ENERGETIC BIOCHIMIC
Energetic biochimic = domeniu din biochimie ce se ocup cu
studiul transformrilor energetice care nsoesc reaciile
biochimice.
Diversele activiti pe care le desfoar organismele vii (contracia
muscular, transportul ionilor i moleculelor prin membrane mpotriva
gradientelor de concentraie, biosinteza moleculelor complexe din
precursori simpli, etc.) necesit energie. Ca urmare, toate
organismele au capacitatea s dobndeasc energie din mediul
nconjurtor i s foloseasc aceast energie n mod eficient pentru a
desfura procesele respective. Omul este un organism chemotrofic:
capteaz energie din mediu sub forma compuilor organici din
componena nutrienilor (glucoz, acizi grai, aminoacizi; vom
considera aceste molecule organice ca fiind combustibili biologici
sau metabolici).
Energetica biochimic utilizeaz cteva concepte de baz din
domeniul termodinamicii i respect legile termodinamicii. Noiunea de
sistem termodinamic aplicat la domeniul biochimiei se refer la
sistemul reactant - alctuit din participanii la o reacie biochimic
(reactani i produi), solventul i mediul local. Transformrile
energetice care au loc ntr-un asemenea sistem pot fi descrise cu
ajutorul a trei tipuri de energie:
- energia liber Gibbs (G) fiecare compus implicat ntr-o reacie
chimic conine o anumit cantitate de energie potenial (potenial
chimic, care permite transformarea acelui compus ntr-un altul, n
cadrul reaciei chimice), legat de tipul i numrul legturilor sale
chimice (msurat n cal/mol sau J/mol; 1 cal = 4,18 J);
- entalpia (H) este coninutul de cldur al sistemului care
reacioneaz (cal/mol sau J/mol);
- entropia (S) msoar gradul de dezordine (sau caracterul
aleatoriu) al unui sistem (J/molK).
Pentru un sistem biologic care funcioneaz la temperatur i
presiune constant (n particular un sistem reactant biochimic),
energia capabil s efectueze travaliu, altfel spus energia care
susine desfurarea reaciei biochimice este energia liber G.
Funcionnd la temperatur constant, organismul viu nu poate utiliza
cldura pentru a efectua un travaliu (nu este o main termic). Din
acest punct de vedere, putem considera energia liber G ca o energie
de calitate superioar, iar cldura o energie de calitate inferioar;
energia liber se poate transforma n cldur, dar cldura nu poate fi
transformat n energie liber.ntr-un sistem biochimic, modificrile
celor 3 tipuri de energie sunt relaionate cantitativ prin
ecuaia:
G = H T S
n cazul unei reacii chimice A B (A = reactant, B = produs), este
diferena dintre energia produilor i energia reactanilor. G poate
avea valoare:
- negativ (GB < GA), reacia are loc cu pierdere de energie
liber i se numete exergonic;
- pozitiv (GB > GA), reacia are loc cu ctig de energie liber
i se numete endergonic;
- zero (GB = GA), sistemul este la echilibru.
Considerm un sistem reactant A + B C + D.
Dac G este diferit de zero, reacia decurge spontan de la compuii
cu energie liber mai mare spre compuii cu energie liber mai mic, pn
n momentul n care se atinge echilibrul reaciei: rata formrii
produilor este egal cu rata transformrii produilor n reactani,
astfel nct nu mai are loc nici o transformare net n acel sistem. n
general, numai o parte din energia liber coninut n reactani poate
fi utilizat pentru a realiza transformarea chimic n produi, restul
este disipat sub form de cldur sau pierdut sub forma unei creteri a
entropiei.
Reacia de mai sus este caracterizat de o constant de
echilibru:
Keq = [C]eq[D]eq/[A]eq[B]eq (parantezele ptrate reprezint
concentraii molare)
Keq reflect compoziia amestecului de reacie ajuns la echilibru,
care este aceeai indiferent de concentraiile iniiale ale
reactanilor i produilor (deci Keq are o valoare fix pentru o reacie
dat).Exist dou forme ale variaiei energiei libere: G i G. G este
diferena de energie liber real, caracteristic pentru condiiile
reale din celula vie (presiune, temperatur, pH i, mai ales,
concentraii reale ale participanilor la reacie). G a reaciei
directe (A B) este egal ca mrime i opus ca semn cu cea a reaciei
inverse (A B). Cunoaterea valorii lui G este util din dou puncte de
vedere:
- semnul lui G este predictiv pentru sensul de desfurare al unei
reacii A B n condiiile reale din celula vie;
- mrimea lui G arat ct de departe de echilibru este sistemul
reactant n momentul iniial i, deci, cuantific tendina de atingere a
echilibrului (aceasta din urm reprezint o for motrice care pune n
micare reacia biochimic).
Sunt posibile trei situaii:
dac G este negativ (reacie exergonic), reacia are loc spontan de
la A ctre B cu pierdere de energie liber; dac G are valoare mare,
reacia are, practic, caracter ireversibil (o cantitate mare de
energie liber este degajat sub form de cldur, iar cldura nu poate
fi utilizat pentru a permite desfurarea reaciei n sens invers); dac
G = 0, reacia este la echilibru; dac G este pozitiv, reacia poate
avea loc de la A ctre B (n sensul endergonic) numai n condiiile n
care exist un aport de energie liber dintr-o alt surs; altfel,
sensul spontan al unei asemenea reacii este de la B ctre A (sensul
exergonic).Cu alte cuvinte, o reacie decurge spontan ntotdeauna n
sensul exergonic.
G este diferena de energie liber standard, caracteristic pentru
condiii standard (temperatura de 25C, pH = 7, reactanii i produii
prezeni ntr-o concentraie iniial de 1M).
G poate fi calculat cunoscnd valoarea lui G i concentraiile
participanilor la reacie, conform ecuaiei lui Gibbs:
G = G + RT ln [C][D]/[A][B]
R-constanta gazelor = 1,987 cal/molK,temperatura absolut, [A],
[B], [C] i [D] sunt concentraiile reale din celul n momentul
respectiv).
G a unei reacii care decurge spontan spre echilibru este
ntotdeauna negativ (reacia poate avea loc numai n sensul exergonic)
i variabil (datorit modificrii continue a concentraiilor
reactanilor, pe msur ce reacia se desfoar): G devine din ce n ce
mai puin negativ pe msur ce reacia are loc i este zero n punctul de
echilibru, indicnd faptul c nu se mai poate produce o transformare
net n acea reacie.
Deci cnd reacia a atins echilibrul, G = 0 i atunci:
G = RT ln [C]eq[D]eq/[A]eq[B]eq = RT ln KeqAadar, valoarea lui G
pentru o anumit reacie poate fi calculat cunoscnd valoarea
constantei de echilibru a acelei reacii. Keq fiind o constant,
rezult c i G este o constant a crei valoare este caracteristic
pentru fiecare reacie dat.
Dei valoarea lui G indic sensul de desfurare al unei reacii
numai n condiii standard, care n majoritatea cazurilor sunt
diferite de cele reale din celula vie, cunoaterea valorii sale este
util deoarece permite compararea diverselor reacii biochimice n
privina variaiei energiei libere.
Keq ln Keq G Sensul spontan al reaciei
> 1 > 0 < 0 spre dreapta (A B) 1 0 0 la echilibru
(AB)< 1 < 0 > 0 spre stnga (A B)
O reacie cu G > 0 poate avea loc n sensul direct (spre
dreapta) dac G < 0, acest lucru fiind posibil dac termenul RT ln
[Produi]/[Reactani] este negativ i are o valoare absolut mai mare
dect G. Aa se ntmpl n celul atunci cnd: (a) produsul de reacie este
ndeprtat imediat pe msur ce se formeaz, prin angajarea ntr-o alt
reacie, sau (b) are loc aportul continuu al unor cantiti mari de
reactant provenit din snge sau dintr-o alt reacie. Ambele situaii
menin raportul [P]/[R] mult sub 1, astfel nct termenul RT ln
[P]/[R] are o valoare negativ mare.
Caracterul aditiv al valorilor G pentru reacii succesive:n cazul
a dou reacii succesive, valorile lui G se nsumeaz:
(1) A B G1
(2) B C G2 Reacia global: A C Gtotal = G1 + G2
Acest principiu explic modul n care o reacie nefavorabil
termodinamic (endergonic, avnd o diferen de energie liber Gen)
poate avea loc n sensul direct prin cuplare cu o reacie exergonic
(avnd Gex), cu condiia ca |Gex| > Gen, astfel nct Gtotal s fie
< 0; o reacie nu poate avea loc n mod independent n sensul
endergonic. Dou reacii sunt cuplate dac energia liber degajat n
reacia exergonic susine desfurarea reaciei endergonice; cuplarea
celor dou reacii se realizeaz printr-un intermediar chimic
comun.
Ex. - formarea glucozo-6-fosfatului:
(1) Glucoz + Pi glucoz-6-fosfat + H2O (G1 = 3,3 kcal/mol) -
reacia endergonic
(2) ATP + H2O ADP + Pi (G2 = 7,3 kcal/mol) - reacia
exergonic
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
Reacia global: Glucoz + ATP glucoz-6-fosfat + ADP (G total = 4
kcal/mol)Cele dou reacii mprtesc intermediarul comun Pi (fosfat
anorganic). Reacia global este exergonic; energia stocat n ATP este
utilizat pentru a susine sinteza glucozo-6-fosfatului. Din punct de
vedere chimic, calea pe care are loc formarea G-6-P (prin
transferul gruprii fosfat din ATP pe glucoz, neavnd loc o hidroliz
a ATP) este diferit de reaciile 1 i 2, dar rezultatul net este
acelai ca i suma celor dou reacii.
Pentru o cale metabolic ce cuprinde mai multe reacii succesive,
fiecare avnd o anumit valoare a lui G:
diferena de energie liber pentru ntreaga cale este Gtotal = G1 +
G2 + G3 + G4 + ..... (datorit caracterului aditiv al variaiei
energiei libere pentru reaciile succesive). Dac Gtotal < 0,
calea metabolic este exergonic n ansamblu i are loc n sensul
figurat mai sus, chiar dac unele reacii individuale au G >
0.
Bioenergetic versus cinetic:
- G are o valoare predictiv pentru fezabilitatea energetic a
unei reacii chimice; nu ofer nici o informaie despre viteza
reaciei. Bioenergetica se ocup doar cu starea iniial i cea final a
componenilor reaciei, nu cu mecanismul reaciei sau durata necesar
pentru atingerea echilibrului.
- Viteza unei reacii depinde de mrimea energiei de activare,
precum i de cantitatea i eficiena enzimelor disponibile pentru a
cataliza reacia respectiv n celul; aceste aspecte aparin domeniului
cineticii biochimice.
TRANSFERUL ENERGIEI LIBERE N CURSUL PROCESELOR
METABOLICECelulele organismului uman i obin energia liber prin
catabolismul combustibililor biologici coninui n nutrienii ingerai
(glucide, lipide, proteine) i n depozitele tisulare (de glicogen,
trigliceride, proteine). Catabolismul reprezint una din laturile
metabolismului i cuprinde reacii de degradare (rupere de legturi
covalente), care sunt exergonice.
Anabolismul, cea de a doua latur a metabolismului (sinteza
moleculelor complexe din precursori simpli), cuprinde reacii de
sintez (formare de legturi covalente), care sunt endergonice, deci
se desfoar cu consum de energie liber.
Cum este posibil ca energia liber degajat n procesele catabolice
s poate fi utilizat (transferat) n procesele anabolice, astfel nct
ea s nu se piard sub form de cldur? Cu alte cuvinte, cum se poate
realiza cuplarea unui proces exergonic cu unul endergonic? O
modalitate important este aceea de a sintetiza un compus cu
potenial energetic ridicat n procesul exergonic i de a-l utiliza n
procesul endergonic, realiznd astfel un transfer de energie liber
de la calea exergonic la calea endergonic.
Molecula care joac un rol central n transferul energiei libere
de la procesele exergonice la cele endergonice este ATP (adenozin
trifosfat).
Implicarea ATP ca donor de energie liber: Molecula ATP conine
dou legturi cu potenial energetic ridicat: legtura dintre gruparea
fosfat i gruparea fosfat i legtura dintre fosfatul i fosfatul
(ambele sunt legturi de tip anhidrid acid fosforic). Potenialul
energetic ridicat este obiectivat prin existena unui G cu valoare
negativ mare pentru reacia de hidroliz n ADP i Pi (ruperea legturii
dintre Pi PG = 7,3 kcal/mol) i pentru reacia de hidroliz n AMP i
PPi (ruperea legturii dintre Pi PG = 10,9 kcal/mol).
n procesele biochimice, ATP este donor de energie liber n
reaciile de sintez (n care are loc formarea de noi legturi
covalente, catalizate de enzime din clasa ligazelor).
Donarea energiei din ATP nu are loc prin hidroliza ATP la ADP i
Pi sau AMP i PPi, dei d.p.d.v. strict chimic aa pare a fi
(hidroliza ATP nu realizeaz nimic dect eliberare de cldur, care nu
poate fi transformat n energie liber pentru a permite desfurarea
reaciei de sintez).
Donarea energiei din ATP implic participarea covalent a ATP n
reacia chimic, cu scindarea sa n ADP i Pi (fosfat anorganic) sau n
AMP i PPi (pirofosfat anorganic), parcurgndu-se dou etape:
- mai nti, gruparea fosfat sau AMP din ATP este transferat pe o
molecul substrat (X) (sau pe un rest aminoacidic dintr-o enzim),
devenind ataat covalent i crescnd coninutul de energie liber al
moleculei respective;
- ntr-o a doua etap, gruparea Pi sau AMP este dezlocuit de ctre
cel de al doilea substrat (Y). n felul acesta, o parte din energia
legturii fosfoanhidridice din ATP este transferat i conservat n
noua legtur covalent format ntre X i Y.
(1) X + Y + ATP XY + ADP + Pi sau (2) X + Y + ATP XY + AMP + PPi
X + ATP X~P + ADP X + ATP X~AMP + PPi
X~P + Y XY + Pi X~AMP + Y XY + AMP
n reacia (2), pirofosfatul anorganic (PPi) este hidrolizat la
2Pi sub aciunea pirofosfatazei anorganice (enzim prezent n toate
celulele), ntr-o reacie exergonic. ndeprtarea PPi din mediu face ca
echilibrul reaciei de sintez s fie i mai mult deplasat spre
dreapta.
i ali compui au potenial energetic ridicat (valori negative mari
pentru G la hidroliz). Compuii fosforilai din organism pot fi mprii
n dou grupe, n funcie de G pentru reacia de hidroliz:
- compui nalt energetici (conin legturi de tip macroergic,
simbolizate prin ~) - au G la fel de negativ sau mai negativ dect
ATP-ul (la scindarea n ADP i Pi: 7,3 kcal/mol);
- compui cu energie joas (conin legturi de tip microergic) - au
G mai puin negativ dect aceast valoare.
Compuii nalt energetici au un potenial ridicat de transfer de
grupare chimic - pot transfera o grupare fosfat (sau acil) pe un
alt compus: ATP i ali nucleozid trifosfai - GTP, UTP, CTP (2
legturi tip anhidrid acid fosforic)
Fosfoenolpiruvat 1,3-Difosfoglicerat Acil-CoA
(legtur enol-fosfat) (legtur anhidridic (legtur
tiol-esteric)
tip carboxil-fosfat)
Creatin-fosfat (legtur N-fosfat, tip fosfo-guanidin)
- ATP este un donor universal de energie, pentru diverse procese
biochimice i fiziologice;
- UTP este utilizat n procesul de sintez a glucidelor;
- CTP este folosit n sinteza lipidelor complexe;
- GTP furnizeaz energie n procesul de sintez a proteinelor;
- fosfoenolpiruvat i 1,3-difosfoglicerat sunt intermediari ai
glicolizei (cale de degradare a glucozei cu scopul de a genera
energie);
- acil-CoA reprezint forma activ a acizilor grai, sub care
acetia particip att la procesul de degradare ct i la sinteza
diverselor clase de lipide.
n general, compuii fosforilai macroergici nu reprezint forme de
stocare pe termen lung a energiei; ei sunt forme tranzitorii de
depozitare a energiei, avnd rolul de a transporta energia dintr-un
punct n altul, de la un sistem enzimatic la altul, n cursul
defurrii proceselor biologice i chimice din celul. ATP-ul are un
turnover rapid (viteza de degradare i resintez este mare).
Excepie face creatin-fosfatul, care reprezint o form de stocare
a energiei n muchiul scheletic (i miocard), utilizabil n condiiile
creterii substaniale a necesarului energetic n cursul efortului
fizic susinut. Compui cu energie joas:
Esteri fosforici (ex. glucoz-6-fosfat, fructoz-6-fosfat,
glicerol-fosfat)
ATP are o poziie intermediar n ceea ce privete valoarea G la
hidroliz (tabelul 1); n consecin: ATP poate fi sintetizat prin
transferul, pe ADP, a unei grupri fosfat de la compuii nalt
energetici care au G mai negativ dect 7,3 kcal/mol, conform ecuaiei
generale:
n cursul catabolismului nutrienilor (n vederea disponibilizrii
energiei libere coninute n moleculele lor) au loc 3 asemenea reacii
generatoare de ATP (vor fi expuse ulterior); la acestea se adaug
reacia de sintez a ATP prin transferul unui fosfat nalt energetic
din creatin-fosfat, care are loc n muchi. ATP poate dona un fosfat
nalt energetic unor compui (cum sunt glucoza, fructoza, glicerolul,
etc), transformndu-i n specii fosforilate mai reactive (mbogite n
energie liber) i favoriznd, astfel, metabolizarea ulterioar a
acestora; asemenea reacii sunt catalizate de kinaze:
Deci ATP-ul poate transporta energia liber ntre cele dou
categorii de compui biochimici (nalt energetici i cu energie joas)
servete ca moneda energetic universal n celulele vii.
Tabel 1. Valorile G la hidroliz pentru unii compui cu importan
biochimic.
Compui chimiciG (kcal/mol)
nalt energetici
Fosfoenolpiruvat 14,8
1,3-Difosfoglicerat 11,8
Creatin fosfat 10,3
ATP ( AMP + PPi) 10,9
Acil-CoA 7,5
ADP ( AMP + Pi) 7,8
*ATP ( ADP + Pi) 7,3
Cu energie joas
PPi ( 2Pi) 4,6
AMP ( adenozin + Pi) 3,4
Glucoz-1-fosfat 5
Fructoz-6-fosfat 3,8
Glucoz-6-fosfat 3,3
Glicerol-3-fosfat 2,2
REACII DE OXIDO-REDUCEREEnergia liber coninut n moleculele
combustibililor metabolici este disponibilizat n urma degradrii
acestora pe diverse ci catabolice, n mod particular n reaciile de
oxidare. Multe procese catabolice au natur oxidativ, deoarece
atomii de C din moleculele cu rol de combustibil sunt ntr-o stare
redus. Transferul de electroni (e) n reacii de oxido-reducere este
responsabil, direct sau indirect, de majoritatea energiei libere
degajate n cursul proceselor catabolice.
Fie reacia de oxido-reducere:
Ared + Box Aox + Bred (ex: Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+) donorul de e
(Ared) este agentul reductor pierznd e, el se oxideaz;
acceptorul de e (Box) este agentul oxidant ctignd e, el se
reduce.
Reacia de mai sus poate fi scris sub forma a dou jumti de
reacie:
Ared Aox + n e
Box + n e BredAred/Aox i Bred/Box formeaz dou cupluri
oxido-reductoare. Fiecare cuplu oxido-reductor este caracterizat de
potenialul redox (E), care este o msur a afinitii pentru electroni
(a disponibilitii de a accepta electroni).
ntr-o reacie de oxido-reducere, e se deplaseaz de la cuplul
donor de e (cu afinitate mai mic pentru e, E mai mic) spre cuplul
acceptor de e (cu afinitate mai mare pentru e, E mai mare).
Potenialul redox n condiiile reale existente n celul (E) poate
fi calculat conform ecuaiei lui Nernst:
E = E + (RT/nF) ln [Ox]/[Red]
unde E este potenialul redox standard, n - numrul de e
transferai, F - constanta Faraday = 96,480 J/Vmol, [Ox] i [Red] -
concentraia formei oxidate, respectiv concentraia formei reduse a
cuplului oxido-reductor.
n cursul proceselor catabolice, oxidrile sunt, n majoritatea
cazurilor, dehidrogenri catalizate de dehidrogenaze (DH, enzime din
clasa oxido-reductazelor):
AH2 + B A + BH2
n reaciile de dehidrogenare se transfer, de la o molecul donoare
la o molecul acceptoare, 2 echivaleni reductori (termenul de
echivalent reductor se refer la un electron, un atom de hidrogen
sau un ion hidrid H:, care particip la o reacie de
oxido-reducere).
n cadrul cilor metabolice de degradare a combustibililor
biologici, n reaciile de dehidrogenare catalizate enzimatic,
electronii de la multiple substrate diferite sunt canalizai spre
cteva tipuri de transportori de e universali: coenzimele piridinice
i cele flavinice.
Dehidrogenaze dependente de coenzimele nicotinamidice (sau
piridinice, provenite din vitamina PP sau nicotinamida) catalizeaz
reacii de tipul:
AH2 + NAD(P)+ A + NAD(P)H + H+
NAD+ i NADP+ accept un ion hidrid (H: - un atom de hidrogen cu
un electron suplimentar) de la un substrat care cedeaz doi atomi de
hidrogen, un proton fiind eliberat n mediu:
NAD(P)+ + 2e + 2H+ NAD(P)H + H+
NAD+ NADHMajoritatea dehidrogenazelor care acioneaz n catabolism
sunt specifice pentru NAD+ ca acceptor de e; unele sunt localizate
n citosol, altele n citoplasm, iar altele au izoenzime
mitocondriale i citosolice.
Dehidrogenaze dependente de coenzimele flavinice (provenite din
vitamina B2 sau riboflavina) fac parte din categoria
flavoproteinelor i catalizeaz reacii de tipul:
AH2 + FMN/FAD A + FMNH2/FADH2
FMN i FAD accept doi atomi de H de la substrat:
FMN/FAD + 2e + 2H+ FMNH2/FADH2
FAD FADH. FADH2Coenzimele flavinice, spre deosebire de cele
nicotinamidice, sunt legate ferm de apoenzim, de aceea se mai
numesc grupri prostetice. E (potenialul de reducere standard)
pentru coenzima legat de apoenzim are o valoare particular pentru
acea flavoprotein, depinznd de proteina cu care coenzima este
asociat, aceast valoare fiind de multe ori diferit de valoarea E
pentru flavina liber.
Coenzimele flavinice pot accepta de la substrat un singur atom
de H (transformndu-se n forma parial redus FADH.) sau 2 atomi de H
(transformndu-se n forma complet redus FADH2). Ca urmare,
flavoproteinele pot servi ca intermediari ntre reaciile n care sunt
cedai 2 e i reaciile n care este acceptat un singur e.
Prin reducerea celor dou tipuri de coenzime n procesele
catabolice, are loc conservarea unei mari pri a energiei libere
degajate prin oxidarea combustibililor metabolici.
FOSFORILAREA OXIDATIV (PO)
Reprezint punctul culminant al metabolismului generator de
energie: toate cile de degradare oxidativ a glucidelor, lipidelor i
aminoacizilor converg spre aceast etap final, n care energia
eliberat n procesele de oxidare este utilizat pentru sinteza
ATP.
Energia liber degajat n cursul proceselor catabolice (n reaciile
de dehidrogenare) este conservat temporar n molecula coenzimelor
reduse NADH i FADH2; prin oxidarea ulterioar a acestora (transferul
electronilor la oxigen), energia conservat devine disponibil pentru
a susine sinteza ATP din ADP i Pi.
PO are dou componente:
componenta exergonic: lanul transportorilor de electroni (lanul
respirator, LR), care transfer echivalenii reductori de la NADH i
FADH2 pn la oxigen;
componenta endergonic: sinteza ATP prin fosforilarea ADP-ului,
sub aciunea ATP sintazei.
Sediul PO este mitocondria. Acest organit celular are dou
membrane care nconjoar matricea mitocondrial:
Membrana extern este permeabil pentru molecule mici i ioni, care
trec liber prin canale proteice transmembranare.
Membrana intern este impermeabil pentru majoritatea moleculelor
mici hidrosolubile i a ionilor; moleculele care o pot strbate o fac
cu ajutorul unor transportori specifici. Aceast membran conine
componentele LR i ATP sintaza.
Matricea mitocondrial conine enzimele care intervin n toate cile
de degradare oxidativ a substratelor energogene, cu excepia
glicolizei.
PO implic reducerea O2 la H2O cu electronii cedai de ctre NADH i
FADH2, care la rndul lor au colectat aceti e din cile catabolice.
Dac transferul de e de la NADH sau FADH2 la O2 s-ar face direct,
s-ar degaja o cantitate extrem de mare de cldur; ca urmare, acest
transfer se realizeaz n mai multe etape, prin intermediul unor
transportori de e care acioneaz secvenial i care constituie lanul
respirator (acesta fiind calea final comun prin care electronii
provenii de la diveri combustibili biologici sunt transferai pe
oxigen). Componentele LR cuprind:
Ubiquinona (coenzima Q) este o benzoquinon liposolubil cu o
caten lateral izoprenoid lung. Poate accepta 1 H (devenind radical
semiquinonic .QH, forma parial redus) sau 2 H (devenind ubiquinol
QH2, forma complet redus) ca i flavoproteinele, poate aciona la
jonciunea dintre un donor de 2 e i un acceptor de 1 e. Avnd o
molecul mic i hidrofob, este uor difuzibil prin bistratul lipidic
al membranei mitocondriale interne.
Proteinele cu Fe-S conin fier nu n componena hemului, ci n
asociere cu atomi de sulf anorganic sau cu sulf aparinnd unor
resturi de Cys din partea proteic. Variaz de la structuri simple cu
un singur atom de Fe coordinat la 4 grupri SH ale Cys, pn la centri
cu Fe-S mai compleci, cu 2 sau 4 atomi de Fe. Toate proteinele cu
Fe-S particip la transferuri de 1 e.
Citocromii sunt hemoproteine, de 3 tipuri (a, b, c) cu spectre
de absorbie diferite n vizibil. Hemul din cit a i b este legat
ferm, dar necovalent de partea proteic, pe cnd cel din cit c este
legat covalent prin intermediul unor resturi de Cys. E (potenialul
de reducere standard) al atomului de Fe hemic al unui citocrom
depinde de asocierea cu o anumit parte proteic, fiind diferit
pentru fiecare citocrom. Citocromii tip a, b i c1 sunt proteine
integrale din membrana mitocondrial intern; excepie face cit c,
care este o protein solubil ce se asociaz cu faa extern a membranei
mitocondriale interne. Citocromii pot accepta/ceda un singur
electron:
cit (Fe3+) + 1 e cit (Fe2+) (forma oxidat) (forma
redus)Componentele lanului respirator sunt aezate n ordinea
creterii potenialului redox (E).
Transportorii de e din LR sunt organizai n 4 complexe
supramoleculare integrate n membrana mitocondrial intern.
Complexele I i II catalizeaz transferul de e ctre coenzima Q, de la
doi donori de e diferii: NADH, respectiv succinat.
Complexul I (NADH dehidrogenaza)
Conine o flavoprotein cu FMN i mai muli centri cu Fe-S.
Catalizeaz transferul unui ion hidrid (H:+) de la NADH i al unui
proton din matrice, la coenzima Q, conform ecuaiei generale:
NADH + H+ + CoQ NAD+ + CoQH2
Electronii curg de la NADH FMN centrii cu Fe-S coenzima Q.
Complexul II (succinat dehidrogenaza)Este o enzim legat de membrana
mitocondrial intern. Conine centri cu Fe-S i FAD legat ferm.
Catalizeaz transferul a 2 atomi de H de la succinat la coenzima Q,
prin oxidare succinatul transformndu-se n fumarat (succinatul este
un intermediar dintr-o cale metabolic degradativ numit ciclul
Krebs, care va fi descris ulterior).
Fluxul e prin complexul II este de la succinat (substratul
enzimei) FAD centrii cu Fe-S situsul de legare al coenzimei Q.
Ecuaia reaciei catalizate de ctre complexul II este:
Succinat + CoQ fumarat + CoQH2
n afar de succinat, mai exist i alte substrate care sunt oxidate
de ctre dehidrogenaze mitocondriale i care i trimit e n LR la
nivelul coenzimei Q, dar nu prin intermediul complexului II:
- acil-CoA dehidrogenaza este o flavoprotein care intervine n
degradarea acizilor grai; ea catalizeaz transferul e de la acil-CoA
la FAD-ul din componena enzimei, apoi electronii sunt transferai la
ETF (electron transferring flavoprotein), iar de aici la
ETF:ubiquinon oxidoreductaza, care i transfer n cele din urm pe
coenzima Q;
- glicerol-3-fosfat dehidrogenaza este o flavoprotein localizat
pe faa extern a membranei mitocondriale interne, care canalizeaz e
din glicerol-3 fosfat spre coenzima Q; aceast enzim are rol
important n transferul echivalenilor reductori de la NADH citosolic
n lanul respirator.
CoQH2 (coenzima Q care a fost redus sub aciunea complexului I
sau a complexului II) difuzeaz n membrana mitocondrial intern pn la
complexul III, unde va fi oxidat. Fiind capabil s accepte i s
cedeze 1 sau 2 electroni, coenzima Q are o poziie intermediar ntre
un donor de 2 e (NADH, prin intermediul complexului I i succinat,
prin intermediul complexului II) i un acceptor de 1 e (citocromul b
din componena complexului III).
Complexul III (citocrom c reductaza)
Conine citocromii b i c1 i proteine cu Fe-S. Transfer e de la
coenzima Q redus la citocromul c, conform ecuaiei:
CoQH2 + 2 cit c (Fe3+) CoQ + 2 cit c (Fe2+) + 2 H+
Rezultatul net al activitii complexului III: CoQH2 este reoxidat
i 2 molecule de cit c sunt reduse.
Citocromul cEste o protein solubil din spaiul intermembranar,
asociat cu faa extern a membranei mitocondriale interne. Accept 1 e
de la complexul III, dup care se deplaseaz spre complexul IV pentru
a-i ceda electronul.
Complexul IV (citocrom c oxidaza)
Transport e de la citocromul c la oxigenul molecular, reducndu-l
la H2O. Conine citocromii a i a3 (asociai), precum i ioni de cupru:
CuA (Cu complexat cu o grupare SH aparinnd cisteinei, formnd un
centru Cu-S asemntor centrilor Fe-S) i CuB (asociat cu cit
a3).Transferul de e prin complexul IV este de la cit c CuA hemul a
hemul a3 CuB O2. Pentru fiecare 2 e pasai prin complex, 2 H+ din
matrice sunt utilizai pentru a transforma O2 n H2O. Ecuaia reaciei
catalizate de complexul IV:
2 cit c (Fe2+) + 2 H+ + O2 2 cit c (Fe3+) + H2O
Transferul global al electronilor prin lanul respirator:
Energia degajat prin transferul e prin LR este conservat
eficient n gradient de protoni:
Transferul a 2 e de la NADH prin lanul respirator pn la O2 poate
fi scris astfel:
NADH + H+ + O2 NAD+ + H2O
Reacia este puternic exergonic: G = 52,6 kcal/mol.
Pentru oxidarea succinatului: succinat + O2 fumarat + H2O, G =
35,8 kcal/mol.
Mare parte din energia liber degajat prin transferul e la oxigen
este utilizat pentru a pompa H+ n afara matricei mitocondriale (din
matrice spre spaiul intermembranar). Pentru fiecare pereche de e
transferai la O2, 4 H+ sunt pompai de ctre complexul I, 4 H+ de
ctre complexul III i 2 H+ de ctre complexul IV (deci complexele I,
III i IV joac rol de pompe de H+).
n felul acesta se creeaz un gradient al protonilor: concentraie
mai mare de H+ pe faa extern a membranei mitocondriale interne i
concentraie mai mic n matrice. Acest gradient are dou
componente:
- gradient electric: exteriorul membranei mitocondriale interne
este mai pozitiv fa de interiorul su;
- gradient chimic: pe faa extern a membranei mitocondriale
interne, pH-ul este mai acid n comparaie cu faa sa matriceal.
n acest gradient este stocat o energie electro-chimic, ce
reprezint o conservare temporar a unei mari pri a energiei
eliberate prin transferul e pn la oxigen (aprox. 90%). Energia
stocat astfel se numete for proton-motoare: atunci cnd H+ curg
spontan n sensul gradientului lor electrochimic, energia stocat n
acest gradient devine disponibil pentru a efectua travaliu:
susinerea sintezei ATP din ADP i Pi.
Sinteza ATPAre loc la nivelul complexului V: ATP sintaza sau
complexul Fo-F1. Acest complex are dou componente (domenii
funcionale):
Fo este integrat n membrana mitocondrial intern; este alctuit
din 3 tipuri de subuniti (a, b i c) n proporiile ab2c10. Are un
canal (por) central pentru H+ prin care protonii curg n sensul
gradientului de concentraie, din spaiul intermembranar spre
matrice.
F1 este localizat pe faa intern a membranei mitocondriale
interne (proemin spre matrice) i este asociat cu Fo. Este alctuit
din 9 subuniti: Subunitile ialterneaz, fiind dispuse ca feliile de
portocal. Fiecare din cele trei subuniti conine un centru catalitic
pentru sinteza ATP. Subunitatea formeaz un ax central care trece
prin F1 i este asociat cu Fo.
a) F1 izolat de Fo catalizeaz hidroliza ATP (ATP + H2O ADP + Pi,
G = 7,3 kcal/mol), motiv pentru care a fost denumit iniial F1
ATP-aza.b) F1 integrat n membrana mitocondrial intern, asociat cu
Fo, catalizeaz sinteza ATP: ADP + Pi ATP + H2O. Reacia fiind
puternic endergonic (G = 7,3 kcal/mol), poate avea loc doar n
condiiile n care att ATP ct i H2O sunt ndeprtate eficient din
mediul de reacie, astfel nct concentraia lor s fie meninut la
valori mult mai mici dect concentraia ADP i Pi (n felul acesta G
real poate fi negativ). Aceste condiii sunt create n centrii
catalitici ai ATP sintazei:
- mediul hidrofob menine concentraia moleculelor de H2O la o
valoare redus;
- ATP este ndeprtat printr-un mecanism rotativ mobilizat de
curentul de protoni care trec din spaiul intermembranar spre
matricea mitocondrial (n sensul gradientului de concentraie), prin
porul existent n componenta Fo.
Mecanism de cataliz rotaional la nivelul ATP sintazei, propus de
ctre Paul Boyer:
Cei 3 centri catalitici ai subunitilor se pot gsi n 3 conformaii
diferite: -ATP (cu afinitate mare pentru ATP),-ADP (cu afinitate
mare pentru ADP) i-empty (cu afinitate foarte mic pentru ATP i
ADP). Fiecare centru catalitic trece succesiv prin fiecare din cele
trei stri: mai nti-ADP (leag ADP i Pi) are loc sinteza ATP, n
acelai timp centrul catalitic trecnd la conformaia -ATP n final,
subunitatea trece la conformaia -empty, cu afinitate foarte mic
pentru ATP, care va fi eliberat de pe suprafaa enzimei. Apoi ncepe
o nou rund de cataliz.
Aceste modificri conformaionale ciclice sunt determinate de
pasajul H+ prin porul Fo: acest curent de H+ determin rotaia
cilindului format din subunitile c i a subunitii ataate. Aceasta
din urm trece prin centrul sferoidului . Cu fiecare rotaie de 120,
vine n contact cu o subunitate diferit, iar contactul foreaz acea
subunitate s treac n conformaia -empty, determinnd eliberarea
ATP.
n concluzie:
- prin transferul e de la NADH sau succinat la O2, prin lanul
respirator, se degaj o anumit cantitate de energie liber aceasta
este utilizat la pomparea de H+ n afara matricei mitocondriale de
ctre complexele I, III i IV se creeaz un gradient de H+;- energia
electro-chimic ce este coninut n gradientul de H+ reprezint o for
proton-motoare: aceasta permite sinteza ATP la nivelul componentei
F1 a ATP sintazei, pe msur ce H+ curg pasiv (n sensul gradientului
lor electrochimic) napoi n matrice prin porul de la nivelul Fo.
Pentru ca fora proton-motoare s poat fi folosit la sinteza ATP,
este absolut necesar ca membrana mitocondrial intern s fie
impermeabil pentru H+, astfel nct gradientul de H+ s se menin i
protonii acumulai n spaiul intermembranar s se poat ntoarce n
matrice numai prin porul Fo.
Acest model pentru sinteza ATP se numete modelul chemiosmotic i
a fost propus de ctre Peter Mitchell: termenul chemiosmotic descrie
o reacie enzimatic ce implic, simultan, o reacie chimic i un proces
de transport.
ADP + Pi + nH+ext ATP + H2O + nH+int
(H+ext sunt protonii de pe faa extern a membranei mitocondriale
interne; H+int sunt protonii ajuni pe faa intern a membranei
mitocondriale interne).
Raportul P/O = numrul de molecule de ATP sintetizate pentru O2
redus la H2O, sau pentru fiecare 2 e transferai n LR:
- experimental s-a constatat c numrul de H+ necesari pentru
sinteza unei molecule de ATP este 4;
- atunci cnd NADH este oxidat n LR, sunt pompai 10 H+ la nivelul
complexelor I, III i IV (4 + 4 + 2) raportul P/O este 10:4 = 2,5
(prin rotunjire se va considera ca fiind 3);
reacia de oxidare a NADH cuplat cu sinteza ATP este:
NADH + H+ + O2 + 3ADP + 3Pi NAD+ + 3ATP + 4H2O- atunci cnd
succinatul este oxidat n LR, sunt pompai 6 H+ la nivelul
complexelor III i IV (4 + 2) raportul P/O este 6:4 = 1,5 (prin
rotunjire se va considera ca fiind 2);
reacia de oxidare a succinatului cuplat cu sinteza ATP este:
succinat + O2 + 2ADP + 2Pi fumarat + 2ATP + 3H2O Cele 2 procese
- lanul respirator i fosforilarea ADP - sunt cuplate n mod
obligatoriu: nici unul nu poate avea loc fr cellalt.
Inhibitorii pasajului electronilor de la NADH sau succinat pn la
O2 blocheaz sinteza ATP:
Pentru ca transferul de e prin LR s degaje energie liber, care
apoi s poat fi utilizat la sinteza ATP, este necesar ca e s ajung
pn la acceptorul final (O2), astfel nct componentele LR s se
reoxideze i s fie apte de a transfera noi e. Blocarea LR la un
anumit nivel face ca transportorii situai nainte de blocaj s rmn n
stare redus, incapabili de a mai transporta noi e spre oxigen; n
consecin, nceteaz degajarea de energie liber sinteza ATP devine
imposibil.
- amital (un barbituric) i rotenona (produs din plante utilizat
ca insecticid) inhib fluxul e de la complexul I la coenzima Q;
- malonatul (similitudine structural cu succinatul) inhib
competitiv complexul II (succinat dehidrogenaza);
- antimicina A (un antibiotic toxic) inhib LR ntre cit b i cit
c1 (n cadrul complexului III);
- cianurile i monoxidul de carbon inhib citocrom oxidaza
(complexul IV).
Inhibarea sintezei de ATP blocheaz transferul e la O2:
Dac sinteza ATP nu poate avea loc sau fluxul H+ spre matrice
(prin componenta Fo) este blocat, H+ pompai nu se mai pot ntoarce n
matrice. Pe de alt parte, ei continu s fie expulzai prin
activitatea LR, ceea ce duce la crearea unui gradient de H+ foarte
mare. La un moment dat, energia eliberat prin transferul e de la
NADH la O2 devine mai mic dect energia necesar pomprii protonilor.
n acest moment, transferul e nu mai poate continua, trebuie s se
opreasc.
- oligomicina este un antibiotic toxic care inhib ATP sintaza
(componenta Fo) inhib att sinteza ATP ct i transferul e la O2.
Decuplarea lanului respirator de fosforilarea ADP poate fi
realizat:
- 2,4-dinitrofenolul este un decuplant chimic: acid slab cu
molecul hidrofob, care poate strbate membrana mitocondrial intern.
Intr n matrice n form protonat i elibereaz un H+ se ntoarce n
spaiul intermembranar n form deprotonat; aici capteaz un proton
traverseaz din nou membrana i elibereaz protonul n matrice .a.m.d.;
n felul acesta, DNP permeabilizeaz membrana mitocondrial intern
pentru H+, disipnd astfel gradientul de protoni transmembranar
(este un protonofor).
- ionofori ca valinomicina permit ionilor anorganici s treac
prin membrana mitocondrial intern, disipnd componenta electric a
gradientului electro-chimic.
n urma decuplrii celor dou procese, transferul de e n LR
continu, dar energia eliberat n cursul acestui proces nu mai poate
fi utilizat pentru sinteza ATP este disipat sub form de cldur.
Decuplani fiziologici: n esutul adipos brun, bogat reprezentat
la animalele hibernante, prezent i la nou nscui, exist o protein
numit termogenina (UCP1 - uncoupling protein 1): aceasta formeaz un
canal n membrana mitocondrial intern, care permite transferul
protonilor din spaiul intermembranar spre matrice. n felul acesta,
gradientul de protoni format prin activitatea lanului respirator
este disipat i ATP sintaza este scurt-circuitat, energia degajat n
lanul respirator fiind transformat n cldur. Aadar termogenina are
rol n termogenez. Reglarea fosforilrii oxidative - de ctre nevoile
energetice celulare:Rata respiraiei (consumul de oxigen, sau altfel
spus viteza transportului electronilor prin lanul respirator) n
mitocondrie este reglat riguros; n general este limitat de
disponibilitatea de ADP ca substrat pentru fosforilare, avnd n
vedere cuplarea dintre cele dou procese (n prezena ADP, rata
consumului de O2 este semnificativ mai mare dect n absena ADP).
Concentraia intracelular a ADP este o msur a statusului
energetic al celulei.
atunci cnd consumul de ATP crete (pentru diverse procese ce au
loc cu consum de energie), acesta este scindat n ADP i Pi rezervele
de ATP scad iar concentraia ADP crete (aceasta semnific faptul c
rezervele energetice ale celulei trebuie refcute) crescnd
cantitatea de ADP disponibil pentru procesul de fosforilare, rata
respiraiei va crete aceasta va determina regenerarea ATP;
atunci cnd consumul de ATP este redus, n celul se menin
concentraii ridicate de ATP (ceea ce semnific satisfacerea
necesitilor energetice) n aceste condiii, concentraia ADP este
sczut scznd cantitatea de ADP disponibil pentru fosforilare, rata
respiraiei va scdea.
Reglarea ratei respiraiei are loc sincronizat cu reglarea
vitezei cilor metabolice de degradare a combustibililor biologici,
care duc la sintez de ATP. Acestea sunt, n general, controlate
feedback de nivelul ATP: o cretere a concentraiei ATP (ca urmare a
utilizrii sale reduse) determin scderea vitezei cilor degradative,
n timp ce creterea utilizrii ATP duce la scderea nivelului su i
creterea nivelului ADP sau AMP, avnd ca efect creterea vitezei
cilor de oxidare a combustibililor.
Se poate vorbi, astfel, de homeostazia ATP: aceasta se refer la
capacitatea celulelor de a menine niveluri constante de ATP n ciuda
fluctuaiilor mari n rata utilizrii sale. ATP-ul se formeaz att de
rapid pe ct este utilizat n activitile celulare consumatoare
energie.
PAGE 15