Reacţia sumară. Bilanţul energetic

Παρουσίαση με θέμα: "Reacţia sumară. Bilanţul energetic"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Reacţia sumară. Bilanţul energetic
CH3COSCoA +3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O + + 2CO2 +3NADH+H +FADH2+GTP+2H +HSCoA

2 Reglarea ciclului Krebs
Citrat sintaza: Inhibată - succinil CoA; AG; NADH; citrat Activată: S- OA, Acetil CoA IzocitratDH: Activată: ADP, Mg, Mn Inhibată: NADH2 şi NADPH2, ATP Alfa cetoglutaratDH Inhibată: succinil CoA; NADH2; Se mare

3 Reacţiile anaplerotice
Reacţiile ce furnizează produşii intermediari ai ciclului Krebs Formarea de OA Piruvat +CO2+ATP▬►OA+ADP+Pi E- piruvatcarboxilaza (biotin dependentă) Asp+αcetoglutarat ▬►OA+Glu În miocard şi muşchi: Fosfoenolpiruvat +CO2+GDP ▬►OA +GTP E- fosfoenolpiruvatcarboxikinaza

4 Reacţiile anaplerotice
2. Formarea alfa cetoglutaratului: Glu+Piruvat ▬►Ala + αcetoglutarat + Ala 3. Formarea lui succinil CoA – din propionil CoA (1. din oxidarea AG cu număr impar de atomi de C; 2. din catabolismul Val, Ile, Met) 4. Formarea fumaratului (din catabolismul Fen şi Tyr)

5

6 Oxidarea biologică Lanţul respirator Fosforilarea oxidativă

7 OBIECTIVELE Oxidarea biologică. Dehidrogenarea substratelor - sursa energetică pentru sinteza ATP - ului. Enziniele dehidrogenăni. Lanţul respirator (schema). Complexele enzimatice. Acceptorii principali de electroni şi protoni, structura lor chimică. Potenţialul de oxido-reducere a componentelor lanţului respirator. Fosforilarea oxidativă. Locurile de fosforilare. Produsele finale ale oxidării. Reglarea intensităţii funcţionării lanţului respirator. Coeficientul P/O, controlul respirator. Decuplarea produselor de oxidare şi fosforilare, principalii agenţi decuplanţi. Rolul biologic al produsului de decuplare, respiraţia liberă. Mitocondriile, structura şi permeabilitatea selectivă a membranelor pentru diferiţi cumpuşi.. Sistemele-navetă de transport al echivalenţilor de reducere. Ipotezele principale, care explică procesele fosforilării oxidative. Ipoteza lui Mitchell. Oxidarea microzomală, rolul citocromului P450 în reacţiile de oxido-reducere. Vitaminele şi rolul lor în procesele de oxidare biologică. Noţiune de radicali liberi. Oxidarea peroxidică a acizilor graşi nesaturaţi din membrane. Sistemele de protecţie a celulei de acumilarea radicalilor liberi.

8 Oxidarea biologică. Dehidrogenarea substratelor
Oxidarea biologică. Dehidrogenarea substratelor. Enzimele dehidrogenării. Oxidarea biologică (OB) reprezintă totalitatea reacţiilor de oxido-reducere ce decurg în celule şi ţesuturi. Rolul: asigură organismul cu energie accesibilă în formă de ATP. OB are loc prin reacţii de dehidrogenare → donarea atomilor de H2 sub formă de protoni şi electroni: H2→2H +2 ē. Are loc sub acţiunea enzimelor → dehidrogenaze, ale căror Co sunt NAD+ şi FAD

9 SUBSTRATELE NAD E- izocitratDH
1. Izocitrat +NAD→ alfa-cetoglutarat +NADH+H E- izocitratDH 2. Alfa-cetoglutarat +NAD → succinil Coa +NADH+H E-alfacetoglutaratDH 3.Malat +NAD →OA+NADH+H E-malatDH 4.Lactat +NAD →Piruvat +NADH+H E-lactatDH 5. Gliceraldehidfosfat +NAD +H3PO4→1,3 difosfoglicerat +NADH+H E- GAP DH 6. Hidroxiacil CoA +NAD →cetoacil Co-A +NADH+H E-hidroxiacil -CoA DH

10 SUBSTRATELE FAD dependente
Succinat +FAD →Fumarat +FADH2 E- succinat DH Acil CoA + FAD →enoil-CoA+FADH2 E- acil CoA DH NADH+H+ şi FADH2 rezultaţi în reacţiile de oxidare a acestor substrate transferă p şi ē în lanţul respirator.

11 Lanţul respirator (LR). Rolul. Structura.
LR - un ansamblu (complex) de enzime şi sisteme de oxido-reducere, ce participă la transferul H+ şi ē de la Co reduse (NADH, FADH2) la O2 cu formarea H2O. Este ultima etapă a degradării aerobe. Este localizat în membrana internă a MC Funcţia LR: Prin transferul protonilor şi electronilor → Co se reoxidează, putînd asigura dehidrogenări în continuare. Cînd Co se reoxidează, se eliberează energie ce serveşte la sinteza ATP.

12 Componentele LR 1. NADH+H sau FADH2
2. Flavoproteinele FP: preiau p şi e- de la NADH+H sau FADH2 FPN (NADH DH) - ca Co FMN - preia H2 de la NADH+H FPs (succinatDH)- ca Co FAD- preia H2 de la FADH2 3. CoQ-ubichinona – până la CoQ sunt transportaţi atât p cât şi e- 4. Sistemul de citocromi: b, c1, c, a şi a3 Sunt compuşi heteroproteici,a căror grupare prostetică este hemul Transportă doar e – Fe+++ + e-  Fe++ 1 citocrom transportă doar 1e e- sunt transportaţi de 2 citocromi 5. Fe-S proteinele –sunt localizate : a. între FP şi CoQ b. între cit b şi citc1

13 Schema LR

14

15 Structura componentelor LR

16

17

18 Potenţialul de O/R Transferul p şi ē de la NADH sau FADH2 pînă la O2 se face prin intermediul mai multor sisteme redox. Fiecare sistem redox (O/R) este alcătuit dintr-un donor şi acceptor de echivalenţi reducători. Fiecare sistem redox din LR posedă un potenţial de oxido-reducere (potenţial redox), care se măsoară în volţi. Potenţialul redox standard –E0 – mărime egală cu forţa electromotoare exprimată în volţi, ce apare în semiconductor, în care donorul de e- şi acceptorul acţionează în concentraţie de 1,0 mol, la t =25 *c, şi pH 7,0 formând un echilibru cu elecrodul ce adiţionează e- de la donor şi-i transferă la acceptor.

19 Cu cît potenţialul redox este mai electronegativ cu atât este mai înaltă capacitatea de a ceda ē, şi invers, cu cît potenţialul este mai electropozitiv, cu atât este mai înaltă capacitatea sistemului de a adiţiona electroni. Sistemele redox sunt aranjate în ordinea creşterii potenţialului de oxido-reducere.

20 transferul în trepte permite eliberarea energiei în “pachete” a cărei valoare este în jurul lui –7,3 kcal/mol (cât necesită sinteza unui mol de ATP din ADP şi H3PO4). Torentul de ē e orientat în direcţia micşorării energiei libere a sistemului Cu cît e mai mare diferenţa potenţialului dintre 2 redox perechi → cu atît mai mare e diminuarea energiei libere la transferul ē. Ştiind potenţialul redox al fiecărei perechi se pot calcula modificarea energiei libere standard. ΔG = -nFΔE n-numărul de ē F-constanta lui Faraday (23062 cal/V∙mol) ΔE0-diferenţa de potenţial ΔG = -2∙23062[+0,82-(-0,32)] = -52,6 kcal 7,3 x 3 = 21,9 cal Randamentul utilizării energiei libere – 42%

21 FOSFORILAREA OXIDATIVĂ
reprezintă sinteza ATP din ADP şi Pi (cuplată cu LR), pe seama energiei eliberate la transferul echivalenţilor reducători în LR de la coenzimele reduse la O2. Deoarece transferul de ē are loc treptat, energia se eliberează „în pachete” – în trepte . Pentru a se forma ATP diferenţa de potenţial trebuie să fie nu mai mică de 0,22V. Funcţionarea cuplată a LR şi FO este asigurată de 5 complexe

22 Composition of Respiratory Chain Complexes
denumirea No. of Proteins Grupările prostetice Complexul I NADH Dehidrogenaza 46 FMN, Fe-S Complexul II Succinat-CoQ Reductaza 5 FAD, cit b560, Complexul III CoQ-cit c Reductaza 11 cit b562, cit b566, Fe-S, cit c1, Complexul IV Citochrom Oxidaza 13 cit a, cit a3, Cu

23 Complexul I- NADH → CoQ – reductază
Căderea de potenţail 0,42V → ΔG0 = -19,4 kcal/mol - 1mol ATP, restul se degajă sub formă de căldură Inhibat: rotenonă(otravă pentru peşti), Na amital (barbiturat); pericidină (antibiotic)

24 Complexul II- succinat - CoQ-reductaza
Variaţia de potenţial este de 0,07V; ΔG0 = -3,2 kcal/mol – nu se sintetizează ATP Inhibat – malonat (inhibiţie competitivă)

25 Complexul III- CoQ- citocrom c reductaza
Variaţia de potenţial este de 0,21V; ΔG0 = -7,75 kcal – se sintetizează 1mol de ATP. Inhibat → antimicina A

26 Complexul IV- citocromoxidază
Catalizează adiţia a 4ē la O2 molecular (a 2ē la ½O). O2 + 4ē + 4H+ → 2H2O Căderea de potenţial de 0,54V. ΔG = -24,8 kcal → se sintetizează 1mol de ATP Inhibat: CO, ozide, cianide.

27 Complexul V – ATP-sintetază
alcătuită din: F0 → străbate membrana internă a MC, constă din 4 tipuri de proteină ce formează un sistem de pori transmembranari prin care trec protonii- canal de protoni F1- partea catalitică - factor de cuplare 1: se află în intregime în matrixul mitocondrial (formă de sferă). e alcătuită din cinci tipuri de proteine ααα (α3), βββ (β3), γ, δ, ε. la acest nivel are loc reacţia de condensare a ADP + Pi →ATP+H2O Inhibată: oligomicină, atractilatul (glicozidă)

28 Mitochondrial ATP Synthase E. coli ATP Synthase
These images depicting models of ATP Synthase subunit structure were provided by John Walker. Some equivalent subunits from different organisms have different names.

29 Toate componentele LR sunt dispuse în membrana internă a mitocondriilor. CoQ şi cit c funcţionează individual, iar celelalte componente se grupează în complexe.

30

31

32 Locusurile unde are loc sinteza ATP se numesc puncte de fosforilare.
În LR (lanţul respirator) deosebim 3 puncte de fosforilare: NADH+H----CoQ Cit b----citc cita--cita3

33

34 Lanţul respirator NAD + Mal NADH OAA Suc FAD Fum FADH2 3H+ ATP H+ 2H+
MDH NADH OAA Suc FAD Fum FADH2 3H+ ATP H+ 2H+ 2H+ 2H+ ATPase C II SDH H2O O2 2H+ matrix C I NADHDH C III Cyt bc1 Cyt c ox C IV membrana internă 2H+ 2e- QH2 CI: complex I NADHDH: NADH dehydrogenase CII: complex II SDH: succinate dehydrogenase CIII: complex III Cyt bc1: cytochrome bc1 complex CIV: complex IV Cyt c ox: cytochrome c oxidase Mal: malate MDH: malate dehydrogenase NAD+/NADH: nicotinamide adenine dinucleotide OAA: oxaloacetate Suc: succinate FAD/FADH2: flavin adenine dinucleotide Fum: fumarate QH2: ubiquinone Cyt c: cytochrome c (oxidized or reduced) ATPase: ATP synthetase ATP: adenosine triphosphate cyt cox cyt cred spaţiul intermembranar 10H+ims/4H+m = 2.5H+ per ATP

35 Bilanţul general în procesele LR-FO.
NADH + H+ + ½O2 + 3ADP + 3Pi → NAD+ + 3ATP + 4H2O FADH + H+ + ½O2 + 2ADP + 2Pi → FAD + 2ATP + 3H2O Raportul între numărul de moli de ATP produşi şi O2 consumat este numit „cît de fosforilare” P/O. De la NADH+H pînă la O2 - P/O = 3/1 – ramura lungă, De la FADH2 pînă la O2 - P/O = 2/1 – ramura medie. P/O reflectă cuplarea transportului H+ şi ē (respiraţia) şi fosforilarea (sinteza ATP). Coeficient indică ce cantitate de P anorganic (H3PO4) se transformă în P organic (ATP) la transportul unei perechi de H+ şi ē în LR.

36

37 Ipoteze principale cu privire la procesele de FO. Ipoteza lui Mitchell
Prin ce mecanism energia eliberată în LR este cuplată cu formarea ATP? Teoria chimică, numită şi a intermediatorilor comuni (produşi intermediatori macroergici, precursori de ATP). Teoria conformaţională (energia este preluată de o proteină într-o conformaţie activă, ce stimulează ATP). Teoria chemiosmotică (Mitchell, 1961).

38 Ipoteza lui Mitchell Ce postulează că starea intermediară energetică care determină sinteza ATP din ADP+Pi e reprezentată de gradientul de protoni, ce se stabileşte între faţa interioară şi cea exterioară a membranei interne a MC în timpul transferului de electroni.  la transferul unei perechi de ē (energia eliberată) pompează 3 perechi de H2+ din interiorul MC spre exterior(spaţiu intermembranar). Astfel partea externă a membranei interne a MC→ pozitiv, dar cea internă – negativ – apare gradient de c%/ potenţialul transmembranar

39 Gradientul protonilor are 2 componente :
1. Electrică (potenţial de membrană - ∆ψ 2 de pH (∆ pH)gradientul H+ Protonii revin din spaţiu intermembranar în mitocondrii prin partea F0 (deoarece restul membranei este impermiabilă). Acest flux de protoni este forţa morice care determină la nivelul subunităţii F1 sinteza de ATP din ADP+Pi Unul din postulatele teoriei chemiosmotice prevede că apa rezultată în reacţia de formare a ATP din ADP şi Pi se ionizează spontan, ionii H+fiind dirijati spre interiorul mitocondriei (ei urmînd să creeze gradientul protonic) în timp ce ionii OH- sînt dirijati spre spapul intermembranar

40

41 Datele experimentale ce confirmă:
S-a confirmat generarea gradientului de protoni în cele 3 puncte ale LR. Anume – gradientul de protoni se utilizează la sinteza ATP. S-a demonstrat ca pH matrixului mitocondrial creşte, iar cel al mediului extern al membranei MC – scade (acid). S-a argumentat că transferul H+ din MC în timpul transportului de ē şi revenirii lor prin ATP-sintetaza sunt comparabile cu viteza lor din cadrul FO în MC intacte.

42 Transportul mitocondrial al ATP şi ADP
ATP/ADP-translocazei- asigură transferul ADP din citozol în MC în schimbul ATP din MC- citozol. Fosfattranslocaza – transferă Pi în MC, însoţit de deplasarea ionilor de H2.

43 Controlul respirator Organismele vii sintetizează ATP în raport cu necesititatea lui – de aceea FO cuplată cu LR este riguros controlată. Deoarece LR şi FO – etapa finală a degradării G, L, P controlul respirator se poate efectua atât prin compuşi direct implicaţi în LR şi FO, cât şi prin intermediatorii degradării celor 3 clase. Rolul primordial îi revine ADP. F1 din ATP - sintetază rămâne blocat în lipsă de ADP. Intensitatea transferului de protoni prin F0 deasemenea e determinată de nivelul ADP. ADP – reglator alosteric (+) pentru mai multe E ce sunt implicate în degradarea G, L şi P.

44 Controlul respirator Controlul respiraţiei se înfăptuieşte prin intermediul acceptorului - ADP. Lipsa de ADP - inhibă respiraţia şi stopează fosforilarea. La adăugarea de ADP creşte brusc consumul de se activeaza lantul respirator şi ADP se fosforilează la ATP.

45 Decuplarea produselor de oxidare şi fosforilare, principalii agenţi decuplanţi.
La FO contribue: Integritatea membranei interne a MC → orice leziune duce la perderea capacităţii de FO (în timp ce transferul de ē poate continua). Impermeabilitatea membranei interne pentru ionii H+ OH- K+ Cl-. FO poate fi decuplată cu ajutorul unor substanţe chimice, ce inhibă sinteza ATP dar neafectînd decuplanţi – agenţi decuplanţi. La acţiunea lor respiraţia creşte, iar FO este inhibată. protonofori AD ionoforele

46 Protonoforii → măresc permeabilitatea membranei pentru protoni(H+), lichidând potenţialul transmembranar. a.g. liberi 2,4 dinitrofenol salicilaţii (antiinflamatoare) dicumarol (anticoagulant) T3 şi T4 (h.gl.tiroide) Ionoforele – ei leagă şi transferă ionii prin membrană: - valinomicina (↑ K+) , nigericina (↑ K+), gramicidina A → Na+, K+; H+.

47 Decuplanţii H+ 2,4-Dinitrophenol + H+ NO2 O - OH X

48 Inhibitorii ai fosforilării acţionează asupra ATP-sintetazei
Inhibitorii ai fosforilării acţionează asupra ATP-sintetazei. Oligomicina blochează pătrunderea H+ prin FO (închide canalul)  cu încetul slăbeşte respiraţia → întrerupere.

49 Inhibitorii Fosorilării de ADP
Atractyloside X X Oligomycin

50 Fosforilarea oxidativă este influenţată de o serie de agenţi clasaţi în 3 grupe :
- agenti de decuplare- permit transportul electronilordar blochează fosforilarea. Ex.2,4 dinitrofenolul facilitează trecerea prin membrană a H+ - inhibitorii fosforilării oxidative Ex Oligomicina -împedică şi transportul şi fosforilarea oxidativă. - Ionoforii - formează complexe liposolubile cu cationi specifici trecîndui prin membrană.

51 Respiraţia liberă – are loc decuplarea FO de LR şi toată energia este convertită în căldură, care nu se utilizează la executarea funcţiilor celulare. Astfel MC devin o sobă, ce produc căldură. E necesar în situaţii, când necesitatea căldurii este mai mare decât ATP. În ţesutul adipos brun – MC sunt specializate la producerea căldurii (nou-născuţi, animale în hibernare) – termogenina.

52 Oxidarea microsomală Un alt tip de reacţii de OB este cel oxigenazic. Acestea sunt catalizate de monooxigenaze. Lanţurile monooxigenazice de oxidare sunt lanţuri scurte de transport al H+ şi ē a căror sursă sunt NADPH+H SH + O2 +NADPH + H+  S-OH + H2O + NADP+  reducerea O2 şi incorporarea lui în anumiţi compuşi chimici (include un atom de O, celălalt este redus la H2O). un asemenea lanţ este microsomial - localizat în RE al celulelor hepatice şi suprarenale. Rol esenţial îl are cit P450 (activatorul O2). El cuprinde o FP (FAD) la nivelul căreia H2 este disproporţionat în H+ şi ē.

53 Rolul OM Rolul: plastic şi dezintoxicare.
În ficat – hidroxilarea medicamentelor, neutralizarea toxinelor, hormonilor (sunt eliminaţi). În medulosuprarenale – sinteza noradrenalinei şi adrenalinei. În corticosuprarenale – sinteza colesterolului, hormonilor gluco- şi mineralocorticoizi.

54 Noţiune de radicali liberi. Oxidarea peroxidică a AG nesaturaţi
Noţiune de radicali liberi. Oxidarea peroxidică a AG nesaturaţi. Sistemul de protecţie. La reducerea incompletă a O2 se formează forme reactogene şi agresive ale substanţei cum ar fi: superoxidanionul, peroxid; hidroxil sau peroxidul de hidrogen.

55 Aceşti produşi iniţiază OPL, ce se petrece în lanţ cu generarea de peroxizi a AG nesaturaţi.
În condiţii fiziologice ORL şi OPL sunt implicate în reînnoirea membranelor biologice, degradarea substanţelor fagocitare; biosinteza icosanoizilor. Amplificarea lor poate condiţiona moartea celulei (lezarea membranelor). SAO  sistem de protecţie  AO (enzimatic, neenzimatic) SOD  transformarea O2-  în H2O2 2 O2- +2H+  O2- + H2O2 Catalaza 2H2O2  2H2O + O2 Glutation reductaza glutationperoxidaza

56 Eric Niederhoffer SIU-SOM
Oh my! Now what? Alcohol Metabolism EtOH Peroxisome Cytosol ER CAT H2O2 H2O ADH NAD+ NADH MEOS NADP+ NADPH O2 P450 Pyrazole Aminotriazole Acetaldehyde Mitochondrion EtOH: ethanol ADH: alcohol dehydrogenase NAD+/NADH: nicotinamide adenine dinucleotide CAT: catalase MEOS: microsomal ethanol-oxidizing system P450: cytochrome P450 NADP+/NADPH: nicotinamide adenine dinucleotide phosphate AlDH: aldehyde dehydrogenase AlDH NAD+ NADH Disulfiram (antabuse) Chlorpropamide (diabetes) Acetate Extra-hepatic tissue Eric Niederhoffer SIU-SOM

57

58

59