TERMODINAMICA SISTEMELOR LA ECHILIBRU

La nivel planetar intreaga energie provine de la soare si aceasta se manifesta sub diverse forme dependent de structura materiei. Pentru intelegerea notiunilor de energetica se introduce notiunea de sistem ca fiind acea zona din univers arbitral aleasa, care urmeaza sa fie studiata. In raport cu sistemul se defineste mediul care este spatiul din afara sistemului in care acesta se gaseste. Intre sistem si mediu exista o limita de separatie unde caracteristicile specifice variaza brusc. Dpdv al interrelatiilor sistem – biosistem si mediu se pot intalni in natura 3 tipuri de sisteme: izolat inchis deschis Sistemul izolat presupune absenta schimbului de energie si masa dintre sistem si mediu. Acest sistem este un sistem ideal. Atunci cand intre mediu si sistem exista un schimb de energie fara sa se realizeze schimb de masa, sistemul se defineste ca fiind inchis, iar atunci cand se realizeaza in ambele sensuri schimburi atat de masa cat si de energie intre sistem si mediu, sistemul se defineste ca fiind deschis. (vezi slide)

In fizica clasica se introduce notiunea de energie, ca fiind capacitatea unui sistem de a efectua un lucru. Atat lucrul mecanic sau lucrul in genere, cat si energia poseda aceeasi unitate de masura. Unitatea de masura in energetica, Joule-ul reprezinta energia necesara unei forte de un Newton pt a o deplasa pe o distanta de 1 m. Se cunosc 2 mari clase de energii: energia potentiala energia cinetica Daca energia potentiala este nedispersabila si este dependenta de pozitia sistemului in spatiu, energia cinetica este dispersabila in sensul gradientului energetic ( deplasarea se realizeaza intotdeauna de la valorile mari catre valorile mici pana la atingerea echilibrului) si se datoreaza miscarii componentelor sistemului.

Energia cinetica este uniform repartizata in sistem, deci nu se produc acumulari energetice la nivelul sistemului si una dintre cele mai cunoscute forme de energie cinetica o reprez caldura care masoara gradul de agitatie / miscare ale componentelor sistemului in conformitate cu legile browniene. Caldura este o energie dezordonata si care respecta in totalitate legile atribuite energiei cinetice. In perioada anilor 1700-1800 in teoriile mecaniciste s-a considerat ca un biosistem se aseamana cu orice masina termica. Ulterior s-a demonstrat ca intre cele 2 sisteme distincte (masina termica si sistemul biologic) exista diferente fundamentale: in timp ce pt o masina termica energia se deplaseaza de la valori mari spre valori mici, adica de la cald la rece caldura, majoritatea biosistemelor au capacitatea de a disipa energia si functioneaza izoterm (la intervale de temp relativ constante in timp), ceea ce nu este valabil pt masina termica.

In univers, energia produsa de soare ajunge la nivelul planetei pamant sub forma fotonilor (energie radianta) care la nivelul plantelor este preluata prin intermediul unor coloranti ca si la nivelul unor bacterii fotosintetizatoare si aceasta

1

este utilizata in transformarea CO2 (compus anorganic) in compusi organici. Astfel energia radianta se transforma in energie metabolica, in cantitati echivalente, care in final se inmagazineaza in compusi organici sub forma legaturilor covalente. (vezi slide)Energia inmagazinata sub forma compusilor organici este ulterior utilizata de alte biosisteme (heterotrofi) care au capacitatea de a prelua energia legaturilor chimice din compusii organici si de a o transforma in energie proprie metabolica care se utilizeaza in scopuri proprii.

In natura, majoritatea proceselor chimice se desfasoara in conditii de reversibilitate, majoritatea reactiilor chimice presupun stabilirea astfel a unui echilibru chimic intre reactanti si produsii de reactie. Aceste procese se desfasoara in toate sistemele deschise in care sunt incluse toate biosistemele. In urma reversibilitatii proceselor chimice exista un anumit moment in care viteza reactiei intr-un sens este egala cu viteza reactiei in sens opus cand cantitatile de reactanti si de produsi de reactie raman constante in timp, nu se mai modifica cantitativ. Echilibrul chimic la care se ajunge este de tip dinamic si nu static, deoarece cantitatea de reactanti transformata in unitatea de timp este = cu cantitatea de produsi de reactie care reface reactantii.

Conform legii actiunii maselor, la echilibrul chimic se defineste constanta de echilibru, ca fiind un raport dintre produsul concentratiilor produsilor de reactie si produsul concentratiei reactantilor. K=[C][D]/[A][B] (vezi slide)In stabilirea echilibrelor chimice un rol fundamental il are legea lui Le Chatelier, care postuleaza: daca asupra unui sistem in echilibru se actioneaza cu o forta perturbatoare, sistemul va reactiona in asa fel incat va tinde sa diminueze pe cat posibil efectul fortei perturbatoare.

Pt studiul termodinamicii se apeleaza la sitemele in echilibru si de aceea este termodinamica clasica aplicata biosistemelor in echilibru. In termodinamica pt studiul sistemelor se introduc functiile de stare, care reprez o masura a variabilelor de stare care sunt la randul lor dependente de starea de echilibru a sistemului considerat si rsp de caracteristicile de evolutie a variabilelor.AX = Xf – Xi (vezi slide)In termodinamica functiile de stare se aplica pt starea initiala si rsp pt starea finala, iar variatia functiei ∆X este dependenta de diferenta finala si cea initiala. Conventia valorilor functiilor de stare:Intotdeauna energia preluata de un sistem din mediu conduce la cresterea valorii energiei totale a acestuia si prin conventie este notata cu semnul + (pozitiv) in timp ce energia eliberata de un sistem si furnizata mediului conduce la diminuarea energiei totale a sistemului si din aceasta cauza, semnul este – (negativ).Principiul I al termodinamicii postuleaza ca: in univers energia este constanta si ca aceasta nu se creeaza, nu se distruge, dar se transforma dintr-o forma intr-alta in cantitati echivalente. In cadrul principiului I al termodinamicii este introdusa functia de stare, energia interna U ca fiind energia totala a unui sistem dat la un moment dat.

2

Daca un sistem efectueaza un lucru (W) si primeste sau elibereaza cantitatea Q de caldura, variatia energiei interne ∆U (vezi slide)

Fiind o functie de stare, energia interna nu depinde decat de starea initiala si cea finala a sistemului, indiferent de drumul parcurs de sistem pt a se transforma de la initial in final. (vezi slide)

Entalpia H este functia de stare rezultata din suma energiei interne si produsul dintre presiune si volum H=U+PV

Variatia entalpiei unui sistem se defineste ca fiind caldura schimbata de sistem cu mediul, la presiune constanta. Dpdv al entalpiei, in natura se cunosc 2 tipuri de reactii: reactii exogene reactii endogeneIn reactiile exogene, entalpia finala (a produsilor) este mai mica decat entalpia initiala (a reactantilor) ∆ H<0, in timp ce in reactia endogene, energia produsilor de reactie = mai mare decat entalpia reactantilor (sistemul preia energie din mediu, iar ∆ H >0. (vezi slide)Starea standard (∆X o) se considera prin conventie orice sistem aflat la o atm si 25 grade C (298 K).Poate fi: solida – solid pur lichida – lichid pur , solut [1M] gazoasa (gaz pur la 1 at )In maj sistemelor in care se considera dizolvatul (solutul) ionul de hidroniu H+ concentratia 1 M = echivalenta cu pH = 0, ceea ce nu poate fi aplicapil.In maj biosistemelor exista intervale de pH optim de supravietuire in apropierea valorii neutre a pH-ului. Pt biosistemul om, pH optim de functionare / fiziologic = 7,35-7,45. Din aceste motive se defineste starea standard biochimica, care este ∆ Xo’ care presupune ca biosistemul se afla la 25o C, la 1 atm si la conc molara 10-7 al ionilor de hidroniu H+, care este echivalentul pH=7.

Deoarece functiile de stare introduse in principiul I al termodinamicii nu satisfac necesitatile de discutare a sistemelor la echilibru, s-a introdus principiul II al termodinmicii care postuleaza faptul ca in univers dezordinea este mai probabila decat ordinea si ca toate sistemele tind spontan catre o stare de echilibru. In cadrul principiului II al termodinamicii, energia unui sistem se considera ca este dispersata atunci cand dispersia nu este impiedicata. In cadrul acestui principiu este introd notiunea de entropie S, care reprez acea parte din energia totala a unui sistem care nu se poate utiliza de acesta. Prin interm acestei functii de stare putem aprecia atat dispersia energiei cat si transformarile spontante din univers.

Deoarece energia inutilizabila de sistem este definita prin entropie, variatia acestei functii de stare ∆S >0, ceea ce inseamna ca in mod constant orice sistem tinde catre dezordine. Daca unui sistem i se adauga o cantitate Q de energie / de caldura, variatia entropiei ∆S reprez variatia caldurii in raport cu temperatura absoluta. (vezi slide)

3

Dpdv al entropiei, toate fiintele vii de pe planeta sunt antientropice (se opun dezordinii), ele incearca sa creeze ordine, iar at cand capacitatea acestora de a crea ordine este limitata, biosistemul tinde catre dezordine maxima si revine in litosfera, iese din biosfera.

In natura starile cu entropie minima sunt cele organizate prin excelenta starile solide cristalizate. La antipod cu starea solida se gaseste starea gazoasa in care miscarea haotica browniana a moleculelor de gaz determina sistemul cu cea mai mare entropie. In biosisteme, macromoleculele de tip polipeptidic / polinucleotidic care prezinta o structura tertiara nativa poseda entropia minima in raport cu mediul. Oricare alta stare decat cea nativa aduce cu sine o crestere a entropiei si rsp o scadere a capacitatii functionale, care poate sa conduca pana la denaturare.

O alta functie de stare, entalpia libera G = comparativ cu entropia, acea parte a energiei unui sistem capabila sa fie utilizata in vederea efectuarii lucrurilor chimice, fizice/biologice. Ca si in cazul entalpiei H, in entalpia libera se intalnesc 3 situatii distincte dependente de valoarea entalpiei libere.

Daca entalpia libera a produsilor de reactie = mai mica decat a reactantilor, sistemul cedeaza energie in mediu , iar ∆G<0, inseamna ca este sistem exergonic si per verso, cand entalpia produsilor de reactie > decat a reactantilor, sistemul primeste energie din exterior, variatia entalpiei libere>0 si procesul se numeste endergonic. (vezi slide)

In cadrul entalpiei libere se introduce si functia energiei de activare ca fiind minimul energetic necesar ca reactantii sa se transforme in produsi de reactie.

In genere un sistem redox presupune existenta unor procese cu caracteristici opuse antipozi. Daca unul presupune oxidarea, celalalt presupune reducerea, iar cele 2 sisteme chimice se produc simultan unul pe seama celuilalt. Un sistem se reduce atunci cand: accepta electroni accepta atomi de H cedeaza atomi de OSe oxideaza atunci cand: cedeaza electroni cedeaza atomi de H accepta atomi de OSistemul care se reduce este oxidant, si invers sistemul care se oxideaza este reducator.

Deoarece in sistemele redox se realizeaza transfer de echivalenti de reducere (electroni/ atomi de H) pot fi caracterizate prin interm potentialelor electrice pe care le desfasoara. Pt a defini un potential electric, se considera prin conventie potentialul normal = 0 al electrodului de H. Toate celelalte potentiale normale se caracterizeaza in raport cu valoarea pozitiva/negativa a acestora.

Prin conventie se iau in calcul pt caract sistemelor energetice potentialele de reducere si nu cele de oxidare.

4

Daca potentialul de reducere a unui sistem = negativ, inseamna ca poseda afinitate redusa pt electron, acesta este usor expulzat deci sistemul se oxideaza si este reducator si per verso, cand potentialul de reducere = pozitiv, afinitatea in raport cu electronul este mare, acesta este acceptat din mediu, deci se reduce si devine oxidant.

Pt masurarea unui potential electric al unui sistem dat se realizeaza o pila electrica intre electrodul de H si sistemul considerat. Pila = confectionata a.i. sa exista o comunicare interna intre cei 2 electrozi prin interm unui sifon cu electrolit si rsp alta externa prin interm unui conductor de speta I (metal). (vezi slide)

Daca la nivelul electrodului de H se produce procesul de reducere (vezi slide), la nivelul celulei de electrod se elibereaza energia neceseara sistemului.

Electrodul de H care presupune existenta unui conductor de platina platinat imersat intr-o solutie 1 M H+ si care se gaseste sub barbotare continua de [O] la 1 atm, potentialul acestuia prin conventie = 0. La nivelul electrodului de cuplare, exista un analit A care in raport cu electrodul metalic imersat in solutia metalului rsp poseda un alt potential diferit de cel al H-ului. Suma algebrica dintre cele 2 potentiale, adica 0+ /0- constituie tensiunea electro-motoare a pilei care = masurabila.

Potentialul chimic µSe introduce atunci cand solutul / subst dizolvata este neincarcata electric si se gaseste in raport cu o membrana semipermeabila.µ= µ0 + RT ln [A]µ0= potentialul chimic standardPotentialul chimic fiind o functie de stare pt un sistem dat se poate considera variatia acestui parametru, ca fiind diferenta dintre potentialul chimic al produsilor de reactie si potentialul chimic al reactantilor, care este egal cu variatia entalpiei libere. Din aceasta diferenta se obtine variatia entalpiei libere ca fiind proportionala cu logaritmul natural al raportului dintre concentratia finala si concentratia initiala a solutului. ∆ µ = µ2- µ1 = ∆G∆G =RT ln [A2] / [A1]

Daca [A2]/[A1] <1 Sistemul in acest caz este spontan, iar analitul se deplaseaza din compartimentul 1, unde e conc mai mare, inspre compartim 2 unde conc este mai mica, pana la atingerea echilibrului, deci sistemul este exergonic.Per verso daca conc finala [A2] > [A1], ∆G> 0 sistemul este endergonic de la 1 spre 2 , dar exergonic, spontan de la 2 spre 1. [A2]/[A1] = 1Atunci cand concentratiile solutului sunt egale in ambele compartimente, avem ln 1=0, inseamna ca ∆G=0, avem echilibru termodinamic.Intotdeauna atunci cand solutul este neincarcat electric, acesta se va deplasa prin membrane prin difuzie simpla in mod spontan de la compartim cu conc mare spre compartim cu conc mica, in sensul diminuarii entalpiei libere, potentialului chimic si gradientului de concentratie.

5

Pt deplasarea analitului in sens invers prin membrana, de la concentratia mica inspre conc mare , eset necesar un aport energetic din exterior, transportul nu se mai realizeaza prin difuzie simpla, ci prin difuzie fortata, este transport activ.Este posibil ca in biosis sa se realizeze transportul activ la nivelul membranelor, dar acest transport se realizeaza in prezenta altui sistem, capabil sa cedeze energia necesara transportului activ. Din aceasta cauza, in metabolism, procesele celulare se desfasoara sub forma unor linii metabolice/cicluri metabolice in care exista alaturi de procese endergonice si procese exergonice care in ansamblul liniei/ciclului metabolic asigura necesarul energetic pt transformarea reactantului / reactantilor in produsii finali / metaboliti.

Alaturi de transportul prin difuzie simpla si transportul activ prin consum de energie exista si transportul facilitat, care nu necesita consum de energie, dar necesita la nivelul membranei prezenta unei macromolecule de natura proteica / unui agregat macromolecular capabil sa recunoasca si sa lege analitul si de a-l transfera prin membrana dintr-un compartiment in altul.Deoarece transportorii de natura macromoleculara recunosc si leaga analitii prin intermediul unui nr limitat de situsuri, acesta poate atinge un maximum de transport al analitului care peste o anumita valoare a acestuia, capacitatea de transport ramane constanta. Intre capacitatea de transport si concentratia analitului, in acest mod se poate considera ca exista o relatie matematica exprimata printr-o curba de tip hiperbola echilatera asemanatoare cu curba Michaelis-Menten.

Potential electrochimicDaca pt functia de stare potential chimic, analitul era neincarcat electric, nu era ion, pt functia de stare potential electro-chimic, solutul este incarcat electric si se gaseste intr-un sistem in raport cu o membrana semipermeabila. In acest caz se defineste potentialul electro-chimic (vezi slide) la fel, la care se adauga un termen electric zFE (z=nr electroni, F=nr fazei, E=potentialul)In acest caz variatia potentialului electrochimic ∆ µ= ∆ G= RT ln [A2]/[A1] + zF∆ E. Pt ca sistemul sa fie spontan (ionii sa se deplaseze fara consum de energie prin membrana, trebuie ca ∆G<0. In acest caz, pentru ca in ecuatia variatiei entalpiei libere exista termenul electric, este posibil ca ionii sa se deplaseze prin membranele semipermeabile si de la concentratii mici inspre concentratii mari prin difuzie simpla, daca variatia entalpiei libere<0 si aceasta variatie este datorata termenului electric.

OsmozaDaca se considera o membrana semipermeabila care desparte 2 compartimente: unul cu solventul pur altul cu solutia unui solut in solvent (vezi slide) Conform potentialului chimic, apa in compartimentul 1 datorita concentratiei mai mari decat in compartim 2, va tinde sa compenseze concentratia din compartim 2 prin transfer pana cand se atinge un echlibru.

6

Prin trecerea apei din compartim cu conc apoasa mare, in compartim cu conc apoasa mica, nivelul lichidului din compartim 2 va tinde sa creasca usor si astfel la nivelul acestui compartiment apare o presiune hidrostatica superioara compartimentului 1, iar presiunea se numeste presiune osmotica л = valoarea presiunii aplicata compartimentului unde se gaseste solutia pt a opri fluxul de apa prin membrana dinspre compartimentul cu apa pura inspre compartimentul cu solutie. л = conc solutului [X] RTDaca conc [X] molara se defineste ca fiind nr de particule pe unitatea de volum [X] = n/V , atunci pV=nRT. Bazat pe p osmotica la niv biosistemelor se desf numeroase procese fiziologice : preluarea apei si mineralelor reabsorbtia apei din lumenul renal permeabilitatea membranaraDependent de p osmotica a unui sistem, intalnim sisteme:- izotone- hipotone- hipertoneDaca se gasesc in contact 2 sisteme in care presiunile osmotice sunt diferite, la nivelul membranelor se realizeaza schimb de apa (osmoza) pana cand cele 2 presiuni se egaleaza. Cele mai cunoscute situatii de acest tip se intalnesc in cazul eritrocitelor care poseda membrane celulare deosebit de friabile (rezistenta mecanica slaba).

Atunci cand un eritrocit este introdus intr-un sistem hiperton (cu p mare), apa din interiorul eritrocitului va trece in mediu, volumul eritrocitului va scadea, producandu-se fenomenul de ratatinare / de zbarcire.

Per verso, daca eritrocitul este introdus intr-un mediu hipotonic, apa din mediu va patrunde in eritrocit, va tinde sa-i creasca volumul acestuia si datorita rezistentei mecanice slabe, membrana eritrocitara se lizeaza/ se rupe, se prod fenomenul de hemoliza. Daca oricare alta celula se gaseste intr-un mediu hipoton, se produc aceleasi fenomene, care sunt descrise de plasmoliza, deosebirea de hemoliza constand in faptul ca, membranele tuturor celorlalte celule prezinta rezistenta mecanica mai mare si nu se lizeaza, isi maresc doar volumul. Din aceste motive, in organismele vii se introduc lichidele intotdeauna la o presiune osmotica apropiata de valoarea presiunii tesutului / lichidului biologic. In genere pt sange si maj tesuturilor se utilizeaza solutia fiziologica cu echivalentul de 0,86 % NaCl in H2O.

Presiunii osmotice i se atribuie termenul de osmolaritate, ca fiind nr de moli de particule dizolvate in unitatea de volum. La nivelul organismului uman, presiunea osmotica a sangelui este dependenta de natura vasului (artera/ vena). Daca in artere, presiunea osmotica este mare, la acest nivel apa ca solvent este impinsa si alaturi de aceasta si metabolitii in afara tubului capilar si se produce fenomenul de filtrare, prin aceasta asigurandu-se alimentarea cu metaboliti a tuturor celulelor organismului in timp ce la nivelul venelor, presiunea osmotica este mica si se produce fenomenul invers prin care apa din mediu si unii metaboliti sunt introdusi din mediu in capilar, producandu-se fenomenul de reabsorbtie.

7

Dializa-hemolizaDializa se aseamana cu osmoza, deosebirea dintre cele 2 fenomene se refera la faptul ca in dializa prin membrane pot patrunde si pot fi transferate alaturi de moleculele de apa si moleculele unor soluti de dim mici (mai mici decat ochiurile de retea ale membranei).Hemodializa se aplica sistemului sanguin care in raport cu o membrana semipermeabila schimba cu mediul molecule de apa si moleculele unor metaboliti de dimensiuni mici care nu mai pot fi filtrati la nivel renal, fenomenele intalnindu-se in bolile renale cronice. Hemodializa se realizeaza in special pt eliminarea moleculelor de uree, care se biosintetizeaza la nivel hepatic din azotul aminic si care este produs de excretie cu caracteristici toxice limitate comparativ cu amoniacul NH3 / alti derivati ai N-ului. Cu toate acestea, prin tendinta de crestere a cocentratiei circulante a ureei se pot produce unele procese secundare care pot induce dezvoltarea unor fenomene toxice in prima faza si care in final devin incompatibile cu viata. In aceste cazuri, avand in vedere faptul ca sangele este o suspensie apoasa a elementelor figurate intr-o solutie omogena de substante organice, anorganice si macromoleculare, se poate realiza eliminarea prin hemodializa a ureei, prin efectuarea unui bypass intre sistemul arterial si venos. (vezi slide) Se utilizeaza ca membrane semipermeabile saci de dializa prin interm carora circula sangele arterial, care in acest mod elibereaza in solutia de dializa, unde este introdus sacul de dializa, ureea excedentara, circuitul fiind continuat prin revenirea in organismul uman a sangelui dializat la nivelul circuitului venos. Operatia de curatire a sangelui este extensiva in timp, cateva ore, si se realizeaza prin scaderea concentratiei sanguine in uree, cuplata cu cresterea concentratiei ureei in lichidul de dializa. Pt o indepartare cat mai avansata a metabolitului din sange, solutia de dializa se indeparteaza periodic, permitand refacerea unor noi echilibre intre sangele din interiorul sacului de dializa si solutia de dializa.

Fosforilarea oxidativa

In procesul de degradare a compusilor organici de provenienta exogena cat si a celor de provenienta endogena se produce un fenomen de oxidare (eliminarea atomilor de H, eliminare protoni si electroni), iar scheletul hidrocarbonat remanent si in final atomii de C se transforma de regula in CO2 care se elimina din toate sistemele vii in mediu. Atomii de H (echivalentii de reducere) sunt preluati in conditii catalitice enzimatice de coenzimele nicotinamidice / flavinice in forma oxidata, reducandu-se si dupa incarcarea lor urmeaza descarcarea in vederea eliberarii pe de-o parte a protonilor, iar pe de alta parte a electronilor in vederea transformarii [O] in anionul corespunzator si constituirii H2O ca produs secundar care se elimina de asemenea in mediu. In vederea realizarii acestui proces, protonii si electronii poseda

8

drumuri comune/separate dependent de pozitia pe care o are coenzima la nivelul procesului de transfer electronic si protonic. Procesul de transfer al protonilor si electronilor se desfasoara la nivel mitocondrial pe membrana interna mitocondriala unde se intalneste catena respiratorie. (vezi slide)De-a lungul catenei respiratorii care este constituita din coenzime nicotinamidice si flavinice, enzime capabile sa realizeze transferul protonic si electronic, coenzima Q si citocromii. La capatul catenei respiratorii se produce fenomenul de fosforilare oxidativa in urma caruia, energia rezultata de-a lungul catenei este utilizata in vederea transformarii ADP in ATP si astfel un tip de energie sub forma de potential electric inmagazinat si obtinut la nivelul catenei electronice, se transforma in cantitati echivalente in energie metabolica inmagazinata sub forma unor legaturi macroergice. Legaturile macroergice sunt de natura covalenta si se constituie ca sisteme tensionate la nivelul unor molecule specializate la a caror distructie este eliminata in mediu (unui proces biochimic / unui alt compus biochimic, cantitatea echivalenta de energie, ATP, se biosintetizeaza in toate organismele aerobe prin inglobarea energiei eliberate de-a lungul catenei de transfer electronic, molecula este suficient de tensionata a.i. detensionarea moleculei este sinonima cu eliberarea energiei in vederea efectuarii unui lucru biochimic sau de alta natura. La nivelul catenei de transport electronic, componentele acestuia se aranjeaza conforma potentialelor electrice de la valori negative inspre valorile pozitive, in sensul scaderii afinitatii pt electroni si protoni. In aceasta ordine de idei, nicotinamidele in forma redusa poseda potentialul negativ cel mai mare si ele sunt capabile sa transfere electronii si protonii (ionii de hidrura) pe flavinmononucleotid si apoi pe coenzima Q urmand ca din acest moment electronii sa circule prin interm citocromilor b, c1, c, a, a3. Iar protonii sunt expulzati din zona matriceala mitocondriala/zona centrala mitocondriala inspre si in spatiul intermembranar.(vezi caiet)Procesele de transfer care se desfasoara de-a lungul intregii catene de transfer de electroni se realizeaza catalitic fiind implicate 4 complexe enzimatice:

I. NADH-dehidrogenazaII. Succinat – CoQ oxidoreductazaIII. CitocromreductazaIV. Citocrom c oxidaza

Alaturi de cele 4 sisteme enzimatice, la nivelul catenei respiratorii se intalnesc si cei 2 transportori mobili de electroni: coenzima Q citocromul C

9

Daca coenzima Q este un compus cu caracteristici lipofile, citocromul C poseda caracteristici hidrofile si din aceste considerente, coenzima Q va realiza transferul (transportul) prin zona cu caracteristici hidrofobe a membranei interne mitocondriale (zona centrala a dublului strat lipidic) in timp ce citocromul/citocromii realizeaza transferul/transportul electronilor la limitele dintre membrana interna mitocondriala si mediul apos.

Complexul II enzimatic realizeaza transferul de echivalenti de reducere de pe flavinele reduse si acesta se numeste complexul succinatdehidrogenaza. Spre deosebire de celelalte complexe enzimatice, complexul II nu functioneaza ca pompe ionice. In schimb, toate celelalte complexe, I, III,IV functioneaza ca pompe ionice.

Prin deplasarea continua a protonilor dinspre matricea mitocondriala in spatiul intermembranar, se realizeaza un gradient de concentratie protonica intre cele 2 spatii care da nastere unui potential chimic (electro-chimic) care reprez energia de transfer. Pe langa faptul ca apare un potential membranar, apare si o variatie a valorii pH-ului intre cele 2 compartimente cu valori crescute ale concentratiei in zona intermembranara si valori scazute ale concentratiilor in zona matriceala (gradient de pH). Aceste gradiente de concentratie si de protoni rsp de potential electro-chimic se materializeaza prin tendinta ca protonii impinsi anterior in spatiul intermembranar sa revina in matrice in vederea restabilirii echilibrului termodinamic. In acest mod, energia eliberata la transferul protonilor din spatiul intermembranar in matrice se utilizeaza in sinteza ATP din ADP. Procesul de fosforilare se realizeaza printr-un cuplaj chimio-osmotic si este posibil datorita faptului ca variatia entalpiei libere ∆G <0. Procesul este exergonic si spontan. In fosforilarea oxidativa se utilizeaza ADP si fosfatul organic in prezenta ATP –sintetazei (ATP-aza).(vezi slide)

ATP-aza = un complex enzimatic constituit din 6 lanturi polipeptidice α, β, γ, ∆, ε si acest complex enzimatic se gaseste incastrat (proteina intrinseca) in membrana interna mitocondriala prin interm unei zone cu caracteristici mai slab hidrofile (F0), iar inspre spatiul matriceal se gaseste zona cu caract puternic hidrofile ale componentelor polipeptidice. ATP=o enzima alosterica si poseda structura cuaternara capabila sa preia din mediu anumite informatii de natura fizico-chimica pe care sa le transforme in alte lucruri biochimice. (vezi slide)

Dpdv al masei moleculare, aceasta este de peste 500.000 Da si face parte din sistemele macromoleculare mari cunoscute. Datorita structurii macromoleculare mari pe care o poseda sistemul, modificarile conformationale inregistrate la un anumit nivel se vor manifesta obligatoriu la alt nivel si astfel poate fi indusa desfasurarea unei actiuni catalitice. Zona F0 poseda un canal capabil sa preia protonii din spatiul intermembranar si sa ii transfere prin intermediul polipeptidului γ catre zona F1

10

(hidrofila), careia ii modifica conformatia si prin aceasta modificare conformationala se realizeaza o modificare a afinitatii polipeptidelor α si β in raport cu ADP si fosfatul anorganic si rsp ATP. (vezi slide)

Odata cu patrunderea protonului in zona F0, conformatia ATP-azei permite o afinitate maxima in raport cu ADP si fosfatul si astfel aceste componente sunt fixate pe situsul catalitic. Cu inaintarea si trecerea protonului din zona F0 in zona F1, afinitatea pt ADP si fosfatul anorganic Pi scade, in timp ce afinitatea pt ATP a aceluiasi situs creste si astfel atunci cand protonul se gaseste in zona F1, afinitatea situsului ATP-azic pt ATP e maxima si minima pt ADP si Pi. Expulzarea protonului in matricea mitocondriala determina modificari conformationale care restabilesc afinitatea initiala (afinitatea minima pt ATP si maxima pt ADP si Pi), procesul fiind preluat practic la infinit. (vezi slide)

!!In procesul de transfer al echivalentilor de reducere de la coenzimele reduse in catena de transport, descarcarea unui mol de nictoinamida redusa pt ca depaseste 3 sisteme enzimatice, determina obtinerea unui nr de 3 moli de ATP in timp ce descarcarea flavinelor reduse de echivalentii de reducere prin depasirea a 2 sisteme enzimatice determina pt fiecare mol obtinerea unui nr de 2 moli de ATP. In genere, nu toata energia inmagazinata sub forma de potentiale / gradienti se transforma in energie metabolica utilizabila, ci doar o parte. Restul de energie se transforma in caldura, care se utilizeaza de biosisteme in parte pt realizarea izotermiei in raport cu mediul, iar restul se disipa in mediu.

Randamentul de transformare la nivelul mitocondriei este de aprox 42 %, restul de 58 % din energie este neutilizabila metabolic.

Transportul de substante prin membranele celulare Membranele, fara exceptie pt toate celulele eucariote sunt constituite dintr-un dublu strat lipidic care au rolul de a separa zona intracelulara de zona extracelulara. Prin aceasta separare, se realizeaza mentinerea compozitiei interne deosebita de compozitia externa si, datorita caracterului semipermeabil al acesteia si asigura schimbul de materie cu mediul. Deoarece la nivelul unor membrane celulare / intracelulare exista fie sisteme enzimatice fie sisteme de tip receptori, membranele pot fi sediul unor transformari biochimice / a unor transporturi transmembranare, care se pot realiza fie exergonic (spontan), fie endergonic (=cu consum de energie).

Transferul exergonic se realizeaza fie prin difuzie simpla, fie prin difuzie facilitata si se realizeaza in sensul descresterii potentialului chimic / electro-chimic. Daca in difuzia simpla se realizeaza un transfer conform gradientului de concentratie de la concentratii mari spre concentratii mici si pot participa moleculele mici si

11

neincarcate electric, nepolare/f slab polare, transportul facilitat/ difuzia facilitata se realizeaza prin membrane tot conform gradientului de concentratie, fara consum de energie, insa la acest tip de transfer participa moleculele mici/de dimensiuni medii care poseda caracter polar, dar neionic. Difuza facilitata presupune existena la nivelul membranelor a unei macromolecule de natura glicoproteica capabila sa recunoasca si sa lege reversibil compusul care urmeaza sa fie transferat. De regula acesti transportori carrier sunt proteine intrinseci si practic, ele pot functiona avand o capacitate maxima de transport datorita nr-ului limitat de situsuri posibile pt compusul transportat, curba de transport asemanandu-se cu curba Michaelis-Menten, fiind curba de saturatie.

Transportul endergonic se intalneste in special in cazul deplasarii prin membranele celulare a compusilor incarcati electric (ionilor) care pot trece in aceste conditii si de la concentratii mici inspre concentratii mari prin consum de energie metabolica. In acest mod se realizeaza transportul activ.Transportul activ primar se poate realiza atunci cand se cupleaza transferul compusului / solutului cu hidroliza exergonica a ATP si se numeste cuplaj chimio-osmotic. Transportul activ poate fi si secundar, atunci cand se realizeaza o cuplare transmembranara a unui solut intr-un sens si a altui solut in sensul crescator al potentialului chimic a.i. energia necesara transferului sa fie asigurata de transferul exergonic al altui compus. Acesta se numeste cuplaj osmo-osmotic.

Pana aici modulul 1

In toate biosistemele efectuarea lucrului biologic, obtinerea moleculelor specifice (proprii), supravietuirea, dezvoltarea si reproducerea sunt elemente fundamentale care necesita energie metabolica. Toata cantitatea de energie de pe planeta pamant provine exclusiv de la soare sub forma radiatiilor solare care intr-o prima faza se transforma in compusi chimic de natura organica in prezenta unor compusi chimici de natura anorganica: CO2 + H2O. Procesul se numeste fotosinteza si este specific tuturor plantelor si bacteriilor fotosintetizatoare. Energia radianta in acest mod se transforma in energie chimica (legaturi covalente) in compusii organici si aceasta energie chimica este utilizata ulterior de toate celelalte biosisteme numite heterotrofi, comparativ cu autotrofii, care produc energia metabolica sub forma compusilor organici.Metabolism = o totalitate de transformari de substanta, energie, informatie, care se desfasoara la nivelul unui organism viu. In procesele metabolice de regula se

12

intalnesc atat procese exergonice cat si endergonice sub forma unor linii/cicluri metabolice care asigura prezenta unor intermediari alaturi de reactanti (substraturi) si rsp produsi de reactie. Deci, toate procesele metabolice se desfasoara in etape, prin intermediul intermediarilor metabolici si din aceasta cauza este definit metabolismul intermediar. Toti compusii care rezulta fie ca intermediari, fie ca produs final dintr-un proces metabolic, se numesc metaboliti. Procesele metabolice se desf in conditii blande de temp, p, pH si sub controlul catalizei enzimatice. Daca pt functionarea oricarui sistem viu este necesara prezenta materiei de natura exogena, aceasta in urma prelucrarii metabolice, se transforma in metaboliti proprii, care se pot utiliza ca atare / in conditii normale, o parte din metaboliti se elimina tot in mediu. Aceasta caracteristica a tuturor sistemelor vii, ne determina sa consideram ca toate sistemele vii sunt sisteme deschise, realizandu-se permanent in ambele sensuri transfer de materie intre sistem si mediu. Procesele metabolice se desfasoara la nivel celular in compartimente bine determinate si astfel pot fi relativ usor reglate prin interm anumitor compusi, asigurandu-se in acest mod reglajul biocibernetic si integritatea biosistemului. In procesele metabolice participa in egala masura AA, proteinele, glucidele, lipidele, acizii nucleici, alaturi de alti compusi organici si astfel intre aceste clase de substante se realizeaza interrelatii metabolice. Deoarece unele dintre ele pot fi substituite de altele ( zaharidele de lipide de ex), altele se pot biosintetiza, utilizand molecule specifice ( acizii nucleici din AA, zaharidele din lipide, lipidele din zaharide). Indiferent de structura organismului viu, procesele metabolice se desfasoara conform codului genetic si printr-un sir de transformari asemanator. Din aceasta cauza metabolismul poseda caracter universal. Din mediu pot patrunde alaturi de compusi utili organismului si compusi neutili ( pesticide, toxice, compusi chimici) care sunt straine organismului = xenobiotice.

Daca compusul xenobiotic prezinta caracteristici hidrofile, acesta nu necesita metabolizare, deoarece este usor circulat prin interm lichidelor biologice si excretat urinar la mamifere / pe alte cai la celelalte organisme vii. Xenobioticele hidrofobe in schimb au tendinta de acumulare la niv tesuturilor grase din organism si prin aceasta acumulare tind sa manifeste actiuni toxice. Din aceata cauza toate xenobioticele hidrofobe sufera la nivelul organismelor vii procese de metabolizare in vederea cresterii hidrofilicitatii acestora (introducerea unor grupari functionale NH2, COOH, OH, SH) in vederea cresterii capacitatii de transport prin lichidele biologice si eliminarii. Atunci cand capacitatea de metabolizare a xenobioticelor (biotransformare) este depasita, acestea se aglomerea la nivelul organismelor si induc dezvoltarea toxicozelor. Deoarece la nivelul metabolismului intermediar, exista posibilitatea transformarii intermediarilor metabolici, atat in produsi finali cat si in

13

alti produsi sau energie, metabolismul poseda un caracter amfibolic, in sensul ca un intermediar poate fi utilizat atat in catabolism cat si in anabolism (degradare oxidativa=catabolism, biosinteza).

La nivelul tuturor organismelor vii exista o parte a metabolismului care asigura supravietuirea acestuia in conditii de repaus complet = metabolism bazal. Oricare manifestare a viului in afara repausului complet necesita o energie functionala (motrice) care necesita la randul sau un surplus energetic. Intr-o mare masura, procesele metabolice sunt supuse catalizei enzimatice si prin acestea substraturile sunt transformate in produsi de reactie. Atunci cand structura unui produs de reactie este apropiata de structura substratului, produsul de reactie poate actiona ca inhibitor competitiv la nivelul centrului activ enzimatic si astfel, procesul metabolic poate fi usor controlat, fara interventia altui compus, adica inhibitor = reglaj prin feedback / retroreactie.

Toate celelalte procese metabolice necesita pt reglare datorita prezentei enzimatice fie a activatorilor fie a inhibitorilor in vederea realizarii reglajelor metabolice.In procesele anabolice se realizeaza biosinteze de compusi organici necesari organismului viu. In catabolism se realizeaza degradarea oxidativa a compusilor organici exogeni/endogeni in vederea: obtinerii precursorilor pt biosinteze obtinerii potentialului de reducere necesar strict in biosinteze (nicotinamide si

flavine reduse preponderent ) obtinerea energiei chimice, metabolice sub forma de ATP obtinerea caldurii In desfasurarea proceselor metabolice este implicata energia metabolica sub forma

ATP. Din aceasta cauza, la nivel celular, in desfasurarea metabolismului trebuie sa existe un raport optim intre [ATP] / [ADP] si [AMP]. In genere, dpdv energetic se defineste incarcarea energetic adenilat ca fiind

proportionala cu cantitatea de ATP disponibila la un moment dat la nivel celular si in functie de acest parametru se consuma / se genereaza ATP. Incarcarea energetica adenilat optima la nivel celular este 0,9 si astfel atunci cand valorile sunt indepartate de 0,9 se realizeaza generare de ATP, in timp ce cand valoarea incarcarii energetice adenilat este aproape de 0,9 se utilizeaza ATP-ul.

Procesele de oxidare se pot desfasura in conditii aerobe / in conditii anaerobe si avem respiratie aeroba rsp anaeroba. In respiratia aeroba, la nivelul catenei de transport electronic, compusul final este

intotdeauna oxigenul molecular, care prin acceptare de electroni se transforma in

14

oxigenul anionic capabil sa puna in libertate H2O in prezenta protonilor. Ca produsi secundari in aerobioza alaturi de apa se inregistreaza si CO2. In respiratia anaeroba la nivelul catenei de transport, ultimul compus chimic nu este

[O] si acceptorul de electroni in acest caz este pe baza de S (sulf), CO2, NO3-,

Fe3+,Gly. Intre cele 2 mari procese metabolice, desfasurate in aerobioza si in anaerobioza se

desfasoara procesul metabolic numit fermentatie care este un proces catabolic desfasurat in absenta acceptorilor de electroni externi. In fermentatie nu se realizeaza un schimb de potential de reducere cu mediul deci nu exista catena de transport de electroni si la nivelul procesului fermentativ se obtin produsi in care coexista atomi de C in stare de oxidare ridicata (C oxidat) si rsp in stare de oxidare redusa (C redus). Printre produsii de reactie din fermentatie se intalnesc: metanul, succinatul, lactatul,

etanolul). Toti acesti compusi poseda atomul de C in stare redusa, iar CO2 ca produs final al fermentatiei are starea de oxidare pozitiva.

CICLUL ACIZILOR TRICARBOXILICI TCA (CICLUL CITRATULUI) / CICLUL KREBS

Procesele metabolice prin care AA (proteinele, zaharidele, lipidele) se transforma catabolic pana la CO2 si H2O, necesita transformarea intr-un metabolit comun=acetilul activat CH3-CO-SCoA, care ulterior necesita transformarea prin interm TCA (tricarboxilic acid) in vederea recuperarii energiei metabolice inmagazinate, dar si a intermediarilor metabolici. Ciclul TCA este deci calea comuna finala prin care compusii bogati energetic se transforma in CO2 si H2O si prezinta caracter universal. Procesul TCA se desfasoara la nivel mitocondrial unde exista echipamentul enzimatic necesar si se desfasoara in etape in care la sfarsitul fiecareia se obtin intermediari, plecandu-se de la acetilul activat. (vezi slide)

In metabolismul intermediar TCA ocupa un loc central si poseda atat caracteristici catabolice cat si caracteristici anabolice. Prin TCA, prin catabolism se degradeaza lipidele, zaharidele, proteinee, punandu-se in libertate CO2, H2O, N, iar intermediarii ciclului TCA pot fi utilizati in anabolism, adica biosinteze de lipide, zaharide, proteine, acizi nucleici, porfirine. = caracterul amfibolicPrin TCA se obtin nicotinamide in forma redusa si flavine in forma redusa la nivelul mitosolului si pt ca acestea se obtin din nicotinamide oxidate NAD+ si flavine oxidate FAD+, pt desfasurarea continua a procesului, este nevoie de eliberarea echivalentilor

15

de reducere pe catena respiratorie in scopul obtinerii energiei metabolice sub forma de ATP.

Metabolism

= suma tuturor reactiilor chimice care se produc intr-un organism

Anabolism= biosinteza unor molecule mai complexe din altele mai simple, care pot fi din propria celula sau din nutrienti proveniti din mediu

Catabolism= transformarea chimica

Organisme autotrofe si heterotrofe – sub de oralPe baza energiei solare si a unei molecule simple, autotrofii reusesc sa-si obtina propriile lor sisteme, biomolecule pe care sa le foloseasca in final.Heterotrofii necesita acesti compusi pt ca sa ii transforme in CO2, H2O.

Mitocondria = compartimentul esential in energetica celulei membr interna spatiul intermembranar membr externa matrice (spatiu intern mitocondrial)

Localizarea enzimelor in mitocondrie Membr externa

o monoaminoxidaza

o Acil-coenzimsintetaza

Spatiul intermembranaro adenilatkinaza

o sulfatoxidaza

Ciclul acizilor tricarboxilici – TCA = ciclul Krebs = ciclul acidului citric

16

TCA –ul are loc in celulele eucariote reprezentand legatura intre dif metabolisme (glucidice, lipidice, proteice) in care se obtine acetilCoA. Se realiz la nivel mitocondrial in majoritatea tesuturilor, in special in ficat.

Principala caracteristica a TCA-ului este caracterul amfibolic prin care utilizeaza intermediari din diferite procese dar este si furnizor al altor intermediari pt procese anabolice. Necesita acid oxalilacetic OA pt a se initia TCA-ul, OA regasindu-se integral in finalul ciclului.

Etapele ciclului 1. Etapa se realizeaza in prezenta citratsintetazei prin condensarea oxaloacetatului cu

acetilCoA (=acetil activat). Reactia este ireversibila (∆G<0) si este inhibata de prezenta ATP-ului si a NADH-ului in concentratii mari.

2. Acidul citric obtinut in etapa 1 se transforma in etape in acid izocitric (intermediarul este aconitatul/acidul aconitilic). Reactia se desfasoara in prezenta aconitazei. La echilibru, acidul citric reprez 89%, acidul aconitilic 3% si acidul izocitric 8%. Aconitaza = o metaloenzima care inglobeaza 4 atomi de Fe la 1 mol aconitaza. Aceasta etapa este lenta si este determinanta de viteza.

3. In prezenta izocitratdehidrogenazei din mitocondrii, acidul izocitric se transforma initial in acid oxalilsuccinic, care se decarboxileaza pana la acidul α-cetoglutaric. Procesul se poate realiza in prezenta coenzimei NAD+/NADP+. Coenzima NAD dependenta = activata de ADP si NADP = inhibata de ADP. In prezenta α-cetoglutaratdecarboxilazei a CoA si a NAD+ are loc transformarea acidului α-cetoglutaric in succinat activat (succinil-CoA).

4. In prezenta succinat tiokinazei STK, succinilCoA rezultata anterior formeaza in prezenta GDP (guanidindifosfatului) si a acidului fosforic H3PO4/ Pi se formeaza ac-ul succinic/succinatul. Ac succinic=ac dicarboxilic cu 4 at de C.∆G<0 => reactia este termodinamic posibila in sensul indicat. GTP-ul obtinut se poate retransforma in GDP prin transferarea unui rest de acid fosforic Pi pe molecula de ADP. GTP poate fi folosit in biosinteza de proteine.

5. Are loc transformarea acidului succinic in ac fumaric in prezenta succinildehidrogenazei SDH. SDH este FAD dependenta. SDH-ul = activata de acidul succinic+fumaric si = inactivata de acidul oxalilacetic.

6. Acidul fumaric se transforma in acid malic in prezenta fumarazei.7. Acidul malic se transforma in acidul oxalilacetic in prezenta

malatdehidrogenazei MDH NAD dependenta. Are loc regenerarea acidul

17

oxalilacetic care poate sa participe la alte cicluri TCA. Procesul are ∆G>0 deci este un proces endergonic.

Caracteristicile ciclului TCA toate etapele se desf la niv mitocondriei in alte zone ale celulei nu se produc fenomenele intalnite in ciclul acizilor

tricarboxiliciFormele reduse si oxidate ale NAD si NADP, FAD prezinta permeabilitate membranara si trecere relativ usoara intre citosol si mitosolTCA-ul furnizeaza energie metabolica, dar si intermediari specifici, adica: oxaloacetatul pt gluconeogeneza. oxaloacetatul si α-cetoglutaratul pt transaminari acizii citrici pt biosinteza acizilor grasi / a sterolilor prin interm acetilului activat acidul succinic pt biosinteza porfirinelor ac α-cetoglutaric in transaminare dar si in obtinerea glutaminei si a bazelor

azotate purinice ac oxaloacetic pt obtinerea bazelor azotate pirimidinice(vezi slide)

Bilantul energetic al TCATCA-ul are loc in etape prin oxidarea completa a unui mol de acetil activat prin transformarea intr-un compus cu 6 atomi de C, care sufera ulterior 2 etape de decarboxilare. Pt un ciclu TCA (1 mol acetil activat transformat) se obtin 3 moli NADH, 1 mol NADH2 si 1 mol ATP. NADH + H+ +1/2 O2+ 3ADP + 3Pi -> NAD+ +3ATP +4H2O3 mol NADH-> 3x3 = 9 mol ATP

1 mol FADH2 genereaza 2 moli de ATPFADH2 + ½ O2 +2 ADP +2Pi -> FAD + 2 ATP + 3H2O1 mol ATP => 1 mol ATP

Total: 12 moli ATP

glucoza => 2 piruvat => 2 cicluri TCA

Probleme: In ce compartiment se desf TCA si de ce?

In mitocondrie pt ca acolo sunt echipamentele enzimatice necesare si intermediarii.

18

In care etapa a TCA intervine acetilCoA rezultata din degradarea carbohidratilor si a acizilor grasi?

Intervine in reactia initiala pt a forma citratul (etapa 1)

Care proces din TCA este analog cu formarea acetilCoA din piruvat?Formarea succinat-CoA din α-cetoglutarat conform ecuatiilor de pe slide.

Indicati coenzimele transportoare de protoni si electroni participante la TCA. NADH, NADPH, FADH2

Cate perechi de electroni sunt transferate in timpul oxidarii totale a unui mol de acetil CoA?3 moli NADH => 6 H°

1 mol FADH2 => 2 H°

Total: 8 H° = 4 perechi de e-

METABOLISMUL ZAHARIDELOR AnabolismCatabolismZaharidele se gasesc in hrana sub forma de cele mai multe ori de polizaharide, dar organismul este capabil prin procese de neogeneza (gluconeogeneza) sa-si biosintetizeze zaharide din precursori/intermediari.Dpdv chimic: mono-, oligo-,polizaharide. Oligozah si polizah se obt prin condensare folosind cel putin 1 grupare OH glicozidica.

Digestia incepe in cavitatea bucala sub influenta amilazelor salivare care catalizeaza ruperea legaturilor glicozidice in prezenta apei. (amilazele fac parte din clasa 3). Aici polizah se transforma in oligozaharide. Cav bucala=>stomac=>ISAbsorbtie enterala.

Forma finala de transformare a zaharidelor este preponderent de glucoza. Glucoza obtinuta este distribuita tesuturilor in scopuri energetice de cele mai multe ori/depozitata sub forma de glicogen in ficat si muschi / transformata in lipide (lipogeneza).Glicogenul se obt din glucoza policondensata 1-4. Glucagon – hormon, antagonist insulino-hiperglicemiant Stimuleaza degradarea lipogeneticaGlutation = tripeptid, rol in detoxifiere

19

vezi tabel glicozidaze digestive tabel 5.1

Transferul activ al glucozei in fluxul sanguinSe realizeaza in prezenta unei proteine transportoare „carrier”, care leaga in

acelasi moment si glucoza si ionii de Na+. Trecerea la nivelul celulelor epiteliale intestinale se realizeaza utilizandu-se permeaza. Aceasta se afla la suprafata membranei (are caracter puternic hidrofil si favorizeaza eliminarea glucozei. In prezenta ATP-azei Na+ - K+ dependente se realizeaza cu consum energetic (din hidroliza ATP-ului) contra gradientului de concentratie eliberarea ionilor de Na.

Transportul se realizeaza prin vena porta catre ficat cu scopul transformarii in monozaharide si rsp glucoza.

Catabolizarea zaharidelorGlicogenul = o sursa de depozitare a glucozei la nivelul ficatului sau la nivel

muscular. In vederea mentinerii intracelular a glucozei, aceasta necesita fosforilare in prezenta hexokinazei / glucokinazei. Procesul este endergonic cu consum de ATP.(vezi slide)

Glicogenul=un polizaharid care contine legaturi α(1-4) si α(1-6) intre resturi de glucoza. In vederea transformarii glicogenului se realizeaza procese:

hidrolitice (cu obtinerea unui compus neionic difuzabil=glucoza) fosforolitice (prin activare cu H3PO4) si obtinere de compus ionic incarcat

electric care permite reglarea concentratiei de glucoza intracelulara.Hexokinaza are o specificitate mai larga, actioneaza asupra hexozelor pe care le fosforileaza.Km are valoare mica => are afinitate mare fata de hexoze in generalGlucokinaza are o specificitate absoluta, doar pt glucoza.Km are valoare mare => afinitate mica => [S] mareAE dependenta de [glucoza, insulina]

Degradarea glucozei se poate realiza fie in faza anabolica postprandial in toate tesuturile cu obtinere de ac piruvic care intra in TCA, fie catabolic intre mese sau in eforturi fizice / intelectuale in tesuturile glucodependente.(vezi slide)Cantitatea de glicogen muscular (2/3) > cantitatea de glicogen hepatic (1/3)Stocarea ca glicogenPresiunile osmotice pt o molecula de gliocgen si rsp una de glucoza sunt egale. Explicarea stocarii cu glicogen?

20

Este preferata stocarea glucozei ca glicogen a.i. sa nu existe o concentratie mare de glucoza libera. care ar determina presiuni osmotice f mari.

Procesele de biosinteza si de degradare ale glicogenului = f rapide si pornesc de la capetele nereducatoare. (vezi slide)Obs: in urma fosforilarii se mentin pozitiile α ale glucozei. Glucozo-1-fosfatul se transforma in prezenta fosfoglucomutazei in glucozo-6-fosfat. (vezi slide)Actiunea acestei enzime se realizeaza cu participarea ei efectiva la proces si trecerea printr-un compus intermediar difosforilat. (vezi slide)

Prezenta glucozo-6-fosfatazei in ficat, IS, rinichi favorizeaza transformarea glucozo-6-fosfatului in glucoza.=> Control hepatic glicemie In muschi si in creier nu exista glucozo-6-fosfataza, iar glucozo-6-fosfatul se utilizeaza doar in scop energetic.=> Functie exclusiv energetica.

Cai de catabolizare (vezi slide)Glucozo-6-fosfatul este intermediarul comun al catabolizarii glicogenului rsp glucozei si poate participa la diverse cai de metabolizare: glicoliza (aeroba, anaeroba), degradare pe calea pentozofosfatilor, degradare pe calea acizilor uronici. Produsii finali obtinuti pot fi dependent de calea urmata: acid piruvic, acid lactic, CO2+H2O, pentoze, acid glucuronic.

GLICOLIZA(vezi slide)Secventa Embden-Meyerhof-ParnasGlicoliza presupune degradarea anaeroba a hexozelor (nu necesita prezenta O2-ului), dar se poate desfasura si in prezenta O2-ului. = o varianta f rapida de a obtine energie.Se obtin ca produsi acid piruvic / acid lactic. Se desfasoara in toate celulele procariote si eucariote continuu dar cu intensitati diferite. Se obtin in procesele de aerobioza resturi de piruvat, care au proprietatea trecerii din citosol in mitosol cu obtinerea acetil-CoA. Se pot obtine ca produsi finali in exces de O2, CO2, H2O.(vezi slide) Procesul glicolitic=un proces citosolic, necesita enzime care de obicei sunt tiolenzime (E-SH)= in nr de 10 enzime. Conditii aerobe=> lactatConditii anaerobe=>piruvat=>decarboxilare oxidativa=>acetil-CoA=>TCA=>CO2+coenzime reduse (vezi slide)S-au observat ca exista 2 etape:

21

una consumatoare de ATP = etapa pregatitoare/premergatoare o alta etapa cu furnizare/eliberare de ATP = etapa energetica

La drojdii are loc fermentatia cu obtinere de piruvat, lactat si in final etanol.Etapa preparatoare (vezi slide)Etapa energetica (vezi slide)

Reactiile din glicolizaEtapa 1Se realizeaza in prezenta glucokinazei transformarea glucozei in glucozo-6-fosfat cu consum energetic. (vezi slide)Km mare=>afinitate mica, procesul fiind influentat de cresterea [glucoza] postprandial, cresterea [insulina], [Mg2+]. Procesul este ireversibil, compusul obtinut tinzand sa ramana in celula.

Etapa 2In prezenta fosfoglucoizomerazei PGI se realizeaza prin mecanism acido-bazic transformarea glucozo-6-fosfatului in fructozo-6-fosfat. (vezi slide)Prin mecanism acido-bazic pt ca enzima poseda resturi de Histidina si Lisina. Se explica prin ionizari la niv centrului activ al histidinei si lisinei dependent de pH.

Etapa 3 (vezi slide)Fructozo-6- fosfatul trece in fructozo1-6-difosfat/bisfosfat in prezenta fosfofructokinazei (kinazele=cu transfer de resturi de H3PO4).Enzima este dependenta de diferiti cofactori (=enzima alosterica). Cresterea [AMP] si [cAMP] favorizeaza procesul, iar cresterea de [ATP] (bogatia energetica celulara) inhiba procesul. Mult AMP => celula =saraca in energie => stimuleaza procesul energetic.(vezi slide) cu graficeCitratul = un alt efector enzimatic cu rol sinergic(=actioneaza in aceeasi directie) ATP-ului.Trecerea in 1,6=etapa determinanta de viteza si implicit controleaza glicoliza.

Etapa 4In prezenta aldolazei are loc transformarea unei structuri cu 6 atomi de C (fructozo-1-6-bisfosfat) in 2 trioze. (vezi slide)Echilibru dinamic – preferinta pt forma aldehidica

22

Chiar daca doar 89% se gaseste forma bisfosfat si 11 % trioze , procesul este deplasat spre dreapta, deoarece triozele formate se consuma in procesele urmatoare de glicoliza.

Etapa 5Are loc oxidarea si formarea compusilor macroergici de tip 1,3-difosfoglicerat/ acid 1,3-difosfogliceric. (vezi slide) Proces endergonic. ∆G >0Procesul are loc in prezenta gliceraldehid dehidrogenazei NAD dependente. Etapa 6 In prezenta unei mutaza acidul 1,3-difosfogliceric se transforma in acid 2,3-difosfogliceric. Procesul are loc in special in eritrocite, favorizand transportul O2-ului si eliminarea acestuia din complexul cu Hb.Aprox ¼ din ... (vezi slide)

Etapa 7In prezenta fosfoglicerokinazei PGK are loc un proces exergonic de preluare a unui rest de H3PO4 de pe acidul 1,3-difosfogliceric pe ADP cu fomarea ATP-ului. Efector alosteric = Mg2+

(vezi slide)

Etapa 8In prezenta fosfogliceromutazei PGM are loc transferul restului de H3PO4 din pozitia 3 in poz 2 (clasa: izomeraze) (vezi slide)

Etapa 9In prezenta enolazei se obtine fosfoenolpiruvatul (oxidoreducere intramoleculara)Activare – ionii de Mg2+/Mn2+

Inhibare - F- (fluoruri)

Etapa 10In prezenta piruvatkinazei PK se obtine in etape acidul piruvic.Activator: insulinaInhibitori: ATP, Ala, glucagon, acetil activat

23

Degradarea completa a glucozeiComporta 2 serii de reactii:(vezi slide)

Acidul piruvic se poate transforma in acid lactic in prezenta lactatdehidrogenazei NAD dependente. Acumularea acidului lactic in muschi determina oboseala, rigiditate, disconfort. Tesuturi glicolitic dependente: embrionare, neoplazice, retiniene.

Eritrocitele nu prezinta mitocondrii, procesul avand loc cu scopul regenerarii formei NAD+. La nivel hepatocitar acidul lactic poate sa treaca in acid piruvic care participa la procese de gluconeogeneza. (din compusi mici se obtin compusi mari). (vezi slide)

In mitocondrie se obtine acetil-CoA in prezenta piruvatdehidrogenazei NAD dependente si cu implicarea CoA reduse. Procesul este activat de tiaminpirofosfat TPP. Se intalneste in procesele de decarboxilare ale α-oxoacizilor (vezi degradarea acizilor grasi). Acetilul activat = rezistent la procesele de oxidare si participa la TCA cu formare de CO2 si atomi de H.

Bilantul energetic(vezi slide)4 NADH = 4 x3 ATP = 12 mol ATPATP eliberat ca atare = 28 mol ATPATP consumat in glicoliza - 2 mol ATP

Total/mol glucoza oxidata = 38 mol ATP

Glicoliza presupune atat: reactii spontante ireversibile ∆G<0 (vezi slide) cat si reactii nespontane reversibile ∆G>0.

(vezi slide)

Efect Pasteur Atunci cand se discuta de suprimarea totala/partiala a glicolizei in prezenta [O]. Se foloseste ca alternativa in acest caz respiratia oxidativa, deoarece are loc inhibarea tiol-enzimelor.

24

Efect Pasteur inversatIn prezenta O2-ului nu este inhibata glicoliza, dar este inhibata respiratia aeroba.Ex. in cazul celulelor tumorale/embrionare.Sub oral: degradarea glucozei in fungi(vezi slide)

Calea pentozofosfatilorSe realizeaza in citosol la nivel hepatic, renal / mamar. Se obtin pentoze dar si NADPH. = un proces exergonic, important in fagocitoza in etapele oxidative. Se bazeaza pe transformarea glucozo-6-fosfatului in pentozo-5-fosfat +CO2.(vezi slide)Utilizarea NADPHului in biosinteze reductive, in activitati bactericide.(vezi slide)NADPH-ul favorizeaza obtinerea radicalilor liberi ai O2-ului ROS care sub forma de superoxid si in prezenta superoxiddismutazei formeaza H2O2.

Reducerea G-S-S-G eritrocitar: anemia hemolitica.Apa oxigenata se poate transforma in apa prin mecanisme proprii in prezenta glutationperoxidazei si a glutationului=> glutationul=factor de protectie. (vezi slide)

Importanta (vezi slide)

Dpdv energetic se furnizeaza 36 moli ATP pe 1 mol de glucoza (nu mai sunt 38 pt ca nu este consumatoare de ATP).

Calea acizilor uroniciCu importanta in:

detoxifiere in biosinteza vit C: gulonolactona, gulonolactonoxidaza sinteza mucopolizaharidelor

Glucoza activata cu UDP sufera transformare in acid glucuronic in prezenta UDP-glucozo dehidrogenazei NAD dependente. = un mecanism ping-pong, cu participarea resturilor de Lys, Cys din centrele/situsurile active.(vezi slide)

25

= imp in sinteza vit C / ac ascorbic cand, in etape, din glucoza se obt ac glucuronic si apoi ac ascorbic. Lipsa genetica a gulonolactonoxidazei determina imposibilitatea obtinerii vit C si necesitatea de a avea aport exogen al acestei vitamine.

scorbut: fragilitate capilara, tegumentara, sangerari ale gingiilor(vezi slide)

Catabolizarea altor hexozeContrar glucozei, fructoza se metabolizeaza in celule musculare / tesuturile adipoase, in absenta insulinei. Metabolismul fructozei=preferential hepatic.Fructoza poate sa urmeze 2 cai:

glicoliza glicogenogeneza

(vezi slide)Fructoza se transforma in fructozo-1-fosfat in prezenta fructokinazei si a ATP-ului. In prezenta fructozo-1-fosfat aldolazei se obtin 2 trioze (gliceraldehida+dihidroxiacetonfosfat). Intr-o etapa succesiva se obtin molecule de gliceraldehid-3-fosfat care participa la secventele de glicoliza.

Sub oral: discutati dif de metabolizare ale fructozei in muschi si rsp ficat.In muschi se remarca o cantitate mare de hexokinaze, spre deosebire de ficat, unde hexokinaza HK se afla in cantitati mici.

In lipsa totala a HK se discuta despre intoleranta la fructoza=boala genetica.

Sub: care = leg dintre diabet si fructoza?In cristalin si in veziculele seminale se poate obtine fructoza din glucoza printr-o etapa de sorbitol (hexitol). Spermatozoizii utilizeaza in scopuri energetice fructoza din lichidul seminal. Conversia glucozei in fructoza in cristalin se realiz doar la concentratii f mari ale glucozei.In diabetul zaharat se acumuleaza sorbitol la nivelul cristalinului, care determina legari cu molecule de apa si instalarea retinopatiei si a cataractei diabetice.Sorbitulul = implicat in declansarea neuropatiilor si nefropatiilor si inhibarea ATP-azelor.

Galactoza sufera transformare in galactozo-1-fosfat care in prezenta UDP-glucozei determina formarea UDP-galactozei. Procesul continua prin epimerizare (4-

26

epimeraza) cu formarea glucozo-1-fosfatului care participa la procese glicolitice. (vezi slide)sub oral:metabolizarea galactozeiGalactozemia se intalneste cand exista deficit enzimatic genetic care determina cresterea concentratiei de galactoza in plasma, eliminarea galactozei in urina si se manifesta prin retard mintal.Obtinerea alcoolului- galactic / galactitolului determina preluarea moleculelor de apa, uscarea, opacizarea cristalinului si formarea cataractei.

Manoza nu necesita activare sub forma de UDP-manoza pt intrarea in glicoliza, ci se transforma rapid in glucozo-6-fosfat si rsp fructozo-6-fosfat.(vezi slide)

Anabolizarea/biosinteza zaharidelor In general, zaharidele sunt preluate prin alimentatie, daca organismul este

capabil sa-si biosintetizeze in functie de necesitati glucoza, oligozaharide, glicogen.Glicogenul, polizaharid de rezerva, prezinta roluri diferite in functie de localizare: glicogenul hepatic participa la reglarea glicemiei glicogenul muscular este implicat la nivel local pt satisfacerea necesarului de

glucozaGlicogenoliza = procesul care e implicat in furnizarea de glucoza Glicogenosinteza = procesul prin care excesul de glucoza este preluat si stocat in vederea utilizarii ulterioareSinteza glicogenului= proces endergonic, care necesita ca intermediari glucozo-1-P.Glicogenoliza si glicogenosinteza se afla in permanenta interdependenta (control hormonal).Biosinteza glicogenului necesita pt initiere fie un rest mai mic de glicogen, fie glicogenina = o glicoproteina caracterizata prin prezenta unui rest de Tyr.Biosinteza necesita 2 enzime specifice care favorizeaza formarea legaturilor glicozidice. Pt legaturile α(1-4) glicogensintetaza si pt α(1-6) enzima de ramificare amino – α – 1,4 – 1,6 transglicozidaza.

In etapele de biosinteza initial sunt necesare activari cu compusi macroergici in cazul nostru glucozo-1-P se activeaza in prezenta UTP-ului.Glucozo-1-P + UDP => Glucoza-UDP + PPiPPi => 2Pi (vezi caiet)

In urmatoarele etape forma activata a glucozei interactioneaza cu resturi nereducatoare ale glicogenului in prezenta glicogen-sintetazei. Daca nu exista resturi

27

de glicogen disponibile pt procese intense de sinteza de glicogen mai mare se utilizeaza glicogenina. Se realizeaza transferul unui rest glicozil de pe UDP-glucoza pe gruparea OH a Tyrosinei, procesul fiind autocatalizat.Pt ramificarea glicogenului se realizeaza legaturi ale unor resturi oligozaharidice cu aprox 7 resturi de glucoza pe o catena de baza de glicogen in formare. S-a observat necesitatea unui minim de 4 resturi glucoza intre ramificatii.Controlul hormonal al glicemiei se realizeaza prin insulina, glucagon, TSH etc.

Factorii care influenteaza glicemiaInsulina actioneaza f rapid la nivel hepatocitar stimuland activitatea enzimatica a glicogensintetazei si favorizand glicogenosinteza. Glucagonul actioneaza in hipoglicemie favorizand glicogenoliza. Adrenalina actioneaza in conditii de stres activand adenilatciclaza care favorizeaza cresterea concentratiei de cAMP implicat in glicogenoliza si glicoliza. Asemanator se intampla si in efortul fizic.

AMP-ul muscular este implicat in asigurarea necesarului de ATP care determina cresterea activitatii glicogenfosforilazei. AMP-ul si glucoza actioneaza antagonic in prezenta glicogenfosforilazei. Activarea adenilatciclazei se realizeaza in prezenta glucagonului si adrenalinei cu favorizarea prin intermediul cAMP a lizei glicogenului hepatic.

La nivel muscular are loc activarea glicogenolizei si a glicolizei cu formarea lactatului. AMP-ul actioneaza ca un activator alosteric activand glicogenoliza. La nivel muscular lipseste glucozo-6-fosfataza. Astfel glucozo-6-P intra in procese de glicoliza cu furnizare de energie.

La nivelul ficatului exista enzima glucozo-6-fosfataza a.i. glucozo-6-P participa la reglarea glicemiei prin obtinere de glucoza. In ficat se manifesta actiunea insulinei care determina activarea glicogenosintetazei => diminuarea glicogenolizei =>scaderea glicemiei. Postprandial la ingestii mari de glucide glucoza hepatica actioneaza ca inhibitor al glicogenfosforilazei.

Gluconeogeneza = biosinteza glucozei din compusi neglucidici: acid lactic, Ala, glicerina. Are loc la nivel hepatocitar, renal, creier, muschi. Procesul are loc atunci cand exista o epuizare a glicogenului hepatic. F slab postprandial si accelerare in post. Gluconeogeneza = un proces endergonic invers glicolizei facand apel la utilizarea acelorasi sisteme enzimatice.

28

Activator: cortizol, lactat Inhibitor: insulina

Etapele = similare glicolizei pornind de la acidul fosfoenolpiruvic si pana la fructozo-1,6-difosfat. Procesul este f puternic endergonic, insulina actionand ca dezactivator enzimatic, cortizonul fiind activator.

Dpdv energetic pt obtinerea unui mol de glucoza se consuma 6 moli ATP (vezi slide). Majoritatea AA participa la biosinteza glucozei adica sunt gluconeogeni. Cei mai utilizati in biosinteza glucozei = Ala, Ser, Gly. Acestia se transforma prin transaminare in piruvat care sufera procese de carboxilare (in prezenta ATP-ului) cu transformare in acid oxalilacetic O.A.

In prezenta GTP-ului are loc transformarea O.A.-ului in fosfoenol piruvat PEP (vezi slide). PEP-ul se transforma in cataliza fosfoenolpiruvatcarboxilkinazei in oxaloacetat. (vezi slide) Transformarea piruvatului in oxaloacetat se realiz in mitosol in prezenta piruvatcarboxilazei biotindependente. Acetilul activat obtinut din degradarea acizilor grasi este inhibitor al piruvatdehidrogenazei. Reactia de transformare a piruvatului in PEP este reversibila si depinde de concentratia de acid piruvic si de raportul ATP/ADP. Fructozo-1,6-difosfataza catalizeaza transformarea fructozo-1,6-difosfatului in fructozo-6-P. Enzima este inhibata de AMP si activata de ATP. Pt transformarea in glucoza, glucozo-6-P-ul necesita prezenta glucozo-6-fosfatazei(prezenta pe membrana reticului endoplasmatic hepatocitar. Din aceasta cauza ficatul este furnizorul de glucoza. Transformarea glucozo-6-fosfatului in glucoza/glicogen depinde de concentratia glucozei din sange si rsp concentratia glicogenului hepatic.

Ala favorizeaza transformarea in glucoza prin piruvat cu cea mai mare viteza. Actioneaza prin dezactivarea piruvatkinazei. Ala se poate transforma prin transaminare in acid piruvic si acid glutamic (GPT). Ala participa la vehicularea azotului proteic in ureogeneza.

Acidul lactic se transf in piruvat in hepatocit care se poate transforma ulterior in oxaloacetat si PEP. Transf in ac piruvic se realizeaza in prezenta lactatdehidrogenazei LDH.

Oxaloacetatul este intermediar in TCA si gluconeogeneza. In deficit de ATP se favorizeaza TCA-ul si in surplus de ATP oxaloacetatul se transforma in glucoza prin gluconeogeneza.

29

Oxaloacetatul necesita transformare in malat in prezenta malatdehidrogenazei NAD dependente. Oxaloacetatul trece din matricea mitocondriala in citosol, unde reformeaza oxaloacetatul.In prezenta PEPcarboxilkinazei oxaloacetatul citosolic in PEP, realizandu-se simultan o decarboxilare si o fosforilare. Obs: procesul este intalnit in TCA, in calea pentozofosfatilor si in biosinteza acizilor grasi.Legatura dintre ciclul TCA, glicoliza si gluconeogeneza = oxaloacetatul. (vezi slide)

Implicarea lipidelor in procesul de gluconeogenezaGlicerina se obtine prin hidroliza TG, PL la nivelul tesutului adipos. Glicerina se poate transforma succesiv prin fosforilare si dehidrogenare in dihidroxiacetonfosfat, care participa in glicoliza sau gluconeogeneza.

Biosinteza dizaharidelor = utilizata ca hrana a puilor = biosintetizata de mamifere in glanda mamara Lactoza= beta-gal si alfa/beta – glu (1,4)Procesul este endergonic consumandu-se 3 moli ATP pt biosinteza 1 mol de lactoza.Glucoza se transforma succesiv in glucozo-1-P. Glucozo-1-P –ul poate epimeriza dupa o activare cu UTP cu formarea galactozo-UDP-ului.

Galactozo-UDP-ul format reactioneaza cu o parte din glucozo-1-P cu formarea lactozo-1-P-ului.

Reglarea metabolismului zaharidelorSe realizeaza tinand cont de procesele de biosinteza, degradare si absorbtie, rolul important avandu-l ficatul.

METABOLISMUL LIPIDELOR (vezi slide)Triacilgliceroli = forme majore de stocare a energiei metabolice la animaleColesterolulAc arahidonicComplexele glicolipidice si fosfolipidice Vitamine liposolubile Unii hormoni

Dupa natura chimica, lipidele se impart in:

30

saponificabile (esteri si amide): gliceride, fosfogliceride, sfingolipide, ceruri nesaponificabile: aldehide superioare, alcooli superiori, acizi grasi, terpene,

carotenoiziTriacilglicerolii functioneaza ca lipide de rezerva .TG pot fi de natura:

exogena endogena.

Prin ardere degaja cantitati mari de energie. Cantitatea de energie furnizata la arderea lipidelor = de 2 ori mai mare decat cea obtinuta la arderea glucidelor / proteinelor.

Sub oral: 1. care este dif dintre cant de energie furnizata la arderea unui zaharid cu 12 at de

C fata de arderea unui ac gras cu 12 at de C.CH3-(CH2)12-COOH +O2=> CO2+ H2OC6H12O6 + C6H12O6=> C12H22O11 + H2O C12H22O11 + O2=> CO2 + H20

Gradul de ox la ac gras e mai mic, la zaharid = mai mare.Q1>Q2

2. Cant de grasime inmagazinata de aprox 6 ori mai multa energie decat aceeasi cant de glicogen hidratat.Lipidele nu sunt polare nu au capacitatea de hidratare, lipsa de leg de H cu apa.

Forma de vehiculare a lipidelor este in general de particule lipoproteice.Prin acizi grasi care=transp prin interm albuminelor=proteine solubile, multe, mici.

Digestia lipidelorNecesita emulsionare prin formare de micele in prezenta unor structuri amfifile: acizi biliari, saruri biliare. La nivelul stomacului, lipidele nu sunt emulsionate, digestia are loc f redus, grasimile din lapte = cele modificate aici. Lipazele=imp in alimentarea sugarilor. Sediul central al digestiei lipidelor = ISSucul intestinal = dotat in esteraze, care catalizeaza hidroliza esterilor. Sucul pancreatic contine lipaza. Bila determina neutralizarea aciditatii chimului alimentar si emulsionarea lipidelor. (vezi slide)

31

In urma digestiei TG se obtin mono-, digliceride si acizi grasi care au capacitatea de a strabate bariera intestinala.Obs: se pot realiza si recombinari, resinteze ale acizilor grasi obtinuti anterior cu glicerina/gliceridele.Esterii colesterolului pot fi hidrolizati cu formarea componentelor de baza. Acizii grasi inferiori obtinuti pot traversa bariera intestinala si pot fi absorbiti ca atare. Acizii grasi se leaga de albumina serica in vederea transportarii la ficat/tesuturile adipoase.Pt lipide exogene – CMPt particule endogene – VLDLProcesul de hidroliza al TG este activat de catecolamine, glucagon, ACTH. Glicerina obtinuta participa la procese de gluconeogeneza/ glicoliza. (vezi slide)Lipoproteinlipaza = enzima care catalizeaza hidroliza TG-urilor de CM si VLDL. Se discuta despre hiperlipemie esentiala in cazul in care apare un deficit genetic de lipoproteinlipaza. (vezi slide)

Catabolismul lipidelor La nivelul ficatului au loc procese de catabolizare si anabolizare. Aici au loc procese de transformare preferentiala a acizilor grasi saturati in acizi grasi nesaturati. Sub posibile: beta-ox ac stearic, oleic...Ac linoleic si linolenicul nu sunt biosintetizati in organism = esentialiAc arahidonic sunt biosint din acid linoleic, precursori PL.

Pot sa participe la procese de α, β, ω - oxidare dependent de structura. Cea mai imp: β-oxidarea la nivel mitocondrial. Se obtin ca intermediari: α, β, ω hidroxiacizi.In α–oxidare scurtarea catenei acizilor grasi se realizeaza cu un at de C eliminat sub forma de CO2. In β-oxidare se elimina la un ciclu 2 at de C sub forma de acid acetic, acetil CoA.ω-oxidarea se aplica in general atunci cand oxidarile au loc la catena scurta a acizilor grasi (in special in plante), rezultand acizi dicarboxilici.

Procesul de oxidare consta in 3 etape:1. de α, β, ω - oxidarea cu formarea preponderent a acetil-CoA2. degradarea acetil-CoA prin participare la TCA cu formare de CO2 si coenzime

reduse NADH, FADH2..3. oxidarea coenzimelor reduse in lantul respirator cuplata cu participarea la

fosforilarea oxidativa (determina formarea si inmagazinarea energiei sub forma de ATP).

32

Catabolismul acizilor grasi prin β-oxidare (ciclul Lynen)1. Etapa necesita activarea acizilor grasi la nivel citoplasmatic sub influenta CoA.

Procesul necesita consum energetic (pe baza hidrolizei ATP-ului) si determina formarea tioesterilor coresp acizilor grasi (=compusi macroergici). (vezi slide)PPi (pirofosfatul) obtinut poate participa la procese hidrolitice cu obtinerea unei energii suplimentare. PPi+ H2O=> 2H3PO4 + QActivarea acidului gras se realizeaza in afara mitocondriei, deoarece esterul nu poate traversa ca atare bariera membranara interna. Astfel este necesara implicarea carnitinei = betainei cand se formeaza acil-carnitina. (vezi slide)

Sunt importante pt pasajul membranar carnitinaciltransferazele I si II. Dupa reformarea carnitinei in mitosol, aceasta trece inapoi prin membrana mitocondriala cu ajutorul translocazei. Procesul = endergonic cu consum de ATP.

2. Dehidrogenarea acil-CoA in prezenta coenzimelor FAD. Se formeaza enoil-CoA coresp.

3. Se aditioneaza apa la enoil-CoA in prezenta unei hidrataze. Se obtine β-hidroxiacil-CoA (vezi slide)

4. Are loc dehidrogenarea β-hidroxiacidului, obtinandu-se β-cetoacidul coresp in prezenta coenzimelor NAD. (vezi slide)

β-cetoacidul in prezenta CoA reduse se transforma in acetil-CoA si acil-CoA coresp cu 2 atomi de C mai putin.Acetil-CoA obtinuta participa la TCA impr cu oxaloacetatul, iar acil-CoA obtinuta participa la alte cicluri de degradare. Procesul se continua pt ale cicluri de degradare, dar sarind peste etapa 1 pt ca enzima este deja activata si in interior. Acidul acetic nu exista liber ca atare ci sub forma de acetil-CoA. Acizii organici cu nr impar de at C sunt degradati pana la acid propionic. Acesta capteaza o molecula de CO2 care det formarea ac metil-malonic. Acesta poate sa sufere procese de transformare in acid succinic, care fie intra in ciclul TCA, fie prin transformarea in succinil-CoA participa la biosinteza porfirinelor/in gluconeogeneza. (vezi slide)

Bilantul energetic la catabolizarea acizilor grasiLa transf prin oxidare a unui mol de acid cu n atomi de C, bilantul energetic este 17n/2 – 7. Ac palmitic CH3-(CH2)14-COOH n=16 17n/2-7=17*16/2-7Daca acidul gras = mononesaturat, bilantul energetic este 17n/2 – 9 (ex. ac oleic)

33

Eficienta de conservare a energiei la oxidarea acizilor grasi Se are in vedere pt oxidarea acizilor grasi nesaturati participarea la procese normale de β-oxidare pana langa legatura dubla, transformarea structurii din cis in trans si continuarea proceselor de β-oxidare (cu lipsa unui proces de dehidrogenare in prezenta FAD).

Catabolizarea acizilor grasi α-ramificati Are loc prin procese de β-oxidare cu formarea unui rest de propionil-CoA, care participa la sinteza porfirinelor, gluconeogeneza. (vezi slide)Propionil-CoA se transforma in metilmalonil-CoA prin acceptarea unui mol de CO2, aceasta se transforma mai departe in succinil-CoA in prezenta metilmalonilmutazei (enzima este activata de vit B12). Succinil-CoA participa la TCA in vederea degradarii finale.

Catabolizarea acizilor grasi β-ramificatiProcesele de degradare se realizeaza pe o cale ocolita, obtinandu-se un β-cetoacid alaturi de acetil-CoA.(vezi slide)

Catabolizarea acizilor grasi prin α-oxidare (peroxizomi)Se desfasoara preponderent in plante; oxidarea se realiz la poz α fata de gruparea tio-ester. Etapele de lucru sunt asemanatoare cu obtinerea unui mol de CO2 + a unui acid gras cu 1 atom de C mai putin decat cel initial.Procesul se desfasoara in absenta CoA in peroxizomi. Exista posibilitatea combinarii proceselor de α-oxidare cu β-oxidare.Nu este necesara prezenta carnitinei.Fitolul= ac gras prezent in plante, poate fi preluat de rumegatoare si ulterior de om. Daca procesul de degradare nu este continuat, acidul fitinic obtinut ca intermediar se poate acumula, determinand probleme neurologice. (vezi slide)

ω-oxidarea acizilor grasiSe bazeaza pe transformarea acizilor grasi in acizi dicarboxilici prin oxidarea ultimului atom de C. Procesele de degradare ulterioare se pot realiza de la ambele grupari carboxilice, procesul fiind f rapid. Necesita pt transformare in acid dicarboxilic prezenta oxigenului molecular. (vezi slide) Porcesul are loc in microzom.

34

Cetogeneza si cetolizaEx de corpi cetonici:ac acetoacetic, acetona, ac β-hidroxibutiric.Corpii cetonici reprez echivalentii solubili ai acizilor grasi. Se pot obtine din acetil-CoA sau prin transf din ac ceto-butiric in ac β-hidroxibutiric (in prezenta coenz reduse NADH).

Acidul acetic activat= degradat in cea mai mare parte prin TCA. Se obtine usor β-hidroxibutiratul. Acetil-CoA participa la acetilarea colinei cu formarea acetilcolinei / a glucozaminei cu formarea acetilglucozaminei.

AcetoacetatulSe poate reduce in β-hidroxibutirat in mitocondrie in prezenta hidrogenazei/ dehidrogenazei NAD dependente. Dupa un proces de condensare aldolica cu 1 mol de acetil-CoA au loc procese de degradare cu refacerea acetil – CoA si a acetoacetatului.

β-hidroxibutiratulPoate sa participe la procese de β-oxidare si formare de acetil-CoA. Poate sa participe la procese de decarboxilare cand din forma cetonica a acidului se obtine acetona.Corpii cetonici prezinta solubilitate in apa fiind eliminati si prin urina. Transportarea corpilor cetonici din ficat in circuitul exterior se realizeaza in vederea utilizarii acestora in procese de ardere. Ficatul nu poseda echipament enzimatic necesar activarii corpilor cetonici. De aceea ei sunt folositi cu rol energetic in mm scheletici, miocard, creier, rinichi.

CetogenezaSe desf in ficat, = un proces normal.= crescuta, f crescuta in infometare (deficienta celulara glucidica) sau in diabet (apare cetogeneza patologica cetoza).Intr-un regim alimentar bogat in glucide se obtine o cantitate mare de CO2 si cantitati de coenzime reduse NADH si FADH2. Se observa accentuarea proceselor de degradare a corpilor cetonici, impiedicand acumularea acestora. Intr-un regim alimentar sarac in glucide, corpii cetonici obtinuti in ficat sunt putin utilizati iar excedentul apare in circulatie.

35

Cetogeneza patologica= un proces de adaptare la variatiile de concentratie de glucide. Glucoza nu poate intra in celule pt degradare, iar organismul va utiliza grasimile stocate pt furnizare de energie. Utilizarea excesiva a lipidelor si protidelor/proteinelor endogene pt o obtinere de energie si compensarea deficientei de glucide conduce la cetoza.Astfel sunt eliberate cantitati mari de acizi grasi liberi. Acilul activat hepatic poate participa la obtinere de TG sau β-oxidare.Atunci cand concentratia de citrat = mica, au loc scaderi ale concentratiei de malonil-CoA, care determina defavorizarea sintezei de TG.

Biosinteza acizilor grasi= un proces invers β-oxidarii, se realiz in special pt obtinerea acizilor neesentiali, nesaturati Mecanismul consta in elongarea, marirea catenei de baza cu cate 2 atomi de C. Astfel acidul initial activat reactioneaza cu acetil-CoA formand o structura cu o grupare ceto suplimentara. Aceasta structura se hidrogeneaza in prezenta coenzimelor NAD dependente formand un hidroxiacid.

In etapa urmatoare se elimina o molecula de apa si apare o leg dubla in poz beta. Procesul poate continua cu o noua hidrogenare si formarea unui acid gras cu 2 atomi de C mai mult. Procesul are loc pe cale mitocondriala. Sursa principala pt biosinteza acizilor grasi o reprez glucidele prin acidul piruvic obtinut ca intermediar. La nivel mitocondrial se obtine citratul care apoi trece in spatiuil extramitocondrial, eliberand acetil-CoA. Legatura intre metabolismul acizilor grasi si metabolismul glucidelor este acetil-CoA, care poate sa sufere transformari cu obtinerea corpilor cetonici, acidului citric, malonil-CoA etc.

Anabolismul acizilor grasi nesaturati Se realiz in special in plante si in unele microorganisme. In cazul animalelor se pot biosintetiza acizi grasi cu o legatura dubla in citosol in conditii aerobe. E vorba despre o dehidrogenare => procesul = NAD dependent. (vezi caiet)Obtinerea acizilor grasi mononesaturati necesita utilizarea citocrom-b5 cu rol in transportul de electroni. Se realiz in prezenta citocromreductazei si stearil – CoA- desaturazei.

36

METABOLISMUL TG (triacilgliceridelor)Se intalnesc preponderent in tesutul adipos, desfasurandu-se atat la acest nivel cat si in ficat.Lipoliza (catabolismul gliceridelor) se realizeaza pe mai multe cai. In organism se utilizeaza hidroliza enzimatica in prezenta lipazelor (in special pancreatice). Se obtin diacilgliceroli, monoacilgliceroli, glicerina si acizi grasi.Acizii grasi obtinuti pot fi vehiculati prin plasma cu albuminele si transformati la nivelul celulelor periferice cu scop energetic sau pot participa la biosinteza unor noi triacilgliceride care pot fi depozitate sau pot suferi transformari care in final sa determine obtinere de ATP.

Lipoliza se afla sub controlul proteinkinazei A dependenta de AMP-ul ciclic. Catecolaminele si glucagonul favorizeaza procesele de lipoliza. Insulina, prostaglandina E si metil-xantinele (teofilina, cafeina) favorizeaza insa biosinteza TG = factori antilipolitici.

METABOLISMUL AA SI PROTEINELOR(Albuminele= sis tampon; regleaza p osmotica)Digestia proteinelor presupune proteoliza in prezenta enzimelor proteolitice specifice de la nivelul sucului intestinal, pancreatic. In general alimentatia furnizeaza forme proteice, fiind saraca in AA liberi. De aceea organismul necesita etape suplimentare care sa favorizeze digestia proteinelor ingerate in vederea absorbtiei sub forma de AA care sa fie utilizati conform necesitatilor specifice organismului.Se discuta in organism de o rata de refacere a proteinelor. Aceasta variaza de la cateva ore (pt enzime) la cateva zile (proteine hepatice) si cateva zeci de zile (proteine musculare si din tesuturile conjunctive).

Digestia proteinelor incepe la nivelul stomacului in prezenta peptidazelor din sucul gastric. Exista forme de zimogeni inactivi, care se activeaza in functie de necesitatile organismului prin proteoliza limitata (=ruperea unei catene din macromolec pt a etala centrul catalitic). In general actioneaza endopeptidazele cu scopul obinerii polipeptidelor.Pepsina nu catalizeaza hidroliza keratinelor. Acestea trec mai departe netransformate in intestinul gros si sunt eliminate prin fecale. Chimosina = o enzima cu specificitate la nivelul stomacului in special la mamiferele tinere in etapa hranirii cu lapte. Actioneaza in primele luni de viata la pH acid, cand inca pepsina nu este suficient de activa.

37

Polipeptidele si peptidele obtinute in aceasta etapa la nivelul stomacului trec in duoden si sunt supuse hidrolizelor enzimatice in prezenta enzimelor pancreatice. Datorita pH-ului bazic local se activeaza endopeptidaze pancreatice: tripsina, chimotripsina si se obtin peptide mai mici.

Ulterior actioneaza si exopeptidazele in special spre capatul C-terminal. Se obtin AA liberi si peptide mai mici. La nivelul IS actioneaza aminopeptidaze, carboxipeptidaze, dipeptidaze, obtinandu-se AA constituenti.

La nivelul IG exista alte enzime care provin din flora microbiana. Caile de degradare ale AA urmeaza in general 3 etape:

deaminari desulfurari decarboxilari

obtinandu-se in final amine biogene (cadaverina, putresceina), fenoli, CO2, hidrogen sulfurat / ac sulfihidric H2S, NH3.

Absorbtia AA se realiz la nivelul peretelui intestinal dupa o prealabila fosforilare in prezenta ATP-ului. S-a observat ca formele L ale AA sunt preponderent absorbite. (formele D sunt prez in peretele membranar al bacteriilor).Dependent de natura AA s-a observat ca unii sunt absorbiti mai greu (Leu, Ile, Met, Thr) si altii mai usor (cu v mai mare): Asp, Gln. Absorbtia AA la organismele tinere = mai usoara decat la cele adulte. Prin v porta, AA ajung la ficat, unde participa la biosinteza proteinelor proprii sau la formarea altor compusi necesari sau sunt transportati in muschi. AA sunt in general de tip α, constatandu-se prezenta a 20 AA standard.Dependent de prezenta in hrana si posibilitatea de obtinere in organism, AA pot fi esentiali + neesentiali. Excesul de AA din dieta, fie se stocheaza pt utilizari ulterioare, fie se transforma in intermediari pt diferite cicluri metabolice ca de ex. ac piruvic, oxalati, oxaloacetati, acidul α-cetoglutaric. Se utilizeaza astfel in caile metabolice ale obtinerii glucozei, acizilor grasi sau cu scop energetic. Degradarea proteinelor pt obtinerea AA constituenti depinde de anumiti factori:Insulina: cresterea conc de insulina fav biosinteza proteica si reduce proteoliza. Hormonii tiroidieni T3 + T4 maresc degradarea proteica. Glucocorticoizii maresc viteza proteolizei la nivel muscular.

38

Catabolizarea AAAA posedand in moleculele lor o grupare amino si o grupare carboxil, pt a intra in fluxul / ciclurile metabolice este nevoie ca gruparea amino in primul rand sa fie eliminata in molecule si ulterior gruparea COOH, intermediarii rezultati in acest mod pot intra astfel in ciclurile degradative sau anabolice, fie in scopuri energetice, fie in scopuri biosintetice.Eliminarea gruparii NH2 (deaminarea) se poate realiza pe 2 cai:

elim sub forma de NH3 prin transaminare

In acest mod, rezulta un schelet hidrocarbonat utilizat in scopuri proprii celulare (vezi slide).Deaminarea prin transaminare presupune transferul gruparii NH2 de pe AA pe un α-cetoacid in vederea obtinerii altui AA si altui α-cetoacid. Procesul se desf in prez transaminazelor/aminotransferazelor, avand ca efector piridoxalfosfatul. Majoritatea AA, care sunt acceptori sunt: alfa-cetoglutarat, oxaloacetat, piruvat.Produsi: Glu, Asp, Ala. Transaminarea are loc in ficat, rinichi, mm, creier. Transaminarea Glu-Asp (GOT) in urma careia se obtine glutamina ca transportor sanguin netoxic al NH3-ului si rsp transaminarea Glu-Ala prin utilizarea ac piruvic (GPT) care se desf prep la niv muscular. Deoarece la niv muschilor, in eforturi se dezvolta ca produs glicolitic acidul piruvic, acesta sufera un proces de transaminare cu formarea Ala, care este preluata de la acest nivel, transportata prin interm lichidelor biologice la nivelul hepatocitului, unde transfera la randul sau gruparea NH2 pe alt oxoacid, transformandu-se respectiv in acid piruvic, care se utilizeaza in gluconeogeneza, in vederea biosintezei glucozei, care ulterior se utilizeaza fie pt mentinerea glicemiei in limite normale, fie in arderi metabolice. (vezi slide)Amoniacul eliberat la nivel hepatocitar este utilizat rapid in biosinteza ureei, deoarece intre cele 2 specii moleculare exista diferenta mare in ceea ce priveste toxicitatea pt organismul uman, amoniacul fiind mult mai toxic decat ureea. Atat amoniacul cat si ureea sunt solubili in lichidele biologice si astfel ureea este circulata rapid si eficient catre rinichi de unde se elimina din organism.

DeaminareaSe cunosc 3 modalitati de a se elimina NH3-ul din AA prin deaminare:

deaminarea oxidativa reductiva hidrolitica

39

Deaminarea oxidativa se realiz in prezenta oxidazelor (dehidrogenazelor) si in prezenta efectorilor alosterici /coenzimelor flavinice / nicotinamidice. In procesul de deaminare oxidativa se obtine ca intermediar o imina care in prezenta apei din mediu se transforma in ceto-acidul coresp.Daca se utiliz coenzimele flavinice pt refacerea formei oxidate a acestora se utiliz [O] care in prezenta H2 se transforma in peroxid de hidrogen H2O2, care este un compus toxic pt org uman, dar rezultat din metabolismul normal. Pt eliminarea acestuia, la niv celular exista echipamente enzimatice specializate care transforma peroxidul de H in apa ca produs inofensiv. Sunt implicat in acest proces catalazele si peroxidazele. (vezi slide)In cazul in care coenzimele sunt de tip nicotinamidic (acidul glutamic=> iminoacid =>alfa-cetoglutaratul) nu se mai obtine ca produs secundar peroxidul de H si nu mai este nevoie de interventia unor enzime specializate in detoxifiere. Amoniacul rezultat in urma acestui proces de deaminare, realizat preferential la niv org uman, NH3-ul poate fi utilizat in ureogeneza (in sinteza ureei) la nivel hepatocitar in sinteza glutaminei la nivel muscular si rsp glutamina rezultata poarta la nivelul intregului organism gruparea amino pe care o poate ceda in f multe procese biosintetice. La nivel renal, glutamina rezultata se utiliz preponderent in amoniogeneza, care are drept scop mentinerea balantei acido-bazice si restabilirea capacitatii de neutralizare a metabolitilor cu caracteristici acido-bazice. La nivelul IS si IG, glutamina rezultata anterior se utilizeaza in biosinteza ac glutamic.

Deaminarea reductiva Spre deosebire de deaminarea oxidativa se desf preferential la niv celulelor bacteriene si presupune preluarea moleculelor de H din mediu in vederea eliberarii gruparii NH2 sub forma de grupari NH4

+. Spre deosebire de org uman, bacteriile pot utiliza direct gruparea NH4

+ rezultata anterior in diverse procese. Enzimele implicate in deaminarea reductiva fac parte din oxidoreductaze.

Deaminarea hidroliticaSe desf rar la niv org uman, preferential la nivelul celulelor bacteriene/fungice si au drept scop eliminarea gruparii NH2 din AA in prezenta hidrolazelor sub forma de grupari NH4

+. Alaturi de aceasta se obt hidroxi-acidul coresp, care poate fi utilizat in diverse cai metabolice dupa ce acesta se transforma in α-cetoacid in prezenta altor oxidoreductaze. (vezi slide)

40

Amoniacul rezultat fie ca atare fie sub forma ionilor de amoniu in organismul uman prez toxicitate si din aceasta cauza concentratia lui circulanta trebuie sa fie mica si mentinuta in intervale bine determinate. De regula NH3-ul se transforma in prezenta acidului glutamic in glutamina (Glu=>Gln). Din aceasta cauza, Gln se gaseste in concentratii mult mai mare (de 5x) la nivel circulator comparativ cu alti AA liberi.Gln la nivelul organismului uman poate fi utilizata la nivel hepatocitar in vederea transformarii reversibile in ac glutamic, eliberarea NH3-ului si rsp biosinteza ureei. (vezi slide) Glutamatul rezultat anterior, in prez glutaminsintetazei se utiliz la niv muschilor la obtinerea Gln din NH3-ul rezultat la acest nivel, pt mentinerea in conc mica a NH3-ului muscular, glutamina fiind solubila si usor circulabila catre toate tesuturile din organism.

Destinatia gruparii aminoDependent de organismul unde se sintetizeaza/elibereaza NH3-ul si de

localizarea acestuia la nivel planetar, amoniacul rezultat poate fi utilizat in scopuri diverse in biosinteza unor compusi mai putin toxici / eliminarea ca atare.

Animalele acvatice, datorita faptului ca sunt in continuu contact cu apa, nu necesita transformarea amoniacului in alt compus, deoarece cantitatea mare de apa din mediu le permite eliminarea ca atare a amoniacului. Aceste animale se num amonotelice.

Vertebratele terestre necesita transformarea amoniacului intr-un compus mai putin toxic, ureea, datorita accesului limitat la apa. Chiar daca in biosinteza ureei, se consuma cantitati f mari de energie metabolica, pt supravietuirea vietuitoarelor ureotelice, este strict necesara aceasta transformare.

Pasarile si reptilele care au acces deosebit de limitat, sunt nevoite sa conserva apa pe care o poseda la un mom dat si sa nu elimine compusul rezultat din amoniac sub forma de solutie, ci sub forma de pasta. Din aceasta cauza, amoniacul din organismele lor se transforma in acid uric, care este greu solubil in apa si care se poate elimina ca atare sub forma unor paste. Aceste organisme = uricotelice.

Biosinteza ureei (ciclul ornitinei/ciclul Cori)Procesul biosintetic se desf in cascada, incepe la nivel mitocondrial, unde se

gasesc materialele necesare (reactantii/substraturile) si se continua la nivel citosolic. La nivel mitocondrial, CO2 prezent sub forma de bicarbonat HCO3

- interactioneaza in conditii endergonice cu NH3-ul cu formarea carbamoilfosfatului in prezenta

41

carbamoilfosfatsintetazei I. In procesul mitocodrial se consuma pt fiecare mol de NH3 2 legaturi macroergice => r = puternic endergonica si determinanta de viteza. Carbamoilfosfatul rezultat anterior interactioneaza cu ornitina si formeaza citrulina, care ca si ornitina = un AA nestandard si care pt continuarea procesului biosintetic necesita transferul din mitocondrie in citosol, in prezenta unui transportor specific din clasa albuminelor. (vezi slide)La nivelul citosolului, citrulina interactioneaza cu Asp cu formarea arginino-succinatului care este un produs organic tensionat si care in prezenta unei CN-liaze se transforma in Arg si rsp ac fumaric. Produsul secundar rezultat(ac fumaric) face legatura ciclului ornitinei cu celelalte cicluri metabolice(TCA, gluconeogeneza, etc) (vezi slide)In continuare, Arg in prezenta arginazei sufera un proces hidrolitic, in urma caruia se reface ornitina si se elibereaza ureea. (vezi slide)

In procesul ureogenetic se introduc in molecula organica 2 atomi de N, unul provenit din NH3, celalalt provenit din Asp.

CO2 utilizat in biosinteza HCO3-ul rezulta in degradarile oxidative celulare.Procesul ureogenetic este f mare consumator de energie, pt fiecare mol de uree

consumandu-se cate 4 moli de ATP.Biosinteza ureei este dependente in special de sinteza NH3-ului din org uman si rsp cu viteza de degradare a AA-lor. Cu cat concentratia de NH3 circulant tinde sa creasca, cu atat creste conc de ac glutamic circulant, care determina activarea carbamoilfosfatsintetazei I care in final duce la cresterea sintezei ureei. Accelerarea procesului sintetic al ureei se produce fie in excedent proteic degradat si rsp in inanitie, post nefiziologic lung, cand incep sa fie degradate macromolecule proteice musculare, in vederea asigurarii necesarului energetic minim pt supravietuire.

Decarboxilarea AA-lor conduce la obtinerea unor intermediari care in totalitate se regasesc in diverse procese, linii/cicluri metabolice. Daca AA se transforma in intermediari: acetoacetat, acetil activat, acestia sunt cetogenici si daca se transforma in oricare alt intermediar (piruvat, oxaloacetat, fumarat, succinat, citrat, alfa-cetoglutarat) sunt glucogenici. (vezi slide)

Resturile hidrocarbonat rezultate in urma deaminarilor si decarboxilarilor AA-lor sunt implicati alaturi de procesele biosintetice si in procesele energetice, ei asigurand aprox 10 % din cant de energie a organismului.

42

Degradarea AA-lor cu 3 atomi de CMajoritatea AA-lor care poseda 3 at de C se transforma in intermediarul ac

piruvic pe diverse cai: transaminarea/oxidarea. Prin transaminare, Ala se transforma in ac piruvic direct

in prezenta unui α-cetoacid. Serina sufera un proces de deshidratare in prezenta serindeshidratazei in urma careia se obtine o imina ca intermediar instabil care in prezenta apei se transforma in ac piruvic. (vezi slide)Cisteina pt transformarea in ac piruvic sufera 2 procese succesive:

o desulfurarea

o deaminarea prin transaminare

Cistina sufera un proces de reducere pana la cisteina in prezenta cistinreductazei NAD dependenta care in final, dupa transsulfurare si transaminare se transforma tot in acid piruvic.

Glicina /glicocolul pt transformarea in acid piruvic necesita o lungire a catenei hidrocarbonate pana la serina in prezenta metilentetrahidrofolatilor, serina ulterior transformandu-se in ac piruvic. (vezi slide)

Acidul glutamic in prezenta glutamatdehidrogenazei se transf in prima etapa intr-o imina, care in prezenta apei din mediu se transf in alfa-cetoglutarat.

Arginina, in prezenta arginazei se transf in ornitina si pune in libertate ureea, ornitina transformandu-se ulterior in ac glutamic, atunci cand este nevoie de glutamina in biosinteze sau de biosinteza proteica.

Scheletele hidrocarbonate ale AA-lor cu diverse dimensiuni in ceea ce priveste nr-ul de at de C se transforma de regula in ac glutamic, care ulterior se transf in alfa-cetoglutarat si in final, acesta =intermediar TCA.

Alte schelete se transforma in metilmalonat, cand prin prezenta unei mutaze, se izomerizeaza pana la acid succinic, care si el este intermediar TCA. (vezi slide)

Phe si Tyr = AA standard care provin din clasa AA aromatici si ei se transforma metabolic in urma unei cascade de reactii in acetoacetat, dupa deschiderea ciclului aromatic si astfel, acestia pot fi utilizati in arderile metabolice, ca si combustibili. Ei/intermediarii de degradare ai acestora se pot utiliza si in biosinteza catecolaminelor.

Phe in prima reactie de degradare se trasforma in Tyr in prezenta unei monooxigenaze (=oxidoreductaza, hidroxilaza). Absenta acestei hidrolaze determina cresterea concentratiei circulante a Phe care in aceste conditii se transforma intr-o fenilcetona circulanta care se elibereaza pe cale urinara si in aceste conditii se instaleaza starea patologica num fenilcetonuria. Din cauza acumularii atat a Phe cat

43

si a derivatului sau (acidul fenilpiruvic) la interfata dintre sange si creier sunt afectate procesele care se desf in conditii normale la nivelul acestui tesut si pe langa depigmentarea tegumentelor apare si retardul mintal.In succesiunea de transformarea a Tyr pana la acetoacetat se obtine ca intermediar homogentisatul si acesta in final se transforma in acetoacetat. In procesul de transformare al Tyr in homogentisat = prez si o hidrolaza, care at cand poseda activitate enzimatica slaba, chiar si in prezenta monooxigenazei care transforma Phe in Tyr cu activitate enzimatica normala, se constata constituirea unor depozite greu solubile de homogentisat, care tind sa coloreze tesutul osos si urina si se instaleaza afectiunea patologica alcaptonuria.

AA-precursori in biosintezeBiosinteza si degradarea hemuluiHemul= o structura tetrapirolica, in care sunt prezenti atomi de N, C, H, care provin din glicina si acetil activat fara exceptie. Biosinteza se realiz la nivel hepatic, splenic/ la nivelul maduvei in mitocondrie. Constituirea nucleului pirolic necesita (fara reactii) biosinteza intermediarului acid delta-aminolevulinic (ALA). Pt transfomarea acizilor intermediarului in nucleul pirolic este nevoie de o ciclizare intramolec in prezenta unei metaloenzime(Zn-enzima). At cand in org uman exista un excedent circulant al cationilor divalenti metalici(in special Pb2+) Zn-ul din metaloenzima este subst cu acesta, si astfel AE a complexului rez se dimin f puternic. Ac delta-levulinic nu se mai transf in nucleu pirolic si din ac cauza tinde sa posede la niv circ conc din ce in ce mai mare. La nivel circulator, poseda conc tot mai mari datorita depasirii barierei renale, ac delta aminolevulinic se regaseste in urina si astfel se poate pune diagnosticul de saturnism(toxicoza) .Acidul delta-aminolevulinic excedentar tinde sa se transforme metabolic in continuare in ac gama-aminobutiric GABA, care prez actiuni la niv creierului, care acumulate det instalarea psihozelor.

Hemoglobina ca orice compus prezent in sis vii, dupa biosinteza prezinta un timp de viata limitat(100 zile), dupa care este degradata in prezenta unui sistem eznimatic. Degradarea hemoglobinei presupune ruperea nucleului hemic urmata de procese de oxidare si transformare pana la produsii finali. Prima treapta de degradare hemica se realiz prin rupere oxidativa intre nucleele A si B cu obtinerea biliverdinei, care = un compus solubil in lichidele biologice. Biliverdina circulanta, prin reducere se transforma dintr-o molecula cu caracteristici hidrofile, intr-o molecula cu caracteristici hidrofobe de bilirubina.

44

Hidrofobicitatea accentuata a bilirubinei se datoreaza constituirii preferentiale a legaturii de hidrogen intramoleculare cu formarea unui sistem neliniar care nu mai permite interactia gruparilor hidrofile cu apa in vederea dizolvariisi astfel bilirubina nu poate fi circulata ca atare. Transportul ei se poate realiza sub forma particulelor lipoproteice care pot angrena si bilirubina datorita interactiilor cu albuminele prez in particulele lipoproteice. Bilirubina excedentara de la nivelul tesuturilor = transp astfel catre hepatocit unde in prezenta acidului glucuronic si in urma reactiei de conjugare se solubilizeaza. Sub forma de conjugat, bilirubina = excretata la nivelul bilei in prezenta acizilor biliari si sarurilor biliare, de unde ajunge in tubul digestiv, unde la nivelul IG se transforma in urobilinogen. Acesta este solubil si se poate transforma ulterior in 2 compusi: la nivelul IG se transforma in stercobilina care se elimina prin fecale, iar la nivel renal, urobilinogenul se transf in urobilina, care fiind solubila in lichidele

biologice se elimina prin urina.O parte din urobilinogenul din IG se poate reabsorbi prin interm peretelui intestinal, de unde poate reveni la ficat si sa-si reia ciclul de transformare. At cand deplasarea de la ficat la tubul digestiv = obturata, bilirubina conjugata nu poate ajunge la IG si nu se poate transforma in urobilinogen si urobilina. Absenta acestor compusi fie din fecale, fie din urina ne indica indubitabil obstructie unui canal biliar. La N-N exista incidenta mare pt afectiunea icter, din primele zile de viata, datorita faptului ca bilirubina insolubila rezultata prin degradarea hemului nu se poate excreta datorita diminuarii AE a enzimelor de degradare. In aceste conditii, pe tegumente se constituie depozite de culoare galbena care dau si denumirea afectiunii patologice => galbenare. Aceasta forma de icter se inlatura prin expunerea tegumentelor N-N prin expunerea la rad UV, care dat energiei lor au capac de a degrada chimic(liza) molecula bilirubinei pe care o transforma in compusi hidrosolubili.

Biosinteza aminelor biogeneP.A. catecolamine histamine (vezi slide)

45

CREATININA= un produs de excretie, care se biosintetizeaza in org uman in mai multe trepte in prezenta reactantilor Arg si Gly. Prezenta gruparii guanidin la nivelul argininei bogata in atomi de N determina interactia cu glicina si in urma procesului de transamidinare, la nivelul glicinei se transfera 2 atomi de N cu formarea acidului guanidin acetic. (vezi slide)

In continuare, acidul guanidin acetic sufera un proces de metilare in prezenta altei transferaze, metilul fiind preluat din metionina, se obtine creatina. (vezi slide)

In prezenta creatinfosfokinazei CPK (creatinkinaza CK) se realiz un transfer al gruparii de pe ATP pe molecula de creatina cu formarea creatinfosfatului. Procesul este endergonic ( se consuma legaturi macroergice), iar produsul rezultat, creatinfosfatul este o molecula cu caracteristici macroergice (tensiuni interne de natura fizica), care tinde sa se stabilizeze prin ciclizare intramoleculara in prezenta aceleiasi enzime, CK/CPK. In urma ciclizarii se elimina gruparea fosfat anterior grefata si in acest mod ADP se transforma in ATP. Produsul final = creatinina.

Creatinina, ca si ureea este produs de excretie, = solubil in lichidele biologice si din ac cauza se poate elimina pe cale renala. Procesul de biosinteza a creatininei se desf la niv mai multor tesuturi, acesta incepe la nivel renal, unde se obtine acidul guanidinacetic, continua la niv hepatocitar, unde se obtine creatina si aceasta, dupa vehicularea prin interm lichidelor biologice se transforma in creatinfosfat la nivelul celulelor musculare.

Creatinfosfatul, fiind un compus macroergic poate fi utilizat in stocarea si transmiterea energiei metabolice. Produsul prezent la nivelul mm-lor, prezinta importanta energetica fundamentala, deoarece poate substitui si substituie molecula ATP la acest nivel. Necesitatea substituirii ATP-ului de creatinfosfat deriva din faptul ca la nivelul celulelor musculare, in lichidele biologice, conc max a ATP nu poate depasi 2 mmoli / L. In aceste conditii, at cand org-ul se afla in repaus nu poate sa stocheze o cantitate mai mare de energie sub forma de ATP si din ac cauza energia se va stoca in faza de repaus sub forma de creatinfosfat, a carui conc poate sa atinga valori mult mai mari decat ale ATP.

Creatinfosfatul biosintetiza la nivel muscular si cu capacitate de inmagazinare a energiei metabolice poate suferi transformari rapide ale gruparii fosfat in vederea obtinerii ATP din ADP, atunci cand celulele musculare necesita energie pt consum. Aceasta modalitate de obtinere, inmagazinare si transfer de energie metabolica este mult mai rapida decat obtinerea ATP prin diverse linii/cicluri metabolice, ceea ce prezinta un avantaj pt organism. Creatinina rezultata ca produs de excretie releva gradul de inaintare al metabolismului muscular si este dependenta de cantitatea de

46

proteine (AA) care sufera procesul de degradare. Cantitatea de creatinina eliberata = d.p. cu masa musculara, scazand cu varsta, sarcina si sexul.

Intre uremie ca produs de excretie si creatininemie, de asemenea ca produs de excretie exista diferite relatii care indica gradul de eliminare a N-ului din org si odata cu el capacitatea tesuturilor/organelor de a prelua produsii de excretie in vederea eliminarii lor. Cresterea uremiei/ a creatininemiei indica existenta unei insuficiente renale organice, rinichiu fiind incapabil sa realizeze filtrarea in vederea eliminarii coresp a celor 2 produsi de excretie.

At cand uremia creste puternic in raport cu creatininemia, se inregistreaza o insuf renala functionala, deoarece creatina este filtrata si eliminata, in timp ce ureea are tendinta de stocare.

Poliamine (putresceina, cadaverina, spermidina, spermina)Rezulta ca produsi ai decarboxilarii unor AA si in prezenta unui nr de 2 grupari NH2 la nivelul acestor molecule, le induce pe de-o parte caracterul bazic, iar pe de alta parte capacitatea de a se ioniza in conditii fiziologice. Prin ionizare, aminele din aceasta categorie (poliaminele) prezinta rol functional datorita capacitatii acestor compusi (cationi) de a substitui cationii metalici de Na+, K+, Mg2+ la nivelul celulelor, preluand in mare rolul acestora. Incarcarea electrica pozitiva a poliaminelor determina substituirea si a protonului H+ , fara ca sa existe la nivel celular variatii ale pH-ului.Avand in vedere faptul ca poliaminele se incarca pozitiv in conditii de pH fiziologic si acizii nucleici in aceleasi conditii se incarca negativ (datorita resturilor fosfat libere) exista posibilitatea interactiei dintre cele 2 specii cu efecte asupra proceselor de transfer a informatiei genetice inmagazinata in acizii nucleici. De regula concentratiile poliaminelor la nivelul lichidelor biologice sunt relativ mici, iar depasirea acestora poate sa induca dezvoltarea unor procese patologice.

METABOLISM NUCLEOTIDENucleotidele = unitatile de baza care stau la baza acizilor nucleici care prez rol informational (stocare si transmitere a informatiei). Alaturi de acizii nucleici, nucleotidele se int si in anumite specii moleculare: compusi macroergici, de regula de tip di- / tri-fosfat, care au capacitatea de a se

biosintetiza in conditii endergonice (preluarea energiei metabolice) si de a transfera energia inmagazinata in urma stabilizarii moleculare prin transferul uneia / doua grupari fosfat.

47

Nucleotidfosfatii datorita prezentei la nivelul celulelor = implicati atat in procesele de echilibrare a pH-ului cat si in procesele de reglare, intervenind la nivelul macromoleculelor enzimelor sub forma efectorilor alosterici. Procesele acestea = prezente in special in ciclurile/liniile de degradare metabolica prin care se consuma/rezulta energie metabolica si in functie de obtinerea / consumul energiei metabolice, acestia intervin in reglarea proceselor enzimatice.

La nivelul tuturor celulelor exista receptori de suprafata, capabili sa preia informatia chimica din mediu provenita de la diferite structuri cu rol functional (de regula hormoni, molecule semnal) cu caracteristici hidrofile (nu pot strabate membrana dublu lipidica). In aceste conditii, informatia moleculei semnal extracelulara este preluata in urma interactiei cu receptorul celular (recunoastere si legare) urmand ca ulterior la nivelul membranei celulare sa se biosintetizeze molecule de tip mediatori cAMP, cGMP, care la randul lor pot transmite informatia provenita de la molecula semnal unor structuri citoplasmatice capabile sa efectueze un lucru biologic.

In afara ATP, ADP, GTP, GDP care actioneaza ca efectori alosterici, se intalnesc coenzimele nicotinamidice / flavinice care fie se regasesc in special la nivelul catenei respiratorii (membr mitocondriala interna) si au rolul de a transfera de-a lungul acesteia electronii si protonii, fie au rolul de a actiona ca efectori alosterici la nivelul sistemelor enzimatice. In genere nucleotidele mono-, di- sau trifosfat prin prezenta acestor grupari functionale prezinta caracteristici acide de tarie medie.

In procesul de metabolizare a nucleotidelor se pune problema: pe de-o parte a biosintezei acestor specii a.i. procesele metabolice sa se desfasoare in conditii normale si odata cu aceasta o parte din cantitatea biosintetizata sa sufere procese de degradare care de regula sunt urmate cu recuperarea unei parti din materia organica si eliminarea rsp sub forma unor produsi de excretie a resturilor hidrocarbonate care contin si atomi de N. In metabolismul nucleotidelor pe langa aceste procese de biosinteza si degradare, exista posibilitatea transformarii reciproce a nucleotidelor in deoxinucleotide strict necesara in vederea asigurarii substraturilor necesare in biosinteza acizilor nucleici.

(de aici incolo nu reactii)

48

Biosinteza nucleotidelor purinice = compuse din restul monozaharidic (riboza) care leaga N-β-glicozidic o baza azotata purinica (Adenina, Guanina) si la nivelul restului monozaharidic se leaga cel putin o grupare fosfat in diverse pozitii, preferabil 3’ / 5’. Procesul biosintetic se realiz pornind de la ribozofosfat si in prezenta unor reactivi care se succed intr-o ordine logica se adauga treptat atomii de C si de N in vederea constituirii restului de baza azotata, incepand cu atomul de N din pozitia 9.In constituirea nucleului bazei purinice, atomii de N din pozitiile 3 si 9 provin din Gln (principalul transportor de N solubil, atomii de C si de N 5’ si 7’ provin din gly, at de C 1 si 8 provin din Asp rsp THF(tetrahidrofolat) si in sfarsit at din poz 2 tot din THF. Atomul de C din poz 6 provine din CO2.

In procesul biosintetic intervine un echipament specializat enzimatic care asigura desfasurarea proceselor chimice. In biosinteza purinelor se obtine intotdeauna un intermediar inozinmonofosfat IMP (vezi slide) in care exista scheletul general al bazelor azotate de natura purinica de la care prin reactii ulterioare se continua procesul de biosinteza in vederea obtinerii resturilor de baze azotate, adenina si guanina care sunt implicate direct in procesul de biosinteza al acizilor nucleici. Chiar daca IMP este intermediar in biosinteza purinelor si se gaseste in conc relativ mari, el nu intra niciodata in procesul biosintetic al acizilor nucleici. Procesul de biosinteza al IMP = puternic endergonic, el necesitand 6 legaturi macroergice pt fiecare molecula de IMP biosintetizata.

Pt biosinteza bazelor azotate guanina G si adenina A, IMP-ul sufera un proces in urma caruia gruparile NH2 necesare atat in restul de A cat si in restul de G sunt introduse in prezenta donorilor de N solubili, Gln sau Asp.

At cand se utilizeaza Asp ca donor de N, rezulta ca produs secundar acidul fumaric, care face legatura cu TCA, astfel intre cele 2 cicluri, unul biosintetic si celalalt degradativ exista o legatura prin interm acestei specii moleculare.

Pt introducerea gruparii NH2 din pozitia 2 a restului de G se utilizeaza ca donor de atomi de N Gln care se transforma in Glu, care fiind solubil preia din lichidele biologice ulterior N-ul sub forma de NH3 in vederea transformarii pana la Gln in prezenta glutaminsintetazei.

In procesul biosintetic al AMP se utilizeaza ca sursa de energie GTP in timp ce pt sinteza GMP se utilizeaza ca sursa de energie ATP-ul. Astfel ca cele 2 nucleotide trifosfat sunt implicate direct in procesul de reglare a procesului biosintetic:

cresterea conc ATP => accelerarea biosint a GMPcresterea conc GTP => cresterea v de biosint a AMP

49

AMP sau ADP se pot transforma ulterior in ATP, ei fiind prezenti ca o masa strict necesara la niv celular pt inmagazinarea energiei ulterioare sub forma de derivati trifosfati.

Biosinteza bazelor azotate de natura pirimidinicaSpre deosebire de purine care se biosint direct pe molecula ribozo – 5 –P –ului, pirimidinele necesita constituirea bazelor azotate coresp uracil U, timina T, citozina C, care ulterior interactioneaza cu monozaharidul in vederea constituirii nucleozidului / nucleotidului coresp. In procesul biosintetic al pirimidinelor se utilizeaza intr-o prima etapa atomul de N provenit din Gln care in prezenta CO2 celular, prezent sub forma de HCO3

- se transforma in cataliza carbamoilfosfatsintetazei II in carbamoilfosfat. Pt continuarea procesului biosintetic, carbamoilfosfatul rezultat anterior interactioneaza cu Asp cu formarea carbamoilaspartatului, iar intermediarul principal rezultat in biosinteza tuturor nucleotidelor pirimidinice este orotidinmonofosfatul. Ca si in cazul IMP, intermediar in biosinteza purinelor, orotidinmonofosfatul sufera procese de transformare in vederea introducerii gruparii NH2 si rsp a gruparii CH3 la nivelul scheletului de baza in vederea obtinerii bazelor coresp azotate si rsp a nucleotidelor derivate.

Pt obtinerea din orotidinmonofosfat a UMP este nevoie ca sa se realizeze un proces de decarboxilare in prezenta unor liaze specifice, iar pt obtinerea CMP dupa procesul de decarboxilare in prezenta liazei se realiz si un proces de transfer a gruparii NH2 de pe Gln pe compusul anterior rezultat. Procesele de biosinteza in vederea obtinerii nucleotidelor pirimidince se gasesc continuu sub un proces de reglare in prezenta efectorilor alosterici specifici echipamentului enzimatic prezent in etapele de biosinteza.Daca ATP-ul actioneaza ca activator (procesul biosintetic fiind endergonic), celelalte nucleotide difosfat/trifosfat actioneaza ca inhibitori. In procesul de biosinteza specific pirimidinelor, o etapa fundamentala este transformarea orotidinmonofosfatului prin decarboxilare in vederea obtinerii atat a uridin cat si a citidin – monofosfatului. O scadere a AE a decarboxilazei sau o biosinteza deficitara a acesteia (boala metabolica) se instaleaza la nivelul organismului uman aciduria orotica, materializata prin cresterea concentratiei orotidinmonofosfatului la nivel circulator si imposibilitatea transformarii acestuia in pirimidinele necesare strict in biosinteza acizilor nucleici. In aceste conditii se instaleaza o anemie severa, iar pt o echilibrare a procesului de biosinteza a acestor nucleotide este strict necesara administrarea uridinei / citozinei in vederea asigurarii procesului biosintetic al acizilor nucleici. Prin aceasta administrare se realizeaza pe de-o parte o crestere a conc uridinMP si

50

citidinMP care actioneaza ca efectori alosterici negativi ai carbamoilfosfatsintetazei II si in acest mod este diminuat procesul biosintetic al OMP (orotidinmonofosfatului) si rsp scaderea treptata a concentratiei acestui compus la nivel circulator.In biosinteza DNA, pe langa nucleotidele purinice se utilizeaza si deoxinucleotide pirimidinice rsp TMP. Din aceasta cauza la nivel celular este necesar ca sa se obtina TMP-ul ca intermediar la nivelul caruia in pozitia 2’se realizeaza un proces de reducere in urma caruia gruparea hidroxil se transforma in gruparea hidrogen. OH=>HProcesul este catalizat de ribonucleotidreductaze si necesita THF ca efectori alosterici. THF-ii prezinta in structurile lor resturi de acid paraaminobenzoic care pot fi substituiti relativ usor in procesul lor biosintetic de sulfamide, care odata patrunse in structura coenzimei modifica substantial functia acesteia si in acest mod este impedimentat/deranjat procesul biosintetic al TMP.

In organismul uman tetrafolatii nu se biosintetizeaza, in schimb la nivelul celulelor bacteriene, acest produs se biosintetizeaza din elementele componente. In org uman THF-ii patrund prin interm alimentelor din mediu. In aceste conditii sulfamidele pot fi utilizate ca bacteriostatici at cand org uman este atacat de o bacterie, deoarece procesul de multiplicare bacteriana este diminuat substantial la administrarea sulfamidelor, deoarece acestea intra in componenta THF-lor care nu mai permit biosinteza timidin derivatior si rsp biosinteza acidului nucleic de tip DNA bacterian. Administrarea la niv org uman a sulfamidelor nu este implicata in diminuarea procesului de biosinteza a DNA deoarece THF-ii sunt preluati din mediu ca atare.

Din randul derivatilor nucleotidici pirimidinici pot face parte si unii compusi cu structuri f apropiate de ale nucleotidelor implicate direct in procesul biosintetic al acizilor nucleici. Daca dupa adiminstrarea acestor derivati 5’fluorodeoxiuridilmonofosfatul. (vezi slide)

Daca acesti compusi participa direct la biosinteza acizilor nucleici, se obtin acizi nucleici nestandard, care poseda structura modificata fata de cei standard si astfel este incetinit procesul mitotic (transmiterea informatiei genetice in vederea biosintezei proteinelor necesare in mitoza). Din aceste motive acesti derivati ai nucleotidelor pirimidinice au calitati antimaligne/anticancerigene, nepermitand multiplicarea necontrolata a celulelor maligne.

Catabolizarea nucleotidelorProcesul de degradare a nucleotidelor presupune fie degradarea nucleotidelor

ingerate din mediu prin interm alimentelor, care marea lor majoritate sufera acest

51

proces fara sa fie utilizate in scopuri proprii celulare iar pe de alta parte degradarea nucleotidelor provenite din acizii nucleici (preponderent) dupa expirarea timpului lor de viata. Procesul de degradare necesita prezenta unui echipament enzimatic pe baza de nucleotidaze, fosfodiesteraze, nucleaze. Pt catabolizarea nucleotidelor provenite din alimente procesul incepe la nivelul stomacului, se cont la niv duodenului si astfel se obtin nucleotidele ca atare din acizii nucleici coresp, care sunt pasate ulterior in IS, unde datorita sarcinilor electrice negative purtate nu pot depasi bariera intestinala si la acest nivel se obtin baze azotate libere, care ulterior sufera eliminarea majoritara.

Procesul de catabolizare al nucleotidelor purinice presupune transformarea acestora in hipoxantina, xantina si acid uric. Daca xantina si hipoxantina prezinta o usoara solubilitate in lichidele biologice, acidul uric este practic insolubil in acestea.

In procesul de degradare al nucleotidelor purinice, intermediarul xantina prezinta importanta capitala, deoarece acesta poate proveni fie din AMP (adenozin) cat si din GMP (guanozin) ca si nucleotide. Etapa urmatoare in urma careia se obt acidul uric presupune interventia XAO xantinoxidazei in conditii de flavincoenzime. Prin actiunea XAO alaturi de acidul uric se obt ca produs secundar ( in conditii normale) H2O2 (peroxidul de H), care face parte din speciile reactive ale O2-ului si prezinta toxicitate relativa atunci cand concentratia sa depaseste anumite limite.

Pt diminuarea actiunii toxice a peroxidului de H, la niv celular exista 2 sisteme antioxidante importante: catalaza + peroxidaza, ambele transformand H2O2 in H2O. At cand in procesul de catabolizare intra AMP-ul alaturi de xantina se obtine ca intermediar hipoxantina care se transforma in xantina in prezenta aceleiasi enzime XAO. S-a demonstrat ca in urma actiunii XAO se obtine ca produs secundar in prima faza anionul radical superoxid care prezinta in raport cu moleculele de natura organica de la niv celular agresivitate. Acesta fiind bogat energetic si posedand un electron nepereche tinde sa se stabilizeze prin smulgerea unui e- sau unui at de H din alte specii moleculare pe care le transforma in radicalii coresp reactivi, care pot sa continue procesul de stabilizare in raport cu alte molecule din sistem, dezvoltandu-se in acest mod un proces in cascada, care conduce la obtinerea unor compusi ale caror functii fie sunt diminuate, fie sunt modificate, instalandu-se in acest mod diverse stari patologice.

Acidul uricDaca se biosintetizeaza in conc relativi mici, acesta poate sa fie eliminat pe cale renala sub forma unor suspensii f fine. In conditiile in care biosinteza este excedentara se poate realiza o obstructie la nivelul cailor urinare prin agregarea/acumularea acestora sub forma unor calculi.

52

Pe de alta parte, acidul uric poate sa se depuna tot datorita insolubilitatii in lichidele biologice la nivelul jonctiunilor din organism, producand disconfort, care de regula se num guta.

Guta = o afectiune de natura patologica, datorata unei insuficiente metabolice datorita faptului ca XAO prezinta o activitate enzimatica mare (conc mare) rezultata in urma unei biosinteze excedentare, care conduce la biosinteza excedentara a acidului uric din xantina. In guta, din aceste motive se utilizeaza inhibitori ai XAO, care au rolul de a diminua AE a acesteia, permitand in acest mod cresterea concentratiei hipoxantinei / a xantinei circulante, care fiind mai solubile pot fi circulate mai usor decat acidul uric in vederea eliminarii pe cale renala. Unul dintre cei mai imp inhibitori este Allopurinolul, care se transforma in alloxantina si leaga chimic XAO, modificand in acest mod substantial configuratia si rsp activitatea enzimatica.

In procesul de instalare a gutei se pare ca deficienta de glucozo-6-fosfat este factorul incriminant, deoarece odata cu cresterea biosintezei glucozo-6-fosfatului in organism creste si probabilitatea ca acesta sa se transforme pe calea pentozofosfatilor cand se obtin pentozele din hexoze si astfel cresterea conc ribozei det cresterea v de biosinteza a nucleotidelor purinice.

Primidinele = catabolizate prin deaminare, fosforilare si rupere de natura glicozidica pana la beta-ala si beta-aminoizobutirat, compusi solubili in lichidele biologice capabili fie sa intre ca intermediari in procese biosintetice, fie sa se elimine pe cale renala.

Biosinteza coenzimelor Biosinteza acizilor nucleici

ReplicareaPresupune transformarea dublului helix DNA in macromolecule individuale dupa distrugerea etapizata in conditii enzimatice a legaturilor de H dintre resturile de baze azotate complementare. Lanturile macromoleculare de tip DNA individuale, se utiliz ulterior ca matrite la nivelul carora se insira nucleotifosfatii complementari, urmand ca in conditii enzimatice, intre acesti nucleotidfosfati sa se realizeze in conditii enzimatice legaturi 3’ – 5’- fosfoesterice si astfel pe baza lantului macromolecular polinucleotidic conducator se biosintetizeaza un lant complementar care ulterior se poate utiliza in procesul de mitoza.

Conform dogmei generale a geneticii, procesul de replicare se realizeaza la nivelul macromoleculelor DNA in natura, a.i. un dublu lant polinucleotidic se

53

transforma intr-un alt dublu lant polinucleotidic care sa asigure materialul genetic in mitoza.

In procesul de biosinteza a acizilor nucleici exista si procesul de transcriere cand la niv nucleului DNA se transf in RNA (ribozomal, de transfer, mesager), urmand ca in etapa finala pe baza RNA mesager si in prezenta RNA de transport sa se realizeze procesul de traducere/transcriptie a informatiei genetice, in urma caruia informatia genetica inmagazinata se transforma din lanturi polinucleotidice in lanturi polipeptidice.

Stiut fiind faptul ca in natura alaturi de sisteme care poseda DNA ca material genetic, exista si sisteme care poseda RNA ca material genetic. Din aceasta categorie fac parte retrovirusurile, care poseda ca material genetic o singura macromolecula RNA si carora nu li se poate aplica dogma generala a geneticii. S-a demonstrat ca in acest caz intr-o prima faza se realizeaza transformarea lantului RNA in DNA si acesta mai departe prin parazitare celulara poate sa participe la procesul de multiplicare virala si sa initieze / dezvolte procesul de biosinteza a proteinelor virale, capsidale.

Transformarea RNA in DNA se realiz in prezenta reverstranscriptazei si procesul se num transcriere inversa. (vezi slide)

54