METABOLISMUL Caracteristicile metabolismului. Noiuni generale de bioenergetic celular ORGANISMUL VIU SISTEM DESCHIS -preia dein mediul de via materie i energie pe care le utilizeaz pentru biosinteza propriilor componente i pentru meninerea altor procese necesare vieii: creterea, dezvoltarea, reproducerea Metabolismul cuprinde toate transformarile de materie i energie care se petrec in organismele (celulele) vii. Metabolismul - numar imens de reacii biochimice care au loc ntr-o ordine perfect determinat, deoarece produsul unei reacii devine substrat pentru enzima care catalizeaz reacia urmtoare. Aceste reacii nlnuite, care au ca scop simplificarea moleculelor organice, uneori pna la produii finali dioxid de carbon i apa, sau invers, obinerea unor compui cu o structur complex, pornind de la precursori mai simpli, se numesc ci metabolice, iar produii lor succesivi metabolii sau intermediari metabolici. Rolul metabolismului: -obinerea i utilizarea energiei din moleculele combustibil; -coversia substanelor nutritive exogene n precursori ai componentelor macromoleculare proprii; -asamblarea micromoleculelorin structuri complexe: acizi nucleici, proteine, lipide, etc; -biosinteza i degradarea biomoleculelor necesare unor funcii specifice. Metabolismul const din dou procese unitare i inseparabile: Catabolismul - compuii macromoleculari sunt transformai n molecule mai simple, concomitent cu eliberarea de energie, Anabolismul - cuprinde reaciile de biosintez a macromoleculelor proprii din precursori mai simpli, n care se cosum energie. Reaciile catabolice (generatoare de energie) susin att reaciile anabolice ct i alte procese indispensabile vieii: contracia muscular, homeostazia termic, conducerea nervoas, transportul activ prin membrane. Transferul energiei este realizat prin intermediul unor molecule specializate, compuii macroergici, alturi de care mai intervin coenzimele reduse NADH(H+), NADPH(H+ ), FADH2 i coenzima A, n special acetilCoA. Acest flux energetic ca i coordonatele generale ale metabolismului deja menionate sunt comune tuturor formelor de via

Metabolismul se caracterizeaz i prin existena unui mare numr de reacii cuplate care constituie baza fluxului de energie n materia vie prin faptul c o reacie endergonic , nefavorizat din punct de vedere termodinamic, devine posibil prin cuplarea cu o reacie exergonic . Glucoz + H 3PO 4 ATP + H 2 O Glucozo -6-fosfat + H 2 O ADP + H3

G = +3,3 kcal/mol G = -7,3 kcal/mol

PO 4

Glucoz + ATP

Glucozo -6-fosfat + ADP

G = -4 kcal/mol

Cuplarea celor dou reacii face ca, per ansamblu, formarea glucozo -6-fosfatului s fie un proces termodinamic posibil

Un alt exemplu de procese cuplate l constituie reaciile care decurg cu transfer de hidrogen: Catabolism Anabolism AH 2 + T -------- A + TH 2 reacie de oxidare B + TH 2 -------- BH 2 + T reacie de reducere

T micromolecula transportoare de hidrogen, de obicei reprezentat de coenzimele NAD+ i FAD, asigur transferul hidrogenului ntre cele dou ci metabolice distincte.NicotimamidAdenozinDinucleotid

NADH redus

NAD+ oxidat NADP+

PO3H2

FlavinAdeninDinucleotid oxidat

FADH 2 redus

Vit.B2

ADP

ADP

Adenozina

ADP

n anumite ci metabolice, n afar de prezena ATP, sunt necesare i alte baze azotate trifosforilate. Formarea compuilor macroergici derivai de la alte baze azotate se face tot pe seama ATP. Fiecare celul conine ntr-un anumit moment o cantitate redus de ATP. Deoarece nici ATP, nici ADP i nici mcar AMP nu pot traversa liber membranele celulare, este necesar ca celulele s fie capabile s-i produc permanent compuii macroergici necesari, ca i coenzimele reduse, asigurnd astfel fluxul energetic dar i recircularea ionilor de hidrogen i a radicalilor fosforici. i ali compui fosforilai au o energie liber proprie mai mare dect cei nefosforilai, fiind mai reactivi din punct de vedere chimic, cum sunt esterii fosforici ai ozelor (glucozo-1-fosfatul are Go = -5 kcal/mol, fructozo-6-fosfatul are Go = -3,8 kcal/mol, glucozo-6-fosfatul are Go = -3,3 kcal/mol, glicerol-fosfatul are Go = -2,2 kcal/mol). De asemenea, exist i compui macroergici care inmagazineaz o cantitate de energie superioar celei rezultate din hidroliza unei legturi macroergice din ATP: fosfoenolpiruvatul Go = -14,8 kcal/mol, 1,3 bifosfogliceratul cu Go = -11,8 kcal/mol, creatinfosfatul cu Go = -10,3 kcal/mol. Acetia au rolul de a asigura energia necesar ( Go = -7,3 kcal/mol) transferului unui radical fosforic pe ADP, cu formarea unei noi legaturi macroergice n ATP. Corelaii clinice Evaluarea intensitii proceselor metabolice din esuturi poate da informaii cu privire la starea lor de sntate, dar i despre apariia unor boli. RMN rezonana magnetic nuclear- reprezint o tehnic non-invaziv de investigare a esuturilor vii care se bazeaz pe absorbia de energie de ctre nucleii anumitor elemente, atunci cnd organul sau esutul se afl plasat ntr-un cmp magnetic. De obicei sunt investigai nucleii izotopilor naturali 1H, 31P, 19F. De exemplu, prin monitorizarea nucleilor fosforului corelat cu cei ai hidrogenului permit evaluarea concentraiilor intracelulare de acid fosforic, ATP, creatinfosfat, pH. Evaluarea nucleilor de fluor

permite urmrirea metabolizrii unor medicamente antitumorale care conin acest element. DIGESTIA I ABSORBIA GLUCIDELOR DIN HRAN Glucidele = una dintre cele mai importante surse de energie pentru organismul animal. Pentru un adult, ~60% E metabolic este furnizat de glucidele din hran. Digestia i absorbia glucidelor din hran Cavitatea bucal: -amilaza salivar ncepe hidroliza amidonului. Timpul scurt petrecut de alimente n c.b. mpiedic hidroliza total a amidonului. Digestia glucidelor ajunse n intestinAmidonul Glicogenul Lactaza din mucoasa intest. Lactoza Sucraza din muc. intest. Sucroza (zaharoza) -glu + fru -glu + gal -amilaza pancreatic Maltoz maltaza -glucoza

Absorbia glucidelor se face numai sub form de OZE la cele mai multe specii. Excepie rum egtoarele sub aciunea m icroorganismelor din rumen, glucoza i celelalte oze sunt transformate n acizi grai cu caten scurt! Transportul glucozei din celulele mucoasei intestinale n snge este facilitat de prezena unor molecule proteice specializate (transportori de glucoz) Moleculele transportor de G de la nivelul creierului, eritrocitelor, sunt independente de prezena insulinei s-au m ai identificat m olecule-transportor dependente de insulin, localizate, n special, n membrana celulelor hepatice, membrana celulelor musculare, membrana adipocitelor, membranele epiteliului renal, membranaele celulelor pancreatice.

Digestia i absorbia glucidelor n intestinLumen intestinal Membrana n perie Transport n sangeTransport activ

Amidon Glicogen Lactoz Sucroz

maltoz ( 1,4) maltaza maltotrioz ( 1,4) -limitdextrinaza -limit-dextrine ( 1,4 i 1,6)lactaza sucraza

maltaza

glucoz

glucoz + galactoz glucoz + fructoz

TA

glucoza Lumenul intestinal glucoza+ 2Na+ K+enterocit

snge

2Na+ATP ADP

Na+ K+

pompa Na-K)

G l i c o li Iznatr a r z a h a ro si e a c t o znei li c o li z a . e zli g GLUCOZAATP AD P G-6-Ph e x o k i n az a

L AC T O Z A

Z AH A R O Z A

G L IC O G E N

G L U C A +Z G L A C TO Z O A A

G L U C A +Z F U C TO Z O R A

U TP

G-1-Pfo s fo g l u c o i z o m e ra z a

UDP G A -1-P L

ATP AD P F R -U 1-P

ATP AD P

F-6-Pfo s fo fr u c to k i n a z a

F-1 , 6P -

tr i o z o fo s fa ti z o m e ra za a ld o la za

fr u c to-1-fo s fa tl d o l a za zo a

2 g lic e r a ld e-3-P a ih id r o x ia c e t h id +d on-1-P2NA D+ G l i c e ra l d 3 Pdi e h i d r o g e n az a eh d+) 2 N A D H (H

2 a c id,3 o s f o g lic e r i c 1 -bif 2 A C ID L A C T IC fo s fo g l i c e r a tki n a z a 2AD P 2AT P 2 a c id o s f o g lic e r i c -f 3

L a c t a t d e h i d ro L D n a z a ge H f o s f o g lic e r a t m u t a z a p iru va t k i n a z 2 A C ID aP IR U V IC CO2 2 A C E T A L D E H ID A

2 a c idf o s f o g lic e r i c 2

e n o la z a

2 a c id-f o s f o e n o lp ir u v ic 2

2AD P 2AT P 2 ET AN O L

Catabolismul intracelular al glucozei

Glicoliza - succesiunea de reacii prin care G este degradat pn la ac. piruvic, dac celula are mitocondrii i este aprovizionat cu suficient O2 i pn la ac. lactic, dac celula nu are mitocondrii sau se afl n deficit de O2. Toate reaciile glicolizei sunt catalizate de enzime localizate n citosol. Dei prin glicoliz se obine o cantitate mic de energie (ATP), aceast cale metabolic este singura prin care celulele care nu au mitocondrii pot obine ATP (eritrocite, celule retiniene, celulele epiteliului renal) Reacia de transformare a ac. piruvic n ac. lactic este necesar pentru continuarea glicolilzei, deoarece permite refacerea coenzimei NAD+. Ac. lactic, acumulndu-se n celule, determin scderea pH-ului, inactivarea enzimelor implicate n glicoliz i celula este incapabil s continuie efortul ceea ce determin apariia crampelor musculare Pentru a preveni acumularea de ac. lactic n celule, acestea l transfer n plasm, care l transport la ficat. Hepatocitul posed echipamentul enzimatic necesar tranformrii ac. lactic n glucoz (gluconeogenez) proces anabolic (cu consum de ATP). Acumularea ac. lactic n snge, fie ca urmare a unui efort anaerob intens, fie datorit incapacitii ficatului de a-l prelua i metaboliza, conduce la o stare patologic (acidoz metabolic, acidoz lactic)

Ciclul CORIesut muscular

Snge

Ficat

glucoz

glucoz

glicogen

glucoz

Gluconeogenez(doar n ficat i muchi)

Ac. lactic

Ac. lactic

Ac. lactic

BILANUL ENERGETIC AL DEGRADRII ANAEROBE A GLUCOZEI2 ATP2 NAD+

glucoza (C6)

2 ac. lactic (2C3)

4 ATP2 NADH(H+)

1 mol glucoza

2 moli ac. lactic + 2 ATP

Glicoliza este controlat prin dou puncte-cheie de ctre enzimele allosterice hexokinaza i fosfofructokinaza, care sunt inhibate de cantitile mari de ATP din citosol. Inhibiia glicolizei este indus i n scop terapeutic, prin intermediul unor medicamente, ntruct blocheaz metabolic dezvoltarea celulelor tumorale (chimioterapiei). Efectul toxic al unor otrvuri, n special al compuilor cu arsen (arsenii i arseniai) : la situsurile de formare a ATP-ului iau locul radicalilor fosforici, rezult compui stabili, care nu mai pot elibera E coninut. Acioneaz lent, otrvirea are loc prin expunerea ndelungat la substana toxic. Depistarea se face prin analiza firelor de pr. Pentru ca etapele glicolizei s poat continua dup ce celula este aprovizionat cu suficient O2, trebuie ca ac. piruvic s fie transferat n mitocondrie, unde parcurge etapele ulterioare oxidative ale catabolismului, dar n acelai timp s aib loc i reoxidarea coenzimei NADH(H+). Membrana mitocondrial intern nu permite transferul liber nici al ac. piruvic, nici al coenzimei NADH(H+). Ac. piruvic trece din citosol n mitocondrie sub aciunea unui complex enzimatic supramolecular, localizat n membrana mitocondrial intern.

Calea glicerofosfatuluiCITOSOL-glicerofosfat

MITOCONDRIE CH2 OH CH-OH CH2-O-Pglicerofosfatdehidrogenaza mitocondrial

CH2 OH CH-OH CH2-O-P

NAD + NADH(H +)glicerofosfatdehidrogenaza citoplasmatic

FAD FADH2

CH2 OH CH=O CH2-O-P

CH2 OH CH=O CH2-O-Pdihidroxiacetonfosfat

Calea MALAT-ASPARTAT

CITOSOL Asp

MITOCONDRIE Asp

O=CCOOH

Acid oxalilacetic

O=CCOOH CH2COOHNADH(H+) Acid malic NAD+

CH2COOHNADH(H +)

NAD +

HOCCOOH CH2COOH

HOCCOOH CH2COOH