimbdelaacid3-fosfoglicericlaacid2-fosfoglicericsubaciuneauneifosfogliceromutazentr-oreacie reversibil: H2C OCPCOOHOH HH2C OHC OCOOHP HAcid 3-fosfo- Acid 2-fosfo-gliceric gliceric 5. Conversia acidului 2-fosfogliceric la acid piruvic Prineliminareaintramolecularauneimoleculedeapdinacidul2-fosfoglicericsub aciunea unei enolaze se formeaz acidul 2-fosfoenolpiruvic: 24 H2C OHC OCOOHP HH2OCH2CCOOHO ~ PAcid 2- fosfo-Acid 2-fosfoenol-gliceric piruvic EnolazaesteoenzimcarenecesitprezenaMg2+,Acidul2-fosfoenolpiruviceste convertit la acidul piruvic ntr-o reacie ireversibil n condiiile celularei sub aciunea unei piruvatkinaze: CH2CCOOHO ~ PADPATPCH3CCOOHOAcid 2-fosfo- Acid enolpiruvicpiruvic Radicalulfosforildinacidul2-fosfoenolpiruvicestetransferatpeADPcu formare de ATP prin fosforilare la nivelul substratului. ncontinuare,acidulpiruvicrezultatprinparcurgereacicluluiATCpoateavea mai multe destinaii: a.Acidul piruvic este redus la acidul lactic sub aciunea lactatdehidrogenazei n condiii anaerobe(cumarfimuchiulncontracie)saupentruaceleesuturicarenuau echipamentulenzimaticnecesarmetabolizriiaerobeapiruvatului(hematiile,retina, esuturile embrionare sau neoplazice): CH3CCOOHONADH + H+NAD+HCCH3OHCOOHAcid piruvic Acid lactic Aceast reacie permite reoxidarea NADH rezultat n etapa de oxidare a gliceraldehid-3-fosfatului, asigurndu-se astfel continuarea glicolizei prin NAD+. Acidullacticrezultatncondiiianaerobenesutulmuscularestetransportatpe calesanguinlaficatirinichicare-lreoxideaznprezenalactatdehidrogenazeila acidul piruvic,un substrat al gluconeogenezei. Glucoza format din convertirea acidului lactic muscular este furnizat din nou muchiului care l transform n acid lactic (ciclul Cori). b.n condiii aerobe, acidul piruvic este convertit la acetil~CoA ntr-o reacie ireversibil subaciuneaunuisistemenzimaticcomplexdenumitpiruvatdehidrogenazn prezen de acid lipoic i coenzima A: 25 CH3CCOOHONADH + H+NAD+CO2CoA~ SHCH3CO ~ SCoAAcid piruvicAcetil ~ CoA Reacia se produce n mitocondrii iar acetil~CoA care rezult intr n ciclul ATC undeestedegradatlabioxiddecarbonihidrogenfixatcaformereduseale dehidrogenazelorimplicate(NADH+H+,FADH2).Acetil~CoApoatefiutilizatca substrat pentru biosinteza acizilor grai. c.Acidul piruvic este carboxilat la acidul oxalilacetic n organismul rumegtoarelor sub aciunea unei carboxilaze specifice: CH3CCOOHOCO2COOHC OCH2COOH Acid Acidpiruvic oxalilacetic Acidul oxalilacetic este i el un substrat al ciclului ATC. nschema 2.2 este redat schema acestui proces complex de catabolizare a glucozei. Bilanul energetic al glucozei 1. Bilanul glicolizei anaerobe: - 2molideATPpemoleculadeglucozsuntproduiprinconversia1,3-difosfogliceratului la 3-fosfoglicerat. - ali2molideATPpemoleculadeglucozsuntproduiprinconversia fosfoenolpiruvatului la piruvat. - 2molideATPsuntconsumaipemoleculadeglucozlasintezafructozo-1,6-difosfatului. Decictigulnetnglicolizaanaerobestede2moliATPpemoleculdeglucoz. Dacglicolizapornetedelaglicogenatuncictigulnetestede3moliATPpe moleculdeglucozntructsintezaglucozo-6-fosfatuluisefaceprinfosforoliza glicogenuluicarenuconsumATP. Deicantitatea deATPeliberatesterelativmic, glicoliza asigur aportul energetic necesar esuturilor n lipsa oxigenului pentru perioade relativ scurte. 2.Bilanul glicolizei aerobe: ATPprodus:2molideATPpemoleculadeglucozsuntproduiprinconversia1,3-difosfogliceratuluila3-fosfoglicerat;2molideATPpemoleculadeglucozsunt produiprinconversiafosfoenolpiruvatuluilapiruvat;echivaleniia12molide ATP(3x4NADH+H+);dincatabolizareaunuimoldeacetil~CoAseformeaz12moli de ATP n ciclul Krebs, deci n total 2X12=24 moli de ATP. 26 2 NAD+2 x PIRUVAT2 x ACETIL ~ CoA CITOPLASMACitrat Citrat Acetil-CoAOxalilacetatIzocitratSuccinatMalatAcizi grasiGLICOGEN GLUCOZO-1- P GLUCOZO-6- P GLUCOZAGALACTOZO-1- PATPADPGALACTOZAATPADPATPADP2(NAD+ + Pi)2(NADH + H+)2 x 1,3-DIFOSFOGLICERAT2 ADP2 ATP2 x 3-FOSFOGLICERAT2 x 2-FOSFOGLICERAT2 x 2-FOSFOENOLPIRUVATH2O2 ADP2 ATP2 x PIRUVAT2(NADH + H+)2 x LACTATMITOCONDRIEFRUCTOZO-6- P FRUCTOZAATPADPFRUCTOZO 1,6-Di- P(2 x G3P)GLICERALDEHIDA-3- P DIHIDROXIACETON-P Schema 2.2. Glicoliza ATPconsumat:2molideATPpemoleculadeglucozpentrusintezafructozo-1,6-difosfatului. Deci bilanul glicolizei aerobe este de 38 moli de ATP pentru un mol de glucoz. Dacglicolizapornetedelaglicogenatuncictigulnetestede39molideATPpe molecula de glucoz. 2.2.1.2.Decarboxilarea oxidativ a piruvatului Decarboxilareaoxidativapiruvatuluiesteoreaciecefacelegturantre glicoliza aerob i ciclul acizilor tricarboxilici: 27 CH3CCOOHOCH3CO ~ SCoAAcid piruvic Acetil ~ CoANADH + H+NAD+CO2CoA~ SH Acetil~CoAobinutnurmadecarboxilriipiruvatuluiesteunsubstratal ciclului ATC. Piruvatdehidrogenaza-PDH-esteuncomplexenzimaticlocalizatnmatricea mitocondrial care catalizeaz decarboxilarea oxidativ a acidului piruvic.OricedefectgeneticlocalizatnsubunitileproteicealePDHpoateafectaactivitatea PDH, unele simptome fiind: acidoza lactic i deteriorarea neurologic.nboalaBeri-Bericoncentraiilepiruvatuluiio-cetoglutaratuluinsngesunt maimaridectnormaliaractivitateapiruvati o-cetoglutaratdehidrogenazeieste diminuat 2.2.1.4.Intrarea galactozei n glicolizLactozaestescindathidroliticsubaciunealactazeilagalactoziglucoz. Galactoza este convertit apoi n mai multe etape n timpul metabolizrii la glucozo-6-fosfat. Prima etap este reprezentat de fosforilarea galactozei la galactozo-1-fosfat: ATPADPOCH2HOOHOHOHHOOCH2HOOHOHOHOPGalactozGalactozo-1-P netapaadouagalactozo-1-fosfatprimetegrupareauridil delauridindifosfat-glucoz(UDP-glucoz)subaciuneaUDP-glucozo-galactozo-1-fosfat-uridil transferazei: +H+OCH2OHOHOHOUDPO HGlucozo-1- UDP-Glucoz UDP-Galactoz OCH2HOOHOHOHOOCH2OHOHOHOOOCH2OHOHOHOO UDP HGalactozo-1- PPPP UDP-Galactoza se biosintetizeaz parial i prin reacia: 28 Galactozo-1-fosfat UTPPPiOCH2HOOHOHOHOOCH2OHOHOHOUDPO HUDP-Galactoz P netapaurmtoare,galactozaesteepimerizatlaglucozlanivelulnucleozid-difosfailor sub aciunea unei epimeraze specifice: UDP-Glucoz HUDP-Galactoz OCH2HOOHOHHOO P O ~ PO-OOO-OCH2OO OHHNNOOHOCH2OHOHHOO P O ~ PO-OOO-OCH2HOOO OHHNNOO Echilibruldemaisusestedeplasatspregalactozatuncicndnevoileorganismului animaloimpun(sintezastructurilorglicolipidice,glandamamarnperioadelede lactaie cnd se sintetizeaz lactoza etc.) La concentraii mai mari, galactoza devine toxic pentru organism. Galactozemia esteoboalcaresedatoreazlipseienzimeigalactozo-1-fosfaturidiltransferaza, metabolismulgalactozeifiindblocatlagalactozo-1-fosfat.Concentraiagalactozein sngeestecrescut,fiindprezenttotodatinurin.Diagnosticareancazul galactozemieisefacepebazaabseneidinhematiiagalactozo-1-fosfaturidil transferazeiiartratamentulcuprindeobligatoriueliminareadindietagalactozei. Stigmateleclinicealeboliisedatoreaznuattabseneiunorcompuiesenialict acumulriiunorcompuitoxicicumarfigalactitolul,caurmareareducerii galactozei(schema2.3.). Acumulareagalactitoluluincristalinsubaciuneauneireductazeeste semnificativ n cazul galactozemiei, ducnd la formarea cataractei. 29 Galactoz OCH2HOOHOHOHHOH2C OHC OHCH HOCH HOCCH2OHOH HHGalactitol Schema 2.3. Reducerea galactozei la galactitol 2.2.1.6. Reglarea glicemiei Fosfofructokinaza (PFK)reprezint un element important de control al glicolizei, fiindinhibatdecitratideoconcentraiemaredeATPistimulatdeAMP(care semnaleaz o scdere energetic) i de fructozo-2,6-difosfat. Piruvat kinaza este activat alostericdefructozo1,6-difosfatiinhibatdeATPialanin.Controlulactivitii piruvatkinazeisefaceprinfosforilarereversibil,oglicemiesczutavndcaefect fosforilareapiruvatkinazeilanivelulficatuluicuconsecineasuprascderiiactivitii acesteienzime.Acumulareadeglucozo-6-fosfatarelocatuncicndfosfofructokinaza este inactiv, o concentraie mrit de glucozo-6-fosfat inhibnd hexokinaza. ncondiiidenfometare,organismulmobilizeazrezervadeglicogendinficat pentru a menine constant concentraia glucozei din snge. Glucozo-6-fosfataza este o enzimprezentnficatirinichi,fiindimplicatnconversiaglucozo-6-fosfatuluila glucoz.Demenionatcrezervadeglicogendinmuchiischeleticinucontribuiela meninerea constant a glicemiei deoarece lipsete glucozo-6-fosfataza din muchi. ncontinuaresuntmenionaicivahormonicaresuntimplicainreglarea glicemiei. Insulinastimuleazglicogenezailipogenezacuconsecineasuprascderii glicemiei. Insulina este implicat i n creterea permeabilitii celulelor pentru glucoz. ndiabet,deficienaninsulinarecarezultatohiperglicemie,esuturileavndo capacitatemaimicdemetabolizareaglucozei.Lapolulopussesitueazsintezan exces a insulinei de ctre insulele de celule tumorale care are ca i consecin instalarea unei hipoglicemii. Glucagonulstimuleazglicogenolizahepaticcareducenfinallacreterea concentraieiglucozeinsnge.Laadministrareaglucagonuluinus-auobservat modificrialemetabolismuluiglicogenuluinmuchi(deexemplumodificriale nivelului lactatului i piruvatului din snge). Tiroxinastimuleazieaglicogenolizahepaticstimulndtotodatabsorbia glucozei din intestin. ncondiiidestressarelococretereaconcentraieideadrenalincare stimuleaz glicogenoliza hepatic mrind astfel concentraia glucozei din snge. Hidrocortizonul(dariali11-oxisteroizisecretaidecorticosuprarenal) stimuleazgluconeogenezacuconsecineasupracreteriiniveluluiglucozeisanguine. Dinacestmotivhidrocortizonulesteconsideratcaunhormondiabetogen,fiindun antagonist al insulinei. nsindromulCushing seconstatosintezmritdesteroizicareare laorigine tumoarea sau hiperplazia corticosuprarenaleiducnd la instalarea unei hiperglicemii. 30 nboalaAddison,insuficienacorticosuprarenaleiarecaiconsecino hipoglicemie moderat. Hormonuladrenocorticotrop(ACTH)ihormonuldecretereaucaefect creterea concentraiei glucozei sanguine, fiind antagoniti ai insulinei. 2.3. Cile alternative de degradare a glucozei.Ciclul pentozo/hexozo-fosfailor Caleapentozo/hexozo-fosfailorfurnizeazosursdeNADPHnecesarunor biosintezereductivelocalizatencitoplasmcumarfibiosintezaacizilorgrai,a colesterolului,hormonilorsteroiziprecumihidroxilareaunorcompuistrini organismului.NADPH-ul,cofactoralglutation-reductazeiesteimplicatnreducerea glutationuluioxidatlaglutationredus(tripeptidimplicatnprevenireaperoxidrii lipidice precum i a meninerii integritii enzimelor tiolice): GSSG + NADPH + H+ 2GSH + NADP+ ntr-oseriedeesuturicumarfificatul,glandamamarnlactaie, corticosuprarenala,esutuladiposncarelipogenezasausintezadehormonisteroizi suntintenseseobserviomaximalizareafluxuluiciipentozo/hexozo-fosfailor. Aceastcalededegradareaglucozeifurnizeazosursderibozo-5-fosfatpentru biosintezaacizilornucleiciprecumiocaledeutilizareapentozelorinclusivprin convertirealorlagliceraldehid-3-fosfatifructozo-6-fosfat.Caleapentozo/hexozo-fosfailorpermiteiinterconversiaglucidelorcu3,4,5,6i7atomideCprinreacii neoxidative. Desfurarea acesteicide degradareaglucozeiimplicdoufaze:a. una oxidativ n careglucozo-6-fosfatulesteconvertitlapentozo-fosfaiib. pentozo-fosfaii regenereaz glucozo-6-fosfatul n urma unor reacii de condensri i scindri aldolice. a.Etapaoxidativncepecudehidrogenareaglucozo-6-fosfatuluilaacid6-fosfogluconicsubaciuneaglucozo-6-fosfatdehidrogenazei.Intermediarse formeaz6-fosfogluconolactona,unesterintramolecularntregrupareacarboxil C1 i grupul hidroxil C5, care este convertit la acidul corespunztor sub aciunea o-lactonazei: NADP+NADPH + H+OCH2OHOHOHOO HPOCH2OHOHOOOHPH2C OC OHC OHCH HOC OHCOOHPHHHH2OGlucozo-6-fosfat6-Fosfo-glucono-o-lactonaAcid 6-fosfogluconic Acidul 6-fosfogluconic este oxidat n continuare la acidul 3-ceto-6-fosfogluconic subaciunea6-fosfogluconatdehidrogenazeiNADPdependent.Acidul3-ceto-6-fosfogluconic este decarboxilat simultan la ribulozo-5-fosfat: 31 NADP+NADPH + H+H2C OC OHC OHCH HOC OHCOOHHHHP H2C OC OHC OHCC OHCOOHHHHOPCO2H2C OC OHC OHCC OHOPHHH2Acid 6-fosfo-gluconicAcid 3-ceto-6-fosfogluconic Ribulozo-5-fosfat Aacumseobservidinreaciiledemaisus,conversiaglucozo-6-fosfatuluila ribulozo-5-fosfat genereaz 2 molecule de NADPH. Ribulozo-5-fosfatesteizomerizatnultima etapafazeioxidativela ribozo-5-fosfat i xilulozo-5-fosfat.Fosfopentozo-izomerazaesteenzimacarecatalizeazconversiala ribozo-5-fosfat iar fosfopentozo-epimeraza pentru conversia la xilulozo-5-fosfat: H2C OC OHC OHCC OHOPHHH2Ribozo-5-fosfatH2C OC OHCHCCH2OHOHOPHXilulozo-5-fosfatHH2C OC OHC OHCCHOOHPHHRibulozo-5-fosfat MulteesuturinecesitNADPHpentrudesfurareabiosintezelorreductivemai multdectutilizarearibozo-5-fosfatuluipentruncorporareanacizinucleicii nucleotide (cum ar fi n celulele cu lipogenez intens). n acest caz pentozele obinute nexcessuntreconvertitelahexoze,deexempluribozo-5-fosfatulesteconvertitla fructozo-6-fosfat(igliceraldehid-3-fosfat)subaciuneaunortranscetolazei transaldolaze. b. Conversia pentozelor la hexoze Fragmentulglicoaldehidicdinxilulozo-5-fosfatestetransferatnprezenaunei transcetolazeperibozo-5-fosfatcuformareasedoheptulozo-7-fosfatuluii gliceraldehid-3-fosfatului: + +Sedoheptulozo-7-fosfatGliceraldehid-3-fosfatH2C OC OH)3CH HOCCOOH(HH2HXilulozo-5-fosfat Ribozo-5-fosfatP H2C OC OHCHCCH2OHOHOHHHPH2C OC OHC OHCCHOOHPH2C OC OHCHOHP 32 Gliceraldehid-3-fosfatulesteun intermediarcomun ncalea pentozo-fosfailori glicoliz. Fragmentuldihidroxiacetonicdinsedoheptulozo-7-fosfatestetransferatprintr-o reaciedetransaldolizarepegliceraldehid-3-fosfatcuformareafructozo-6-fosfatului (intermediar comun al glicolizei i cii pentozo-fosfailor) i eritrozo-4-fosfat: ++Sedoheptulozo-7-fosfatGliceraldehid-3-fosfat Fructozo-6-fosfatEritrozo-4-fosfatH2C OC OHC OHCH HOC OC OHHH2HH2C OC OH)3CH HOCCOOH(HH2P PH2C OC OHCHOHPH2C OC OHC OHCHOHHP Onoumoleculdexilulozo-5-fosfatcedeazunrestglicolaldehidicunei moleculedeeritrozo-4-fosfatcndrezultfructozo-6-fosfatigliceraldehid-3-fosfat (intermediari ai glicolizei): ++H2C OC OHC OHCH HOC OC OHHH2HHXilulozo-5-fosfatEritrozo-4-fosfat Fructozo-6-fosfatGliceraldehid-3-fosfatP H2C OC OHCHCCH2OHOHOPH2C OC OHCHOHPH2C OC OHC OHCHOHHP Suma acestor reacii este: Decirezultatulnetalreaciilorinclusenconversiapentozelorlahexozeeste sintezaadouhexozeiauneitriozeporninddela3pentoze.Acestereaciisunt catalizatedetranscetolazeimplicatentransferuluneiunitide2atomidecarboni respectiv transaldolaze implicate n transferul unei uniti de 3 atomi de carbon. ncontinuarefructozo-6-fosfatulesteizomerizatlaglucozo-6-fosfatcaredevine substrat pentru faza oxidativ a cii pentozo-fosfailor. Gliceraldehida-3-fosfat se poate izomerizaladihidroxiaceton-fosfatiarmpreunformeazfructozo-1,6-difosfatul. Acestareprezintunsubstratalfructozo-1,6-difosfatazeiastfelnctnfinaldin6 moleculedeglucozo-6-fosfatcareintrncaleapentozo-fosfailor(ntr-unbilancare cuprindereaciileoxidativeineoxidative)sesintetizeaz5moleculedefructozo-6-fosfat. Acestea reprezint la rndul lor un substrat pentru gluconeogenez i se formeaz 5 molecule de glucozo-6-fosfat. Bilanul net al cii pentozo-fosfailor este: Glucozo-6-fosfat + 12 NADP+ + 6 H2O 6 CO2 + 12 NADPH + H+ + Pi Porninddelaunmoldeglucozo-6-fosfatseobinprinciclulpentozo/hexozo-fosfailor 36 moli de ATP dar rolul important al acestei ci rezid n furnizarea NADPH + H+ biosintezelor reductive de tipul celor menionate mai sus. Ribozo-5-fosfat+2 xilulozo-5-fosfat2fructozo-6-fosfat+gliceraldhid-3-fosfat33 Opriviredeansambluasupraciipentozo/hexozo-fosfailoresteredatn schema 2.4.Caleapentozo/hexozo-fosfailordepindedenevoilederibozo-5-fosfat,ATPi NADPH . Fructozo-6- PXilulozo-5- PGliceraldehida-3- PGlucozo-6-PNADP+NADPH + H+6-Fosfo-gluconolactona6-Fosfo-gluconatH2OFaza oxidativaRibulozo-5- PConversia pentozelor lahexozeRibozo-5- PEritrozo-4- PSedoheptulozo-7- PXilulozo-5- PGliceraldehida-3- PFructozo-6- P Schema 2.4. Calea pentozo-hexozofosfailor (faza oxidativ i conversia pentozelor la hexoze) 2.4. Catabolizarea glucozei pe calea glucuronatului Calea acidului uronic furnizeaz glucuronat activ sub aciuneaunuiechipamentenzimatic localizat nhepatocite. Primaetap este reprezentatde convertirea glucozo-1-fosfatului la uridin-difosfatglucoz (UDP-glucoz) sub aciunea UDP-glucozo-pirofosforilazei: UDP-Glucoz UTP +H+ PPiGlucozo-1-fosfat HOCH2OHOHOHOOOCH2OHOHHOO P O ~ PO-OOO-OCH2OOO OHNNHOOPH Calea acidului uronic esteo surs deUDP-glucoz pentrusinteza di- i poliglucidelor incluznd aici i glicogenul. n prezena unei dehidrogenaze NAD-dependente, UDP-glucoza este oxidat la UDP-glucuronat: 34 UDP Glucoza + 2 NAD+ + H2O-OO+ 2 NADH + 2 H+UDP- GlucuronatHOCOHOHO P O ~ PO-OOO-OCH2HOOO OHNNHOO UDP-Glucuronatul este o surs de glucuronat activ pentru sinteza glucuronidelor obinuteprinconjugarea(printr-olegturglicozidic)cualicompuidenaturexo- sau endogen din clasa acizilor carboxilici, fenolilor etc., reacii catalizate de glucuronil transferaze cu formarea de glucuronide: + RCOOHUDPOCOO-OHOHO UDP O HOCOO-OHOHOO C ROHUDP-GlucuronatGlucuronid Sintezaglucuronidelorreprezintoformdedetoxifiereaorganismului,multe medicamentedeexemplufiindeliminatedinorganismsubaceastform.Hormonii steroizisaubilirubinapotficonvertiilacompuisolubiliprinconjugareacuUDP-glucuronatieliminaiprinbilsauurin.UDP-glucuronatulparticiplabiosinteza heparinei i a condroitinsulfatului. Cnd necesitile organismului animal sunt satisfcute n UDP-glucuronat, acesta esteconvertitnmaimulteetapelaxilulozcarepoateintrancaleapentozo/hexozo-fosfailor.AceastcaledemetabolizarencepecuhidrolizaUDP-glucuronatuluila acidul D-glucuronic care este redus sub aciunea unei hidrogenaze NADPH dependente laacidgulonic.ncontinuareacidulL-gulonicesteoxidatsubaciuneaL-gulonat-dehidrogenazeiNAD+dependentelaacid3ceto-guloniccareprindecarboxilare formeaz L-xiluloz (a se vedea schema 2.5.). 35 H2O UDPAcid D-glucuronicNADPH + H+NADP+sauH2C OHCH HOC OHCH HOCH HOCOOHHAcid L-gulonicHC OHCCOOHOHCH HOC OHCHOHHHC OHCCOOHOHCH HOC OHCH2OHHHUDP_glucuronat H2C OHCH HOC OHCH HOCH HOCOOHHNAD+NADH + H+H2C OHCH HOC OHCCH HOCOOHOHCO2H2C OHCHC OHCCHOOOHHH2Acid L-gulonicAcid 3-ceto-L-gulonicL-xiluloz Schema 2.5. Conversia UDP-glucuronatului la acid L-gulonic, respectiv L-xiluloz. L-xiluloza nu este un substrat pentru calea pentozo/hexozo-fosfailor, de aceea el este convertit la izomerul su natural, D-xiluloza, avnd ca intermediar xilitolul: H2C OHCHC OHCCHOOOHHH2L-xiluloz H2C OHCHC OHCHCHOOHHOHH2Xilitol NADP+NADPH + H+NAD+NADH + H+HH2C OHCCHCCOOHOHHOH2D-xiluloz Latoatemamiferelecuexcepiaomului,maimuelorantropoideicobaiului, acidulL-gulonicpoateficonvertitlaacidascorbic.Primaetapnaceastconversie esteformareagulonolactoneicareesteoxidatntr-oetapulterioarla2-ceto-L-gulonolacton sub aciunea gulonolacton-oxidazei: 36 H2C OHCH HOC OHCH HOCH HOCOOHHAcid L-gulonic H2ONAD+NADH + H+H2C OHCH HOCCHCH HOCHOOOHL-Gulonolacton H2C OHCH HOCCHCCHOOOOH 2-Ceto- L-Gulonolacton 2-Ceto-L-gulonolactonesteizomerizatlaacidulascorbic.Lipsagenetica gulonolacton-oxidazeifacecaunelemamiferesfieincapabilessintetizezeacid ascorbic i le fac dependente de aportul exogen n aceast vitamin: H2C OHCH HOCCHCCHOOOOH 2-Ceto- L-Gulonolacton H2C OHCH HOCCC HOCHOOOHAcid L-ascorbic O priviredeansambluasupracatabolizriiglucozei pe caleaaciduluiglucuronic este redat n schema 2.6-mai jos ! 2.5. Gluconeogeneza Biosintezaglucozeidincompuineglucidici(acidullactic,glicerol,aminoacizi) senumetegluconeogenez.Sistemulnervoscentral,muchiulalbncontracie, hematiilesolicitpermanentglucoz(esuturiglucodependente)iarncondiiide inaniiesauregimalimentarbogatnlipideiproteine,glucozaestesintetizatprin gluconeogenez. Gluconeogenezautilizeazcasubstrateacidullacticobinutnurmaglicolizeii respectivglicerolulobinutdinmetabolismullipidicntimpulunuiexerciiufizic ndelungat n care catecolaminele sunt implicate n mobilizarea glicogenului din ficat i alipidelordinesutuladipos.Gluconeogenezadinrinichipermiteexcreiaunuinumr crescut de protoni n condiiile unei acidoze metabolice. 37 UDP-Glucoz UDP-GlucuronatUDP-Glucoz Glucozo-1-PGlucozo-1-PGlucozo-6-PXilulozo-5-PD-xiluloz glicoproteineglucuronideD-Glucuronat L-Gulonat L-GulonolactonL-xiluloz Xilitol untul pentozofosfailor 2-Ceto-L-gulonolacton Vitamina C Schema 2.6. Calea acidului glucuronic catecolaminelesuntimplicatenmobilizareaglicogenuluidinficatialipidelordin esutuladipos.Gluconeogenezadinrinichipermiteexcreiaunuinumrcrescutde protoni n condiiile unei acidoze metabolice. Sediul gluconeogenezei este ficatul (responsabil de 85-90% din glucoza sintetizat) i cortexul renal dar creierul i muchiul sunt i ele capabile de gluconeogeneznsexclusivpentrunevoilepropriintructlelipseteglucozo-6-fosfataza.Gluconeogenezadinficatirinichiesteimplicat n meninerea n limite fiziologice a glicemiei. Gluconeogenezadecurgengeneralprinparcurgereansensinversaetapelor glicolizeicuexcepiactorvareaciicatalizatedeenzimeunidirecionalecaresunt specificegluconeogenezeiianume:fructozo-1,6-difosfataza,fosfoenolpiruvat carboxikinaza, piruvat carboxiligaza i glucozo-6-fosfataza. Parcurgereansensinversaglicolizeiestedezavantajoasdinpunctdevedere energeticndeosebipentrureaciilecatalizatedeurmtoarelekinaze:piruvat kinaza,fosfofructo-1-kinaza, hexokinaza.: Gluconeogenezaprezintreaciispecificeprincareseevitdezavantajeledin punct de vedere energetic (reacii cu AG0 foarte pozitiv) asociate cu parcurgerea n sens invers a glicolizei i anume: Glucoza+ATP Glucozo-6-fosfatFructozo-6-fosfat+ATPhexokinazafructozo-1,6-difosfat+ATPfosfofructo-kinazaFosfoenolpiruvat+ADP piruvat+ATPpiruvat-kinaza+ADP38 a. carboxilareapiruvatuluilaoxalilacetatsubaciuneapiruvatcarboxiligazeicndse consum o molecul de ATP: CH3-CO-COOH + CO2 + ATP + H2O HOOC-CH2-CO-COOH + ADP + Pi + 2H+ Acid piruvic Acid oxalilacetic b.decarboxilareaoxalilacetatuluiurmatdefosforilareprincareseobine fosfoenolpiruvatulsubaciuneafosfoenolpiruvatcarboxikinazeiicucheltuiala unei molecule de GTP: HOOC CH2CO COOH + GTP CCH2COHO ~ P+ GDP + CO2Acid oxalilaceticFosfoenolpiruvat Piruvatcarboxiligaza are ca grupare prostetic biotina de care este ataat printr-un lanflexibil,asemntorcuceldincomplexulpiruvatdehidrogenaza. Piruvatcarboxiligaza necesit ioni de Mg2+ i Mn2+ iar reacia de carboxilare decurge n dou etape: Biotin-enzima + ATP + -3HCO CO2 ~ biotin-enzima + ADP + Pi CO2 ~ biotin-enzima + CH3CO COOH biotin-enzima + HOOC CH2CO COOHAcid piruvicAcid oxalilacetic Procesuldescrismaisusdecurgeintramitocondrialiarpiruvatcarboxiligaza acceptcaefectoralostericpozitivacetil~CoA.ncitoplasmarelocconversia oxalilacetatuluilafosfoenopiruvatsubaciuneafosfoenolpiruvatcarboxikinazei. Trecerea membranei mitocondriale (impermeabil pentru oxalilacetat) se face sub form de malat.Reducereaoxalilacetatuluila malatserealizeaz nmitocondrie sub aciunea malatdehidrogenazeidependentedeNADH(provenitdincatabolizareaacizilorgrai). Odatajunsncitoplasm,malatulesteconvertitdinnoulaoxalilacetatsubaciunea uneiizoenzimeamalatdehidrogenazeidependentedeNAD+.ncitoplasmareloc totodat i conversia oxalilacetatului la fosfoenolpiruvat (reacie care implic simultan o decarboxilareifosforilare).Opriviredeansambluasupraformriioxalilacetatuluin mitocondrie este redat n schema 2.7.: 39 CH3CO COOHCH3CO COOHHOOC CH2CO COOHHOOC CH2CH COOHOHHOOC CH2CH COOHOHHOOC CH2C COOHOMITOCONDRIE Piruvat Piruvat Oxalilacetat Oxalilacetat Malat Malat CITOPLASM Schema 2.7.Formarea oxalilacetatului n mitocondrie Tot n citoplasm are loc convertirea fosfoenolpiruvatului la fructozo-1,6-difosfat peparcursulmaimultoretapesubaciuneaunorenzimebidirecionale(comune glicolizei i glicogeneogenezei): CH2C O ~COOHHCCOCOOHOH H2HC OHCCOOHO H2HC OHCCOO OH2Fosfoenolpiruvat 2-Fosfoglicerat 3-Fosfoglicerat1,3-DifosfogliceratH2C OC OC OH H2Aldehida 3-fosfoglicericaDihidroxiacetonfosfat+Fructozo-1,6-difosfatP PP PPH2C OC OHCHOHPOOHCH2OOHCH2OOHPPP- c.Convertirea fructozo-1,6-difosfatului la fructozo-6-fosfat se face sub aciunea unei enzime specifice, fructozo-1,6-difosfataza, ntr-o reacie ireversibil, exergonic: 40 H2OPiOOHCH2OOHCH2OOHPPFructozo-1,6-difosfatOOHCH2OOHCH2OHOHPFructozo-6-fosfat Fructozo-1,6-difosfatulifructozo-2,6-difosfatulsuntinhibitoriaifructozo-1,6-difosfatazei, enzim alosteric, n timp ce ATP-ul o stimuleaz. d.Glucozo-6-fosfatazaesteoaltenzimunidirecionalcarecatalizeazhidroliza glucozo-6-fosfatuluilaglucoz.Aceastenzimestelocalizatnficatceeace permitefurnizareaglucozeiesuturilorextrahepaticepentrunecesitienergetice sau de sintez: Glucozo-6-fosfatGlucoz H2OPiOCH2OOHOHOHOHPOCH2OOHOHOHHOH Sediul acestei reacii este lumenul reticulului endoplasmatic dup care glucoza i fosfatul anorganic sunt transportate napoi n citosol. Biosinteza glucozei nu este posibil n muchi i creier care nu posed glucozo-6-fosfataz. Calculul stoechiometric al gluconeogenezei este: 2CH3-CO-COOH + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 6H2O Glucoza + 4ADP + 2GDP + 2NAD+ + 6Pi + 2H+ AG0=-9Kcal/mol Aminoaciziiglucoformatori(toi,cuexcepialeucinei)suntcatabolizaila substrate ale ciclului ATC care pot fi convertii la oxalilacetat sau piruvat, substrate ale gluconeogenezei.Astfel,izoleucinaimetioninasuntcatabolizatelapropionil~CoA, convertit mai departe la succinil~CoA i apoi oxalilacetat: CH3CH2CO ~ SCoAATPAMP + PPiCO2HCCOOHCO ~ SCoACH3HOOC CH2CH2CO ~ SCoAizomeraz Propionil~CoA Metilmalonil~CoASuccinil~CoA Izomerazacarecatalizeazconversiametilmalonil~CoAlasuccinil~CoAareca icoenzimvitaminaB12.Succinil~CoAajungepecaleacicluluiATClaoxalilacetat. 41 Acidulpropionicesteunprodusdecatabolizarerumenalaglucozeilarumegtoare care poate fi convertit la oxalilacetat urmnd calea prezentat mai sus. Ali aminoacizi cum ar fi histidina, arginina, prolina, glutamina, glutamatul pot fi catabolizai de o-cetoglutarat care este convertit la oxalilacetat prin parcurgerea ciclului ATC. Fumaratul, produsul de catabolizare a fenilalaninei i tirozinei, este convertit la oxalilacetat tot prin parcurgerea ciclului ATC. Aspartatulesteconvertitdirectlaoxalilacetatprintransaminare.Alanina, glicina i serina sunt convertii la piruvat prin transaminare. nschema 2.8. se red legtura dintre aminoacizi i ciclul Krebs. Un loc aparte i revine o-alaninei care are cea mai mare vitez de convertire la glucozdintretoiaminoacizii.o-Alaninadinmuchiprovinedintransaminarea piruvatului obinut din glicoliz (pornind de la glucoza circulant sau glicogen mus- OxalilacetatCitrato-CetoglutaratSuccinil-CoAFumaratFenTirPiruvatAcetil~CoACisAlaSerGliLeuIleTrpGluArgProHisPropionil~CoAValIle MetTreFenTirAspAsn Schema 2.8. Intrarea aminoacizilor n ciclul Krebs cular)saudindegradareaunoraminoacizi.Transaminareapiruvatuluinmuchise realizeaz n primul rnd pe seama unor aminoacizi cu caten ramificat iar o-alanina este apoi transportat prin sistemul sanguin la ficat unde este convertit din nou prin transaminarelapiruvat,substratalgluconeogenezei.Opriviredeansambluasupra ciclului alanin-glucoz (ciclul Felig-Malette) este redat n schema 2.9.: 42 Ficat Glucoz Piruvat Alanin GlucozGlucoz Piruvat AlaninAlanin Snge Creier Muchi Proteine Proteoliz Schema 2.9.Ciclul alanin-glucoz (Felig- Malette) o-Alaninaesteuninhibitoralpiruvatkinazeiistimuleaz astfelaccesulunor substrate(precursoriaiglucozei)lagluconeogenezprinblocareareaciei fosfoenolpiruvat piruvat. Lactatulestedeasemeneaunsubstratalgluconeogenezeihepatice,sursa majorfiindglicolizaanaerobdinmuchidaridineritrocitecare,nlipsa mitocondriilor,suntdependenteenergeticdeglicoliz.nficatlactatulesteconvertit lapiruvatsubaciunealactat-dehidrogenazei.Piruvatulesteconvertitprin gluconeogenez la glucoz care poate fi trimis muchiului n contracie. Secvena de reaciidescrismaisusesteconsideratdreptciclullactat-glucoz(ciclulCori) reprezentat n schema 2.10.: Snge Glucoz Piruvat Lactat Muchi Glucoz Lactat Ficat Glucoz Piruvat Lactat

Schema 2.10. Ciclul lactat-glucoz (ciclul Cori) nurmascindriihidroliticealipidelorlanivelulesutuluiadipos,hepatici muscular rezult glicerolul care este un substrat al gluconeogenezei n ficat: H2C OHC OHC OHHH2NAD+NADH + H+H2C OHC OC O H2GlicerolGlicerol-3-fosfatDihidroxiaceton-fosfatATPADPH2C OHC OHC OHH2PP Glicerolulesteactivatnprealabillaglicerol-3-fosfatcareesteconvertitladihidroxiacetonfosfatsubaciuneauneidehidrogenazespecifice. Dihidroxiacetonfosfatul se poate izomeriza la aldehida 3-fosfogliceric i mpreun formeaz fructozo-1,6-difosfatul. n schema 2.11.se red calea gluconeogenezei. 43 Glucozo-6-PGlucozaGlucozo-1- PAlanina Piruvat OxalilacetatCO2GTPFosfoenolpiruvat2-Fosfoglicerat3-Fosfoglicerat1,3-DifosfogliceratATPGliceraldehid-3- PNADHDihidroxi-acetonfosfatGlicerol-3- PGlicerolLactatFructozaFructozo-1,6-di- PFructozo-6-P Galactoza Schema 2.11. Calea gluconeogenezei 2.6.Metabolismul glicogenului 2.6.1.Catabolismul glicogenului (glicogenoliza)Degradareaglicogenului-glucancustructurramificatcarereprezintforma de depozitare a excesului de glucide n organisme animale are loc n ficat i muchi subaciuneaunuiechipamentenzimaticspecializatipresupunedesfacerea legturilor1,4-i1,6-glicozidice.Clivareancepedelacaptulnereductoral lanuluipoliglucidic,cuformareaglucozo-1-fosfatului.Caleadedegradarea glicogenului a fost elucidat de studiile lui Carli Gerty Cori. Cei doi cercettori au izolat enzima carecatalizeazaceastreacie,glicogen-fosforilaza,careesteo 1,4o-44 glucan-fosfat-glucoziltransferaz,undimercarearedreptgrupareprostetic piridoxalfosfatul. Glicogenfosforilazaareoaciunelimitatasupraglicogenului,deoarecenueste capabilscatalizezescindareafosforoliticalegturilor1,6-glicozidice.Aciunea glicogenfosforilazei nceteaz cnd ntlnete un reziduu la o distan de patru resturi glucozil fa de o ramificaie 1,6. Clivareafosforoliticaglicogenuluiprezintavantajefadeclivarea hidroliticdeoarecerezultoglucid fosforilatcareintrfrcheltuialdeATPn fluxulglicolitic.nplus,clivareafosforoliticaglicogenuluinesutulmuscularnu permite prsirea celulei de ctre glucozo-1-fosfat (n form ionizat) , spre deosebire de clivarea hidrolitic n care glucoza liber poate difuza n afara celulei. Otransferaz(amilo-1,4-1,6-glucantransferaza)esteimplicatntransferul unuiblocde3resturiglucozildepeunlanpealtulnaafelnctnregiuneade ramificaiepoateacionaaceeaienzim(enzimadedebranarecuactivitate bifuncional)carescindeazhidroliticlegturao1,6-glicozidicirezultglucoz liber.Decitransferazai1,6-glucozidaza(enzimadedebranare)convertesc structuraramificataglicogenuluintr-ostructurliniarcareestescindat fosforoliticmaidepartedeglicogenfosforilazpnlantlnireaunuinoupunctde ramificaie.Unsingurlanpolipeptidicde160kdconinedoucentreactive responsabilepentruactivitateatransferazicirespectiv1,6-glucozidazic.n continuareglucozo-1-fosfatulesteconvertitsubaciuneafosfoglucomutazeila glucozo-6-fosfat.Centrulcataliticalenzimeiareunrestdeserinfosforilatiar glucozo 1,6-difosfatul este un intermediar al acestei convertiri. Glucozo-6-fosfataza(localizatnmembranareticuluiendoplasmatic)esteo enzim hidrolitic ce permite ficatului s elibereze glucoz n snge contribuind astfel la meninerea relativ constant a glicemiei. Glucozo-6-fosfataza mai este prezent n intestin i rinichi. Lipsa acestei enzime n muchi i creier face ca glucozo-6-fosfatul s fie reinut i utilizat exclusiv pentru generarea de energie sub form de ATP numai pentru aceste organe. Glicogenfosforilazaesteenzimacheienglicogenolizfiindsupusunui control metabolic complex care include reglarea covalent i alosteric. Ca inhibitori alostericiaiglicogenfosforilazeisecomportATP-ul(nconcentraiimari)i glucozo-6-fosfatul n timp ce AMP-ul este un activator al acestei enzime. Glicogen fosforilazasegsetenesuturindouforme:1. formaactiveste formafosforilataenzimeidenumitfosforilazaai2. fosforilazabesteforma inactiv,defosforilataenzimei.Fosforilazeleaibsuntinterconvertibileprin aciunea a dou enzime: glicogen fosforilazkinaza i glicogen fosforilaz-fosfataza: Glicogen +Pi Glucozo-1-fosfat +Glicogenn reziduuri(n-1reziduuri)()45 glicogen fosforilaz kinaza glicogen fosforilaz fosfataza Fosforilaza b (inactiv) Fosforilaza a (activ) Adrenalinaiglucagonulcontroleazalturideinsulinglicogenoliza. Adrenalinaeliberatdinmedularasuprarenalsubaciuneaactivitiimusculare, stimuleazglicogenolizadinesutulmuscularimaipuinpeceadinficat,care rspundemaibinelaaciuneaglucagonului,hormoncustructurpolipeptidic secretatdeceluleleoalepancreasului.Aciuneaglucagonuluiiadrenalineieste mediatdeAMPC,mesagersecundarcarejoacunrolcheiencontrolulproceselor biologice.AdenilatciclazacatalizeazsintezaAMPciclic,careseformeazca rspuns la aciunea adrenalinei i glucagonului iar prin reaciile n cascad AMPC este legatdeenzimelecheiealeglicogenolizei.Cretereaconcentraieiintracelularede AMP ciclic n esutul muscular de exemplu stimuleaz activitatea unei proteinkinaze AMPC dependentecarevaefectuafosforilareaglicogenfosforilazei.Concentraiide ordinul10-9Mdeglucagonsauadrenalindeterminoamplificareaglicogenolizei (prinreaciincascad)de15ordinedemrime.Reglareaactivitiiglicogen fosforilazei n muchi este redat n schema 2.12.: Pi+Adenilat ciclaza (inactiv) Adenilat ciclaza (activ) Adrenalin Glucagon ATP AMPc Proteinkinaza (inactiv) Proteinkinaza (activ) 5-AMP Fosfodiesteraza Glicogen fosforilaza b (inactiv) Glicogen fosforilaza a (activ) GlicogennGlicogenn-1 Glucozo-1-P

Schema 2.12.Reglarea activitii glicogenfosforilazei n muchi 46 Adrenalinainteracioneazlanivelulcelulelorhepaticeattcu|-receptori membranari ct i cu receptori adrenergici de tip o1. Interaciunea cu acetia din urm esteresponsabildeformareaadoimesagerisecundari:diacilglicerolul(DAG)i inozitoltrifosfatul(IP3).Unadinsubunitilecomponente()aleglicogen fosforilazkinazei prezint o afinitate mare pentru calciu pe care-l leag, ceea ce are ca rezultatactivareaexcepionalafosforilazkinazeicuefectedemaximalizarea glicogenolizei hepatice. Calciul din reticulul endoplasmatic este scos sub aciunea IP3 ducnd la creterea concentraiei lui n citosol. Glicogenolizamuscularesteieadependentdecretereaconcentraiei calciului citosolic dar n acest caz acetilcolina este responsabil de acest efect.Acetilcolina determin mobilizarea calciului din reticulul endoplasmatic printr-un mecanism similar cu cel al adrenalinei n esutul hepatic (interaciune cu receptori de tip o1 i formare de IP3) i deci stimularea glicogenolizei. n acest fel se asigur o sincronizareacontracieimusculareiaglicogenolizeiprinintermediulaceluiai stimul(Ca2+).Exacerbareaglicogenolizeiducelacantitiapreciabiledeglucozo-6-fosfatcarevorgeneraATPprinparcurgereaetapelorglicolizei.Creterea concentraieifructozo-2,6-difosfatuluidatoritadrenalineiesteresponsabilde intrarea glucozo-6-fosfatului n glicoliz prin activarea unei enzime cheie din aceast cale metabolic, fosfofructo-1-kinaza. 2.6.2. Biosinteza glicogenului (glicogenogeneza) nbiosintezaglicogenuluidonoruldeglucozesteUDP-glucozacareesteo form activat a glucozei: Glucozo-1-fosfat + UTP UDP-glucoz + PPi ReaciaestecatalizatdeUDP-glucozo-pirofosforilazaiarglucozo-1-fosfatul provinedinglucozo-6-fosfatsubaciuneafosfoglucomutazei.Conversiaglucozo-1-fosfatului la UDP-glucoz este reversibil dar hidroliza pirofosfatului anorganic (PPi) sub aciunea pirofosfatazelor celulare o face practic ireversibil. Uridindifosfatglucozatransferunrestglucozilpeunlandeglicogen existentcareservetecainiiatoralprocesului(primerglicogenic),ncepnddela captul nereductor al oligoglucidului sub aciunea glicogen sintetazei. Glicogensintetazacatalizeazreaciadesintezprincaredouunitisunt unite printr-o legtur o 1,4 glicozidic fr aport energetic direct sub form de ATP saualtnucleozid-trifosfat.Ramificareaglicogenuluipresupuneimplicareauneialte enzime amilo-1,4-1,6-transglicozidaza(enzima deramificaresaude branare)prin careglicogenulliniaresteconvertitlaunpolimerramificat.Pentruformarea acestorramificaii,unnumrde7resturiglucozilalelanurilorterminalesunt transferatelahidroxilulC6alunuirestdeglucozdinaceeaisaudintr-oalt ramificaie. Ramificarea glicogenului este important deoarece 47 +UDP-GlucozPrimer glicogenic Glicogen liniar OCH2OOHOHOHOUDPHUDPOCH2OHOHHOOCH2OOHOHHOOOHOCH2OHOHHOOCH2OOHOHHOOOHOCH2OHOHHOO permiteaccesulenzimelorglicogenfosforilazaiglicogensintetazalaunmarenumr de resturi glucozil terminale. n plus, aceast ramificare mrete gradul de solubilitate al glicogenului. O privire de ansamblu asupra glicogenezei i glicogenolizei este redat n schema 2.13. Glicogen"ramificat"UDPGGlicogen "liniar"PiUTPPPiG-6- PG-1-PGlc1234 5678 Schema2.13.Glicogenezaiglicogenoliza(1. Glicogenfosforilaza2. Enzima de deramificare 3. Fosfoglucomutaza 4. Glucokinaz sau hexokinaz 5. Glucozo-6-fosfataza6. UDPGpirofosforilaza7. Glicogen-sintetaza8. Enzimade ramificare) 48 Reglareaglicogenogenezei.Glicogen-sintetazaseprezintsubdouforme interconvertibile i reprezint enzima limitant de vitez a glicogenogenezei: glicogen sintetaz kinaza glicogen sintetaz fosfataza Glicogen sintetaza (forma fosfo inactiv) Glicogen sintetaza (forma defosfo activ) Glicogensintetaz kinaza este asemntoare cu proteinkinaza AMPC dependent menionatlareglareaglicogenolizeiiarglicogensintetaz-fosforilazacareeste responsabildeactivareaglicogensintetazeiesteidenticcuglicogenfosforilaz fosfataza. Glucagonulreduceglicogenogenezaprinactivareaadenilatciclazeicare produceocretereaconcentraieiAMPciclic(mesagersecundar).Acestalarndul lui activeaz protein kinaza AMPC dependent. Reglarea activitii glicogen sintetazei n ficat este prezentat n schema 2.14. Adenilat ciclaza (inactiv) Adenilat ciclaza (activ) Adrenalina Glucagon ATP AMPc Proteinkinaza (inactiv) Proteinkinaza (activ) 5-AMP Fosfodiesteraza Glicogen sintetaza (inactiv) Glicogen sintetaza (activ) UDP-Glucoz Glicogen Schema 2.14. Reglarea activitii glicogensintetazei n ficat 49 O concentraie sczut de AMP ciclic duce la stimularea glicogenogenezei i la diminuarea glicogenolizei. Darglicogen-sintetazaestereceptivnunumailaaciuneaproteinkinazeiA (AMPC dependent)dariaaltorkinazecumarfiproteinkinazaCactivatsinergic deDAGiCa2+.ncondiiileuneiglicogenolizeactive,inhibareaglicogenogenezei esterealizatprinfosforilareaglicogensintetazeidectreglicogenfosforilazkinaza superactiv, cu afinitate mare pentru Ca2+. Activareaglicogenolizeicarecoincidecuinactivareaglicogenogenezeieste redat n schema2.15.: Fosforilazkinaza bFosforilazkinaza a Proteinkinaza A Glicogensintetaza a Glicogensintetaza b (inactiv) Fosforilaza b Fosforilaza a (activ) Rezultat: glicogenul este degradat. Cazul A este posibil la un nivel ridicat al glucagonului i/sau adrenalinei, respectiv un nivel sczut al insulinei. ABFosforilazkinaza a Fosforilazkinaza b (inactiv) Fosfoproteinfosfataza 1 (PP1G) Glicogensintetaza b Glicogensintetaza a (activ) Rezultat: sinteza glicogenului. Cazul B este posibil la un nivel ridicat al insulinei, respectiv un nivel sczut al glucagonului. Schema 2.15.Activarea glicogenolizei coincide cu inactivarea glicogenogenezei 2.7.Biosinteza lactozei Lactoza este biosintetizat n glanda mamar, fiind principala glucid din lapte iar coninutul su procentual mediu este cuprins ntre 3,9-6,4% n laptele unor specii de animale domestice. Prima etap este reprezentat de biosinteza |-UDP-galactozei pornind de la |-UDP-glucoz.Conversia |-UDP-glucozeila|-UDP-galactozarelocsubaciunea uneiepimerazedependente deNAD+. UDP-glucozaeste biosintetizatpornind de la glucozo-1-fosfat n prezena UDP-glucozo-pirofosforilazei i a unui mol de UTP. 50 OCH2OOHOHHOOUDPH-UDP-Glucoz 4-Ceto-UDP-Glucoz -UDP-Galactoz NAD+NADH + H-OCH2OHOHHOOUDPONAD+NADH + H-OCH2OHOHHOOUDPO H n continuare |-UDP-galactoza reacioneaz cu o-D-glucoza sub aciunea unui complex enzimatic numit lactozsintetaz: -Glucoz Lactoza -UDP-Galactoz OCH2OHOHHOOUDPO H+OCH2OHOHHOOH O HUDPHOOOHOHOHCH2HOOCH2OHOHHOO OcomponentalactozsintetazeidenumitproteinaAesteprezentnficati intestinicatalizeazcondensarea|-UDP-galactozeicuo-N-acetil-glucozamincu formarea N-acetil-lactozaminei( a se vedea schema 2.16. ).ProteinaB,cealaltcomponentalactozsintetazei,nuareactivitatecatalitic proprieiestesintetizatncelulelespecializatealeglandeimamare.Rolulproteinei B este de a induce modificri n structura proteinei A creia i schimb specificitatea n sensul folosirii ca substrat a glucozei. 2.8.Conversia glucozei n fructoz i alte oze Fructozaesteutilizatnorganismeleanimalecaprecursorbiosinteticalunor aminoglucide. Atunci cnd fructoza nu este asigurat prin aport alimentar sub form 51 -N-acetil-glucozamin N-acetil-lactozamin -UDP-Galactoz OCH2OHOHHOOUDPO H+HHOOOHNOHCOCH2OHOHHOOOHCOCH3H2HOCH2OHNHOOH OC CH3OHUDP Schema 2.16. Biosinteza N-acetil-lactozaminei de zaharoz, fructani etc, glucozo-6-fosfatul poate fi convertit la nivelul hepatocitelor n fructozo-6-fosfat sub aciunea unei izomeraze specifice. UDP-N-acetil-glucozamina reprezint o form activ care este utilizat mpreun cu UDP-glucuronat i celelalte componente la biosinteza mucopoliglucidelor. BiosintezaUDP-N-acetil-glucozamineipornetedelafructozo-6-fosfatcareeste convertitntr-oprimetaplaglucozamin-6-fosfat(princondensarecuglutaminca donordegrupamino).Glucozamin-6-fosfatulesteacetilatlaN-acetil-glucozamin-6-fosfatcaretrecenN-acetil-glucozamin-1-fosafatsubaciuneauneifosfomutaze specifice. N-acetil-glucozamin-6-fosfatulesteconvertitlaUDP-N-acetil-glucozaminn prezena UTP aa cum se prezint i n schema 2.17.nmodasemntor,UDP-N-acetil-manozaminaestebiosintetizatporninddela fructozo-6-fosfat. 52 N-acetil-glucozamin-6-fosfat N-acetil-glucozamin-1-fosfatUDP-N-acetilglucozaminaHPFructozo-6-fosfatGlucozamin-6-fosfatPHOCH2OHNOOH OC CH3OPUTPPPiHHMucopoliglucideOCH2OHNH2OOH O HHOCH2OHNOO OC CH3OHOCH2OHNHOO OCO CH3UDPOCH2OHOOHCH2OOHHPGlnGluP Schema 2.17. Sinteza UDP-N-acetilglucozaminei 2.9.Dereglri ale metabolismului glucidelor Diabetul zaharat este o consecin a unei deficiene n secreia de insulin i se manifestprinhiperglicemieiglucozurie.ndeosebianimalelebtrne(porci, ierbivore, pisici, cini) prezint diabet zaharat. Conversia glucozei libere la glucozo-6-fosfat sub aciunea glucozo-fosfokinazei este afectat de insuficiena de insulin iar rezultatulacesteiinhibrilreprezintinstalareahiperglicemieiidiminuarea glicogenogenezei.Energianecesarorganismuluianimalesteprocuratndeosebi prin mobilizarea lipidelor din esutul adipos i intensificarea catabolismului acestora. Aceastmobilizarealipidelorestensoitidecretereaconcentraiei lipoproteinelorplasmeisanguinecuunconinutridicatdecolesterolliberdaria concentraieiacizilorgrailiberincondiiileinhibriibiosintezeilipidelor.Cetozele larumegtoaresecaracterizeazprinhipoglicemieiniveluriridicatedecorpi cetonicinlapteiurin.ncondiiileunuiconsumridicatdeglucoz,cumarfide exemplungestaieilactaieiaunuiaportinsuficientdesubstanenutritive,la rumegtoareseobservointensificareadegradriiacizilorgraidinlipidele proprii dariaaminoacizilordinproteinecuscopulobineriidesubstratepentru gluconeogenez dar i de energie. Combaterea cetozelor se face prin administrare de corticosteroizi,substaneglucogenice(propionat,propilenglicol)saudesruride cobalt (promotori ai utilizrii acidului propionic). 53 Hipoglicemia neonatal se manifest la purcei i se datoreaz rezervei limitate de glicogeniaintensificriimetabolismuluiglucidic nscopenergeticntimpulnaterii. nacestecondiii,glicemiapoateluavaloricriticedatoritunuiaportinsuficientde substratepentrugluconeogenezdariactivitiisczuteaechipamentuluienzimatic implicat n acest proces. Hiperglicemiaiglucozuriaalimentarpotaparelaanimalencondiiileunui aport excesiv de amidon i diglucide care afecteaz capacitatea de reabsorbie a glucozei la nivelul tubulilor renali. Acidoza lactic se manifest la rumegtoare ca urmare a unei concentraiimritedeacidlactic(datoritfermentaieirumenale)ncondiiilede nutriie amintite mai sus. Eritrocitele mature sunt dependente de glicoliz pentru obinerea de ATP necesar pentruactivitateaATP-azeiimplicatnstimulareasistemuluidetransportdeionide sodiu i potasiu. Cteva dereglri ale glicolizei n hematii sunt descrise mai jos: a. Deficituldehexokinazsedatoreazunuidefectenzimaticnizoenzimele hexokinazeilocalizaten hematii.Bolnaviicudeficitdehexokinazauunnivelsczut de2,3-difosfoglicerat(2,3-DFG),unintermediarcarensoeteglicolizanhematiii carenmodnormalareroluldeascdeaafinitateahemoglobineipentruoxigen.n consecin,hemoglobinabolnavilorcuoastfeldedereglareenzimaticareoafinitate deosebitpentruoxigencarenacestfelestemaipuindisponibilpentruesuturi. Deficitul de hexokinaz are ca efect instalarea anemiei hemolitice. b. Deficituldepiruvatkinazsedatoreazunordefectegeneticensubunitiledin izoenzimapiruvatkinazeilocalizatnhematii.Consecinaacesteidereglriesteo sintezinadecvatdeATPcuurmriasupraATP-azeinecesarepompeideioni. ReducereaactivitiiATP-azeiduceladescretereastabilitiihematiiloriliza acestora.Deficienapiruvatkinazeiarecaefectinstalareaanemieihemolitice (distrugerea excesiv i prematur a hematiilor). c. Acidozalactic.Oconcentraiemaredeacidlacticnsngeesterezultatulunei biosintezemritesauscderiiutilizriilactatului.ScdereapH-uluisanguinia bicarbonailorpoatefioconsecinauneiconcentraiimritedeacidlactic.Lipsa oxigenuluisauanoxiaarecaefectosintezinadecvataATP-uluinmitocondriiio activareafosfofructokinazei(PFK),enzimareglatoaremajora glicolizeicareduce la cretereafluxuluimetabolicpringlicolizideciimplicitlaosintezmritdelactat. Lipsaoxigenuluinupermiteo utilizareadecvat alactatuluilanivelulesuturilor (este mpiedicatoxidareamitocondrialaacetil~CoA).Anoxiatisulararecarezultat instalarea unei anemii severe i o slbire a fluxului sanguin. Deficieneleereditarealeechipamentuluienzimaticimplicatnmetabolismul glicogenuluiconducladepuneriexcesivedeglicogeni/sauimposibilitateade afolosi acest glicogen n circuitul metabolic. nboalavonGierkes-aobservatoactivitateredussauabsenaglucozo-6-fosfatazeinficat,intestinirinichiceeacearecaurmareimobilizareaglucozei, inclusivundepozitmritdeglicogennficat.Hipoglicemiacarensoeteboalavon Gierkeconducelamobilizarealipideloriproteinelordinesuturileextrahepaticecu scopulfurnizriidesubstratepentrugluconeogenez.Dinacestmotivnboalavon 54 Gierkeseobservdeasemeneaolactacidemieicetogenezexcesive.Manifestrile clinice ale bolii cuprind hepatomegalie, convulsii, tulburri digestive, neurologice etc. nboalaPompes-aobservatodeficiena1,4-1,6glucozidazei,enzim lizozomal implicat n glicogenoliz. Se constat o depunere exagerat a glicogenului, n special n lizozomii din muchiul scheletic i cardiac i instalarea hipoglicemiei. BoalaCorisecaracterizeazprindepunerimasivedeglicogenhepatici muscularcarearensostructuranormal.Astfel,ramurileexternealeglicogenului sunt foarte scurte n condiiile absenei enzimei de debranare (o 1,6 glucozidaz). GlicogenozaMcArdlesedatoreazabseneifosforilazeimuscularecareduce ladepuneriexageratedeglicogennormal.Bolnaviiprezintcrampemusculare datoritincapacitiiesutuluimusculardeautilizaglicogenulpropriucasursde combustibilnefortulfizic.PH-ulcelulelormuscularealebolnavilorcumaladia McArdle este mai alcalin n condiii de efort fizic datorit scindrii fosfocreatinei i a lipsei acumulrii intermediarilor din fluxul glicolitic. Altedeficieneenzimaticeaufostlocalizatencazulfosfofructokinazei(boala Tarui i glicogenoza de tip VIII) i a enzimei de branare normal (boala Andersen). Defectelegeneticealeenzimelorimplicatenmetabolismulgalactozei (galactokinaza,UDP-glucozo-galactozo-1-fosfaturidiltransferaza)duclainstalarea galactozemieiigalactozurieisauaunoralterrihepatice,tulburrineuropsihice, cataract etc. Aufostsemnalatemaimultedereglrimetaboliceasociateciipentozo/hexozo-fosfailor: a. anemiahemoliticdatorituneideficienenglucozo-6-fosfatdehidrogenazadin globulele roii. Singurasurs de NADPH pentru globulele roii (lipsite de mitocondrii) este untul pentozo-fosfat. NADPH-ul, cofactor al glutation-reductazei, este implicat n meninereaintegritiienzimelortiolice,inclusivaglutationuluicareareunrol detoxifiant, reacionnd cu peroxizii. Deficiena n glucozo-6-fosfat dehidrogenaza face casintezadeNADPHprinuntulpentozo-fosfatsfieinsuficient.naceastsituaie nusemaiasigurprotecianecesarglutationuluiredus,globuleleroiifiindmai susceptibile la liz. Unelemedicamentecumarfiaspirina,sulfamidele, medicamenteleantimalarice pot oxida glutationul redus producnd anemia hemolitic. b. sindromulWernicke-Korsakoffestecauzatdeodeficiencronicdetiamin. Transcetolazelecicluluipentozo/hexozo-fosfailorsuntTPP-enzimedependentede Mg2+.Activitateatranscetolazelorestesczutncondiiileuneideficienedetiamin iarsimptomeleclinicealesindromuluicuprindparalizie,deteriorareafuncieimentale etc. npentozuriaesenial(ncaleaaciduluiuronic),odeficiendeL-xilitol-dehidrogenaz(NADP dependent)ducelaimposibilitateatransformriiL-xilulozeila D-xiluloz iar L-xiluloza este eliminat prin urin. 55