Download - Metabolismul Energetic - Biochimie
METABOLISM ENERGETIC
• Organismele vii pentru a exista şi a se
reproduce se află într-un schimb
permanent de energie şi substanţă cu
mediul înconjurător
• Sursa de energie pentru toate formele de
viaţă de pe Pământ este radiaţia solară
• Totalitatea proceselor, a transformărilor
care au loc într-un organism viu poartă
denumirea de metabolism.
• Metabolismul este alcătuit din secvenţe de
reacţii denumite secvenţe metabolice. În
aceste secvenţe, produsul unei reacţii
devine substrat pentru următoarea reacţie
din secvenţă, produşii succesivi ai
reacţiilor chimice fiind cunoscuţi ca
metaboliţi.
• Metabolismul este alcătuit din:
– Catabolism – degradare a constituenţilor
celulari la compuşi mai simpli; decurge cu
mobilizare (eliberare) de energie
– Anabolism – edificare şi refacere a
constituenţilor celulari din precursori; decurge
cu consum de energie
Bioenergetică
• Termodinamica biochimică sau bioenergetica,
studiază transformările energetice care însoţesc reacţiile
biochimice.
• Orice eveniment implică modificarea conţinutului în
energie al sistemelor participante şi schimburi de energie
între sisteme şi mediu.
• Sistemele termodinamice reprezintă porţiuni din
Univers separate real sau imaginar de mediul
înconjurător, care schimbă energie cu mediul
• Funcţiile de stare reprezintă valori bine definite ale unor
mărimi variabile (temperatură, presiune, număr de moli)
ce caracterizează o anumită stare a sistemului
Legile termodinamicii
• Termodinamica analizează modificarea conţinutului în
energie al unui sistem când acesta trece dintr-o stare
(starea iniţială) în alta (starea finală) şi schimbul de
energie dintre sistem şi mediu
• Principiul I, principiul conservării energiei afirmă că
energia Universului este constantă “Energia nu poate fii
creeată nici distrusă, ea poate suferi doar transformări
dintr-o formă în alta sau poate trece de la un sistem la
altul”
• Principiul II, principiul evoluţiei, stabileşte sensul în
care au loc transformările însoţite de schimbări de
energie. “Entropia sistemului creşte”
Energia liberă
• Energia internă a unui sistem este suma a două componente:
E = G + TS
• 1. Energia liberă, convertibilă la temperatură constantă în lucru util. Ea
este reprezentată de ceea ce este ordine şi poate deveni dezordine, de
ceea ce nu este deja haotizat.
• 2. Energia legată reprezintă o energie care nu poate fi transformată în
travaliu, în lucru util (la temperatură constantă).Ea este rezultatul mişcării
dezordonate a particulelor componente, atomi sau molecule. Un travaliu
înseamnă o mişcare ordonată, dezordinea nu se poate transforma la
aceeaşi temperatură în ordine.
• Energia liberă de reacţie, reprezintă variaţia
energiei libere la trecerea reactanţilor în produşi
de reacţie, se exprimă în Kcal şi măsoară gradul
de spontaneitate al transformării
• După valoarea lui D G, reacţiile chimice pot fi împărţite în :
–reacţii exergonice, pentru care DG < 0 , reacţia evoluează
spontan de la stânga la dreapta (poate efectua travaliu);
–reacţii endergonice, pentru care DG > 0, reacţia nu poate
efectua travaliu şi necesită pentru desfăşurarea de la stânga la
dreapta energie din exterior;
–reacţii la echilibru, pentru care DG = 0, reacţia este
endergonică în ambele sensuri şi nu poate evolua spontan în
nici un sens
Energia liberă este o mărime aditivă.
• Energia liberă pe toată calea metabolică este:
D Gtotal = D G1 + D G2 + D G3 + …
• –dacă D Gtotal < 0, calea metabolică este exergonică (catabolică),
• –dacă D Gtotal > 0, calea metabolică este endergonică (anabolică)
Energia liberă este o mărime extensivă
• aceiaşi reacţie poate avea valori DG variabile în funcţie de
concentraţiile reactanţilor şi ale produşilor.
• se defineşte o stare standard a substanţelor şi condiţii standard
de mediu : temperatura standard este de 250 C, presiunea de 1
atmosferă şi concentraţia molară a compuşilor este de 1M.
Energia liberă de reacţie standard (DG0)
• (DG0), reprezintă variaţia energiei libere într-o reacţie în care concentraţiile
iniţiale ale reactanţilor şi ale produşilor sunt 1M, temperatura standard este
de 250C (uneori 370C) şi presiunea de o atmosferă.
• Relaţia dintre D G şi D G0 pentru transformarea:
A + B C + D
este
unde R este constanta generală a gazelor (1,98 cal/mol/grad),
T este temperatura absolută la care se desfăşoară reacţia (273 K + 250C).
[A][B]
[C][D]RTln 0ΔG ΔG +=
• Când concentraţia iniţială a reactanţilor şi a
rezultanţilor este 1M, avem
• La echilibru: D G = 0
0 = D G0 + RT ln Kechilibru
1]B[]A[
]D[]C[=
rezultă: D G = D G0
D G0 = - RT ln Kechilibru D G0 = - 2,36 log Kechilibru
Energia liberă de reacţie standard la pH = 7
DG0’
• Pentru a respecta condiţiile în care se
desfăşoară reacţiile în organismele vii,
concentraţia protonilor se consideră a fi 10-7
( pH=7) în loc de 1M (pH =0)
Energia liberă pentru reacţiile de oxido-reducere
• Reacţiile de oxido-reducere (redox), au loc prin transfer de electroni între doi compuşi.
• Cuplurile Ared şi Aox sau Box şi Bred , constituite din forma redusă şi forma oxidată ale aceluiaşi compus poartă denumirea de sistem redox.
• Dacă într-o soluţie se află două sisteme redox, electronii vor trece de la sistemul cu afinitate mai mică pentru electroni (sistemul reducător), spre cel cu afinitate mai mare (sistemul oxidant).
• Tendinţa sistemelor redox de a ceda sau primi electroni (caracterul lor oxidant sau reducător), se măsoară cu ajutorul potenţialelor redox (E).
Ared + Box Aox + Bred
• Potenţialele redox sunt diferenţe de
potenţial între două sisteme redox
cuprinse în compartimente diferite între
care electronii pot circula prin intermediul
a doi electrozi conectaţi printr-un
conductor, iar ionii circulă prin intermediul
unei punţi realizată prin încorporarea unui
electrolit (KCl), într-un gel de agar
• Componentele celulei de oxido-reducere.
– două sisteme redox cuprinse în compartimente diferite;
– o punte formată dintr-un gel de agar în care este încorporat un electrolit (KCl), prin intermediul căreia ionii circulă între cele două compartimente;
– doi electrozi conectaţi printr-un conductor prin intermediul cărora circulă electronii între cele două compartimente;
– un voltmetru intercalat în circuit cu care se măsoară diferenţa de potenţial între cele două celule.
Potentiometru
e-
e-
Zinc CupruCl- K+
Punte de sare
ZnSO4 CuSO4
Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e-
Reactia de oxidare
Cu2+ (aq) + 2e- Cu
Reactia de reducere
Zn2+
Zn2+
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
Cu2+
Cu2+
• Potenţialul redox standard (E0), reprezintă diferenţa de
potenţial dintre o semicelulă cuprinzând sistemul redox de
cercetat în concentraţie 1M şi o semicelulă de referinţă.
Sistemul redox de referinţă este o soluţie de acid tare în care
[H+] = 1 M şi în care se barbotează H2 la presiunea de o
atmosferă. Potenţialul acestei semicelule este prin convenţie,
nul.
• Potenţialul redox standard (E0’) pentru condiţii biochimice,
pH = 7, se află măsurând E0 care este potenţialul redox
standard al sistemului de oxido-reducere la pH = 0, la care se
adaugă –0,421 volţi cât reprezintă potenţialul redox al unui
electrod de hidrogen în care [H+] = 10-7 ioni/litru faţă de
electrodul normal de hidrogen.
• Un sistem redox oxidează toate sistemele cu potenţiale mai
mici, după cum el este oxidat de toate sistemele cu
potenţiale mai mari, mai pozitive.
• Reacţiile redox sunt puternic exergonice.
• Variaţia de energie liberă (D G0’) depinde de diferenţa de potenţial
(E0’) dintre participanţii la reacţii, potrivit relaţiei:
D G0’ = - n F DE0’
unde:
n – numărul de electroni transferaţi;
F – echivalentul caloric al lui Faraday 23,062 kcal;
DE0’ -diferenţa dintre potenţialele redox standard ale
reactanţilor.
• Deoarece potenţialele redox sunt uşor de măsurat, relaţia permite
evaluarea efectelor energetice ale proceselor redox din organism.
Potenţialele redox (E0’) ale unor sisteme
biochimice
Sistem redox E 0’ (V)
Oxidant Reducător
½ O2 + 2H+ H2O 0,82
Citocrom c (Fe3+) Citocrom c (Fe2+) 0,22
Ubichinona (Q) Ubichinol (QH2) 0,10
Dehidroascorbat Ascorbat 0,08
Fumarat Succinat 0,03
Piruvat Lactat -0,19
GSSG 2 GSH -0,23
NAD+(NADP+) NADH (NADPH) -0,32
2H+ H2 -0,42
Compuşi macroergici
• Legătura care este scindată hidrolitic într-o reacţie puternic exergonică este denumită legătură macroergică şi este reprezentată astfel: (~).
• valoarea limită a energiei libere de reacţie pentru hidroliza unei legături macroergice este cea a legăturilor pirofosforice din ATP de 7,3 kcal/mol.
• Compusul care are în structura sa o legătură macroergică este un compus macroergic.
Reacţii de hidroliză în care se scindează
legături macroergice
• Nucleozid trifosfaţii (ATP, GTP, TTP, UTP, CTP) şi nucleozid
difosfaţii (ADP, GDP,TDP, UDP, CDP) cuprind două, respectiv o
legătură ~P.
• Energia înmagazinată în ATP poate fi utilizată în două moduri:
Prin scindarea hidrolitică a unui rest fosforil:
ATP + HOH ADP + Pa DG0’ = -7,3 kcal/mol
Prin detaşarea acidului pirofosforic:
ATP + HOH AMP + PPa DG0’ = -7,3 kcal/mol
pirofosfataza:
PPa + HOH 2 Pa DG0’= - 9 kcal/mol.
• in vivo lipseşte enzima corespunzătoare reacţiei:
ADP + HOH AMP + Pa DG0’ = -7,3 kcal/mol
Nici reacţia inversă nu este posibilă.
• Energia conservată în legătura macroergică din ADP poate fi
utilizată pentru sinteză de ATP prin reacţia catalizată de
adenilat kinază (miokinază), în muşchi:
• Este cazul unui muşchi care efectuează contracţii puternice în
anaerobioză.
2 ADP ATP + AMPmiokinaza
• Reacţia catalizată de adenilat kinază
- permite utilizarea legăturii
macroergice din ADP pentru sinteză de
ATP;
- permite transformarea AMP în ATP;
- AMP acţionează ca semnal metabolic,
activând glicoliza musculară în scopul
producerii de ATP.
• Legături macroergice de tip anhidridă acidă la
metabolitul glicolitic, acid 1,3-bisfosfogliceric:
C
O
O
HC
H2C
OH
OPO3
2-2-
~PO3
2-2-
+ H2O
COO-
HC
H2C
OH
OPO3
2-2-
+ Pa
DG0` = - 11,8 Kcal/mol
• Acidul fosfoenolpiruvic cuprinde o legătură
~P, de tip fosfoenol.
~PO3
2-2-+ H2O
COO-
C
CH2
O + Pa
DG0` = - 14,8 Kcal/mol
C
CH3
O
COO-
• Fosfocreatina conţine o legătură fosfoamidică.
• În stare de repaus creatinfosfatul se poate acumula în anumite limite
în muşchi, constituindu-se ca o rezervă de legături macroergice.
DG0` = - 10,3 Kcal/mol
CH2N
NH
HN
COOH
CH3
~PO3H2
H2O Pa
CH2N
NH2
HN
COOH
CH3
• Carbamilfosfatul intermediar în procesul de sinteză a
ureei conţine o legătură macroergică prin a cărei
hidroliză se eliberează 12,3 kcal/mol:
C
O
O
NH2
~PO3H2
• Tiolesterii R-CO~SCoA. Cei mai importanţi sunt tiolesterii
coenzimei A cu acizii graşi:
CH3-(CH2) 14-CO~SCoA + HOH CH3-(CH2) 14-COOH
+ CoA-SH
DG0’ = -7,5 kcal/mol.
Factori care imprimă anumitor legături caracterul
macroergic
-stabilizarea prin rezonanţă a acizilor care rezultă prin hidroliza legăturilor
anhidridice
• Acidul fosforic este stabilizat prin rezonanţă faţă de acidul pirofosforic
• Acidul carboxilic şi acidul fosforic prezintă fiecare mai multe structuri limită în
rezonanţă decât anhidrida carboxil-fosforică
OH
OH
HO
O
P2+ H2OO
OH
HO
O
P OH
OH
O
P~....
OH
OH
HO
O
P+ H2OOR
O
C OH
OH
O
P~.... ..
OHR
O
C..
+
• Prin reacţia de hidroliză se micşorează repulsiile electrostatice dintre
sarcini de acelaşi fel din molecula reactantului.
O
O-
O-
O
P O
O-
O
P adenozină
O-
O
P O-
O
O-
O
P adenozină
O-
O
P
H2O Pa
O-
O
O-
O
P adenozină
O-
O
P
H2O Pa
O-
adenozină
O-
O
P
• Prezenţa ionilor de Mg2+ în celule – afinitatea ADP este de 6
ori mai mare decât a ATP
• Legătura macroergică din acidul fosfoenolpiruvic este de tip enol-
fosforică
O
O-
O-
O
P O
O
O
P adenozină
O
O
P O-
O
O
O
P adenozină
O
O
P
Complexul Mg - ATP Complexul Mg - ADP
Mg2+
Mg2+
~PO3
2-2-
H2OCOO
-
C
CH2
O
Pa
C
CH2
OH
COO-
C
CH3
O
COO-
Fosfoenol-
piruvatEnolpiruvat Piruvat
tautomerizare
mai stabil
• Legătura P-O din AMP nu este macroergică.
• In celule nu există enzimă care să asigure scindarea
acestei legături.
• Hidroliza AMP se poate efectua in vitro:
AMP + HOH Adenozină + Pa
D G0’ = - 3,4 kcal/mol
• Transportul energiei în sistemele biologice, în care temperatura este constantă, se face prin reacţii cuplate.
• Cuplarea se poate face în două moduri:– când unul dintre produşii de reacţie ai reacţiei exergonice este reactant
în reacţia endergonică (fosforilarea glucozei sau a glicerolului se face, în prezenţa enzimelor specifice, pe seama energiei eliberate la hidroliza ATP);
– printr-un intermediar energetic comun, care în lumea vie este ATP.
• ATP se află la mijlocul unei ierarhii termodinamice a
compuşilor fosforilaţi.
• ATP reprezintă “moneda de schimb în tranziţiile
energetice”.
• ATP nu se depozitează, concentraţia intracelulară a
ATP nedepăşind 1mM.
• Valorile D G0’ pentru reacţiile de hidroliză ale unor compuşi
macroergici şi ale unor compuşi care nu sunt macroergici.
Compusul DG0’
Acidul fosfoenol piruvic -14,8
Carbamilfosfatul -12,3
Acidul 1,3-bisfosfogliceric -11,8
Creatinfosfatul -10,5
Acil-CoA -7,5
ATP ADP + Pa -7,3
Glucozo-1-fosfatul -5,0
Glucozo-6-fosfatul -3,3
Glicerol-3-fosfatul -2,2
• compuşi cu potenţial mare de fosforilare
• ATP-ul intermediar comun metabolic, cuplând
transferul de energie de la compuşii macroergici, cu
fosforilarea ADP şi utilizarea ulterioară a energiei
transferate pe ATP în reacţiile endergonice.
A B
D C
ADP + Pa ATP
reactie
exergonică
reactie
endergonică
ADP ATP
Glucoză Glicerol
Glucozo- Glicerol-6-fosfat 3-fosfat
Fosfoenolpiruvat
1,3-Bisfosfo-glicerat
Creatin fosfat
~P ~P~P
Utilizarea metabolică a ATP
• Activarea glucozei prin transformarea în glucozo-6-fosfat
Valoarea D G0’ pentru această reacţie este dată de:
ATP + HOH ADP + Pa D G0’ = -7,3 kcal/mol
glucoză + Pa glucozo-6-fosfat + HOH D G0’ = +3,3 kcal/mol
-----------------------------------------------------------------------------------------
glucoză + ATP glucozo-6-fosfat + ADP
• Activarea glicerolului.
glicerol + ATP glicerol-fosfat + ADP
Reacţia este catalizată de glicerol kinază.
DG0’ = -7.3 + 3,3 =
-4 kcal/mol
• Activarea aminoacizilor necesită scindarea ATP la AMP şi PPa.
aminoacid + ATP + ARNt aminoacil~ARNt + AMP + PPa
• Activarea acizilor graşi necesită scindarea ATP la AMP şi PPa.
• Pentru formarea legăturii macroergice C~S este nevoie de mai mult
de 7,3 kcal/mol.
R-COOH + ATP + CoA-SH R-CO~SCoA + AMP + PPa
PPa + HOH 2 Pa
pirofosfatază
Utilizarea metabolică a celorlalţi nucleozid trifosfaţi.
• Uridintrifosfatul (UTP) este utilizat pentru activarea glucozei la derivatul UDP-glucoză.
• Citidintrifosfatul (CTP) este utilizat în metabolismul lipidic.
• Sinteza legăturilor peptidice consumă energie furnizată atât de ATP cât şi de GTP.
• Nucleozid trifosfatii cu riboză si dezoxiriboză participă la sinteza legăturilor internucleotidice din acizii nucleici în reactiile catalizate de ARN sau ADN polimeraze.
• Legăturile macroenergice din aceşti NTP provin tot din ATP prin intermediul reacţiei:
• NDP + ATP ADP + NTP
• Reacţia este catalizată de enzima nucleozid difosfat kinază
Sinteza ATP
• Sinteza ATP în celulele animale se face
prin:
–fosforilare la nivel de substrat;
–fosforilare oxidativă.
• Sinteza de ATP prin fosforilare la nivel
de substrat.
- Sinteza de ATP cuplată cu oxidarea
gliceraldehidei-3-fosfat
- Sinteza de ATP cuplată cu transformarea
acidului 2-fosfogliceric în acid piruvic.
- Sinteza de ATP cuplată cu
decarboxilarea oxidativă a acidului a-
cetoglutaric