biochimia dinamica

5/28/2018 biochimia dinamica

1/31

CCUURRSS1144BBIIOOCCHHIIMMIIAADDIINNAAMMIICC

Biochimia dinamic studiaz ansamblul transformarilor chimice i fizico-chimice alesubstanelor constituente ale materiei vii, nsoite de schimbri n coninutul de energie(metabolism). Metabolismul, cu cele doulaturi, anabolismuli catabolismul, constituie alturi

de alte caracteristici eseniale (ereditatea, variabilitatea, autoreproductibilitatea, etc.), trsturaeseniala materiei vii.Anabolismul cuprinde procesele de sintezi cretere a complexitii biomoleculelor i

este asociat cu consumul de energie (reacii endergonice). In organismele autotrofe (celuleclorofiliene, bacterii nitrificante, organisme vegetale superioare), substanele organice suntsintetizate (prin fotosintez) din substane minerale (n primul rand CO2), folosind ca sursdeenergie, energia luminoas. Organismele heterotrofe nu-i pot sintetiza substanele organicedin cele de natur mineral, ci triesc pe seama substanelor sintetizate de organismeleautotrofe, folosind ca sursde energie, energia chimic.

Catabolismulcuprinde reaciile de biodegradare a biomoleculelor cu structurcomplexn biomolecule cu structur simpl (CO2, NH3, H2O), procese biochimice care decurg cu

eliberare de energie (reacii exergonice).Transformrile metabolice se desfoar n organismele vii (vegetale i animale) ncondiii fiziologice (la temperatur normal, pH caracteristic fiecrei pri a organismului), nmod continuu, ntr-o strns interdependen, sub aciunea biocatalizatorilor enzime, i prinreglarea fin, mediatde hormoni.

METABOLISMUL GLUCIDELOR

Biosinteza (anabolismul) glucidelor

Biosinteza monoglucidelor

Biosinteza monoglucidelor poate fi exprimatprintr-o reacie global, pornind de la CO2i H2O, substanele precursoare, practic inepuizabile n natur:

n CO2+ m H2O CnH2mOm+ n O2

Energia necesara biosintezei poate fi realizata prin: (a) chimiosintez, (b) fotosintez.

a) Chimiosinteza furnizeaz energia necesar biosintezei compuilor organici prinoxidarea unor compui anorganici: H2, H2S, FeCO3, NH3, etc., cu ajutorul hidrogeno-

bacteriilor, sulfobacteriilor, ferobacteriilor, bacteriilor nitrificante, etc.Importana biologic a chimiosintezei const n faptul c se demonstreaz posibilitateaeliberrii energiei necesare sintezei materiei vii, de ctre celulele autotrofe, n medii minerale.

b) Fotosinteza, procesul de asimilare a CO2 de ctre plantele verzi, este calitativ sicantitativ, cel mai important proces biochimic de pe planet, deoarece reprezint:

principala sursde materie organic(se transformC mineral din CO2n C organic); unica sursde oxigen singurul proces celular care folosete drept surs energetic lumina, pe care o

transformn energie chimic.


2/31

Locul de desfurare a fotosintezei l reprezint cloroplastele, produse de organitespecializate ale celulelor plantelor verzi. Acestea posed ADN propriu, care codific parteaproteici un tip special de membran, denumittilacoid, care conine pigmenii clorofilieni isistemele transportoare de electroni. In cloroplaste, se gsesc alturi de clorofile (a, b, c, d) ipigmeni carotenoidici, care absorb energia luminoas i o cedeaz clorofilei a, singuracapabilso transforme n energie chimic.

Moleculele clorofilelor sunt dispuse n plantele verzi sub forma unor uniti funcionale

denumite fotosisteme, astfel nct, la absorbia luminii s se produc rapid un transfer deenergie de rezonan.

Fotosinteza reprezint n esen, un proces biologic de oxido-reducere, n care luminaeste direct implicatn transferul electronilor i n generarea de ATP.

Fotosinteza se realizeaz n douetape greu de delimitat, datoritrapiditii cu care sesucced foarte rapid:

fotoreacia(etapcare necesitprezena luminii) scotoreacia (etapcare nu necesitimplicarea luminii la transformarea CO2i H2O n

moleculele de glucide)Fotoreacia, prima etap a fotosintezei, este condiionat de prezena energiei

luminoase, necesarfotoactivrii pigmenilor (clorofile, carotenoide) din cloroplaste.

Fotosistemele n care decurge absorbia luminii, reacia cu clorofila i eliberareaelectronilor, deci a poteialului reductor, sunt implicate n douprocese foarte importante:

fotoliza apei i reducerea NADP depozitarea energiei chimice n compusul macroergic ATP.

Schematic acest proces complex, poate fi reprezentat astfel:a)fotoactivarea pigmenilordin cloroplaste (reacie de oxidare)

clorofila + h(cuante de lumin) clorofila fotoactivat++ e-

b) fotoliza apei

2H2O 2H+ + 2OH-

2H+ + 2e- 2H

2H + S CH2

CH2

CH

S (CH2)4 COOH

HS CH2

CH2

CH

HS (CH2)4 COOH

acid lipoic (tioctic) acid lipoic (tioctic)

- forma oxidat- - forma redusc) fotooxidarea

2 HO-+ clorofila fotoreactivata+ 2 OH + clorofila dezactivata(fotooxidare) 2 OH 1/2 O2+ H2O

d) fosforilarea fotosintetica ADP (transformarea energiei luminoase n energie chimic)

ADP + H3PO4+ energie luminoasa ATP


3/31

nsumnd reaciile pariale, se poate scrie ecuaia globala fotoreaciei (ecuaia lui Hill):

2H2O + 2NADP++ ADP + H3PO4= 2NADPH + H

++ 1/2O2+ ATP produsele fotoreaciei

Scotoreacia, a doua etapa fotosintezei, poate decurge i n absena luminii i cuprinde: reacia de asimilare fotosintetica CO2absorbit prin frunze din atmosfer, sau rezultat

din alte procese biochimice obinerea celor mai simple monoglucide (triozele aldehida fosfogliceric i

hidroxoacetonfosfatul), prin participarea produselor fotoreaciei, ATP ca activatorenergetic, NADPH +H+ca agent reductor.

obinerea primei hexoze(fructozo-1,6-difosfat) de la care se pot biosintetiza oligoglucidei poliglucidele, sau care poate participa la regenerarea ribulozei-1,5- difosfat, necesarasimilrii CO2.

Succesiunea de reacii ale scotoreaciei constituie ciclul Benson-Calvin.Dac

aspectul fundamental diferit al fotosintezei, fa

de alte procese biochimice, l

constituie folosirea energiei luminoase pentru a scinda fotolitic apa, a reduce NADP i pentru astoca energia luminoassub formde energie chimicn ATP, reaciile scotoreaciei ncepndde la metabolitul acid-3-fosfogliceric sunt asemntoare celor produse n ficatul organismeloranimale.

Singura etap caracteristic organismelor vegetale este formarea metabolitului acid 3-fosfogliceric, care implic asimilarea CO2 de ctre pentoza ribulozo-1,5-difosfat, prinintermediul celei mai rspndite proteine de pe planeta-ribulozo-1,5-difosfatcarboxilaza.

ase molecule de ribulozo-1,5-difosfat (30 de atomi de C n total) i ase molecule deCO2(6 atomi de C) reacioneazformnd 12 molecule de acid 3-fosfogliceric (36 de atomi deC). Dintre acestea, 2 molecule (2 C3) sunt utilizate pentru a stoca glucide hexoze (C6). Cele 10molecule de acid fosfogliceric rmase (30 atomi de C) produc 6 molecule de ribulozo-1,5-difosfat (30 atomi de C).

Secvena de reacii este complex i implic glucide pentoze, trioze, hexoze, care setransformprin reacii de aldolizare, de transcetolizare, etc, biocatalizate de enzime specifice.


4/31

H2

C

OH

C

O

HC

OH

HC

H2

C

OH

OH

H2

C

O

C

O

H

C

OH

HC

CH

2

OH

O

P P

CH

2

O

C

OH

C

OH

HC C

H2

OH O

PP

H2

C

O

HC

OH

C

O

HC CH

2OH O

P P

ATP

-ADP

CO

2

RIBULOZA

Esterulribulozo-

1.5

-difosfat

forma

dienolica

Esterul3-ceto-

pentoz

o1.5-difosfat

H2

C

O

C

OH

C

O

HC C

H2

OH O

P P

HOOC

C

H2

O

HC

OH

P

C

OOH

C

OOH

HC

OH

H2C

O

P

CH

2

O

HC

OH

P

C

O

H

CH

2

O

C

O

P

H2

C

OH

Acidul2-carboxi-

3-cetopentozo-

1.5difosfat

Ac

idul3-fosfo-

gliceric(APG)

Aldehida

3-fosfoglicerica

Dihidroxi-

acetonfosfat

H2

C

OH

C

O

C

OH

HC

OH

CH

2

O

P

H2

C

OH

C

O

C

H

HC

OH

CH

2

O

P

HO

HC

O

CH

OH

CH

OH

H

2C

O

P

Ribulozo-5-fosfat

Xilulozo-5-fosfat

E

ritrozo-4-fosfat

+

H

ADP

ATP

C

O

C

OH

H2

C

O

H

P

H2

C

OH

C

O

CH

HC

OH

HC

OH

HO

CH

2

O

P

H2

C

O

C

O

CH

HC

OH

HC

OH

HO

CH

2

O

PP

ATP

ADP

Fructoza6-fosfat

Fructoz

a1,6-difosfat

H

Fructoza

Glu

coza6fosfat

Glucoza

Zaharoza

H2

C

OH

C

O

CH

2

O

P

HC

O

C

OH

CH

2

O

P

H

C

O

HC

H

O

H

HC

O

H

HC

O

H

H2

C

O

P

CH

HC

HO

OH

HC

OH

HC

OH

H2

C

O

P

C

O

H2

C

OH

ADP

-ATP

C

H

C

HO

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

2C

O

P

H

C

O

H

2C

O

P

Ribozo-5-fosfat

Sedoheptulozo-7-fosfatSedohe

ptulozo-1,7-fosfat

Ci

clulBENSONCALVIN


5/31

Biosinteza pentozelor

Pentozele, glucide deosebit de importante pentru organismele animale i vegetale (ribozaeste componenta acizilor nucleici i a multor coenzime, iar ribuloza este acceptorul primar laasimilarea fotosintetica CO2), se pot forma prin douci metabolice:

calea (ciclul) pentozofosfailor(degradarea glucozo-6-fosfatului rezultat prin izomerizaredin fructozo-6-fosfat)

combinarea triozelorcu aldehida aceticsau aldehida glicolic.

C

C

H2C

H O

O P

H OH

C

CH2

H O

H

C

CH2

H O

C

C

H OH

OH

H2C

H

O

C

CH2

H O

C

C

H OH

OH

H2C

H

OHP

+ADP

ATP

Aldehida 3-fosfogliceric Ester deoxirobozo-5-fosfat Deoxiriboza

C

C

H2C

H O

O P

H OH

C

H2C

H O

C

C

H O

C

C

H OH

OH

H2C

H

O

C

C

H O

C

C

H OH

OH

H2C

H

OHP

+ADP

ATP

OH

H OH

aldolaza

H OH

Aldehida 3-fosfogliceric Ester ribozo-5-fosfat Riboza

H2C OH

C

H2C

O

O P

C

H2C

O

O P

H

H2C OH

C

C

O

OH

C OH

H2C O P

H

H

H2C OH

C

C

O

OH

C OH

H2C OH

H

H

+ADP

ATP

Hidroxiaceton-3-fosfat Ester ribulozo-5-fosfat Ribuloza

Biosinteza oligoglucidelor

Biosinteza oligoglucidelor reprezint un proces secundar al fotosintezei, respectivtransformarea hexozelor formate n diglucide, triglucide, etc.

Legturile glicozidice dintre moleculele de monoglucide pot fi realizate enzimatic prin doureacii diferite:

transglicozilare(cazul biosintezei amilopectinei i glicogenului)cuplareaunor resturi de glucide activate n prealabil cu compui macroergici (UTP, GTP).


6/31

Zaharoza (zahrul) este prima diglucidaprut n procesul de fotosintezi este uorasimilatde plante. Zaharoza se poate biosintetiza n cantiti mici din ester glucozo-1-fosfat ifructoz, sub influena biocatalitic a enzimei zaharozofosforilazei, prin elimi-narea uneimolecule de acid fosforic.

n cantiti mari, zaharoza se biosintetizeaz prin activarea uneia dintre componente(glucoza) cu compusul macroergic acid uridintrifosforic (UTP).

OH

OH

H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O P

OH

OH

O

N

OH

N

O

OHOH

HH

H

CH2

H

OPO

OH

O O

HO P

O

OH

~ ~O P

O

OH

+

Glucozo-1-fosfat Acid uridintrifosforic (UTP)

OH

OH

H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O P

OH

O

N

OH

N

O

OHOH

H

H

H

CH2

H

OPO

OH

O O

~ PO

OH

O P OH

O

OH

+ HO

Uridin difosfatglucoza (UDPG)

OH

OH

H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O P

OH

O

N

OH

N

O

OHOH

HH

H

CH2

H

OPO

OH

O O

~O

HOH

OHH

CH2

CH2

H

HO OH

O P

+

Uridin difosfatglucoza (UDPG) Fructozo-1-fosfat

OH

OH

H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O

H

CH2

HOHOH

H

HO

HO

+

N

OH

N

O

OHOH

HH

H

CH2

H

OPO

OH

OO

HO PO

OH

~ ~O PO

OH

Zaharoza Acid uridindifosfat (UDP)

Diglucida maltoza se biosintetizeazdupun mecanism asemntor zaharozei, n careesterul glucozo-1-fosfat este transformat n uridindifosfatglucoza (UDPG) pentru a reac iona cuglucozo-1-fosfat, cu formarea maltozei-1-fosfat.


7/31

Biosinteza poliglucidelor

Biosinteza poliglucidelor de rezervglicogen (regnul animal) i amidon (regnul vegetal)decurge cu mare vitezi ncepe cu transformarea glucozo-6-fosfat n glucozo-1-fosfat, reaciecatalizatde enzima fosfoglucomutaza.

Primul pas n sinteza glicogenului n organismele animale este reacia cu compusulmacroergic UTP, cu formarea uridindifosfatglucozei (UDPG), care este apoi transferat pe

resturile de glucoz sau pe un fragment poliglucidic cu formarea glicogenului, sub influenaenzimei glicogensintetaza.

Glicogensintetaza necesit drept starter o catenpoliglucidicde cel puin 4 resturi deglucoz, la care sse lege succesiv alte molecule de UDPG.

Ramificarea prin legturi C1- C6 pe catena glicogenului este catalizatde o enzimderamificare denumitglucanaza.

n plante i n multe bacterii, sinteza amidonului decurge asemntor glicogenului, fiindcatalizatde enzima amidonsintetaza.

OH

CH2OCH2OO

P P

OH

CH2OHCH2O

O

P O

OH

CH2O P

Fructozo-1,6-difosfat Fructozo-6-fosfat Glucozo-6-fosfat

O

O

CH2OH

AMILOZAAMILOPECTINA

AMIDON

P

Glucozo-1-fosfat

Biodegradarea (catabolismul) glucidelor

Biodegradarea glucidelor n organismele vii, vegetale i animale, este un proces oxidativ,generator de energie (exergonic), care const n transformarea moleculelor de glucide(poliglucide, oligoglucide, monoglucide) n compui mai simpli, cu masmolecularmai mic.Biodegradarea glucidelor poate decurge, n funcie de condiii, n douetape:

biodegradarea(catabolismul) anaerob biodegradarea(catabolismul) aerobCatabolismul anaerob decurge n organismele vii n absena oxigenului, pe dou ci

metabolice: biodegradarea glicolitic (glicoliza), un ciclu de reacii prin care glucoza este

transformatn acid piruvic i se formeazATP. Biodegradri fermentative: (a) fermentaiaanaerobde diferite tipuri (alcoolic, lactic,

butiric, etc.) avnd ca produs final: alcoolul etilic, acidul lactic, acidul butiric i CO2,respectiv, fermentaia aerob.

Biodegradarea glicolitica glucidelor (glicoliza)


8/31

Glicoliza, una dintre cile metabolice care demonstreaz universitalitatea proceselorbiochimice, a fost complet elucidat pn n anul 1940 (mai ales datorit savanilor G.Embden, O. Meyerhoff, J, Parnas, de unde i denumirea ciclului de transformri ciclul Embden- Meyerhoff - Parnas.

Toate reaciile glicolizei decurg n citosolul celulelor. Procesul de biodegradare a poli-glucidei amidon decurge prin parcurgerea urmtoarelor etape:

scindarea legturilor C1 C6 glicozidice din amiloz pe cale hidrolitic (sub aciunea

enzimei amilaza), sau pe cale fosforolitic(sub aciunea enzimei transglucozidaza), cueliberarea unei molecule de ester glucozo-1-fosfat;

legturile C1C6 glicozidice din amilopectina sunt scindate hidrolitic de ctre enzimaamilo-1,6-glucozidaza;

n cazul n care glicoliza pornete direct de la glucoz este necesar fosforilareaprealabilcu ATP n prezena enzimei hexokinaza(activatde prezena ionilor de Mg2+sau Mn2+) cu formarea esterului glucozo-1-fosfat;

esterul glucozo-1-fosfat (ester Cori) este izomerizat la ester glucozo-6-fosfat (esterRobinson) sub aciunea fosfoglucomutazei;

urmtoarea etapa glicolizei const n izomerizarea glucozo-6-fosfatului la fructozo-6-fosfat (ester Neuberg). Aceasta este o reacie de conversie a unei aldoze ntr-o cetoz,

sub aciunea enzimei fosfohexozizomeraza; are loc a doua reacie de fosforilare (sub aciunea ATP i a fosfofructokinazei) a

fructozo-6-fosfatului cu formarea fructozo-1,6-difosfatului (ester Harden-Young), ultimaglucidcu ase atomi de carbon din ciclul glicolizei;

sub aciunea biocatalitica enzimei aldolaza, esterul fructozo-1,6-difosfat este scindatn aldehida 3-fosfoglicerica i dihidroxiacetonfosfat. Toate celelalte etape ale glicolizeidecurg numai cu uniti formate din cte 3 atomi de carbon;

glicoliza decurge n continuare prin intermediul aldehidei-3-fosfoglicerice, la care esteconvertit i dihidroxiacetonfosfatul, sub aciunea fosfotriozizomerazei.In etapeleprecedente, glicoliza a decurs cu scindarea unei molecule de glucozn doumoleculede aldehid3-fosfogliceric, cu consumarea a doi moli de ATP:

urmeaz o etap foarte important din punct de vedere al producerii de energie-fosforilarea oxidativa aldehidei-3-fosfoglicerice n acid 1,3-difosfogliceric, care decurge

n prezena enzimei fosfogliceroaldehiddehidrogenazei avnd drept coenzim NAD.Energia eliberat n aceast reacie de oxido-reducere se nmagazineaz n ATP prinlegtura macroergicaprutntre ADP si H3PO4;

n ultima etap a glicolizei se formeaz acidul piruvic i o a doua molecul de ATPprintr-o secvende reacii care implic:- o reacie de defosforilare (n prezena ADP, a fosfoglicerokinazei i a ionului Mg2+) a

acidului 1,3-difosfogliceric la acid 3-fosfogliceric (ester Nilson).- izomerizarea acidului 3-fosfogliceric la acid 2-fosfogliceric, reacie catalizat de

enzima fosfogliceromutaza.- transformarea acidului 2-fosfogliceric n acid 2-fosfoenolpiruvic, sub aciunea enolazei.- defosforilarea acidului 2-fosfoenolpiruvic sub aciunea piruvatkinazei, n prezen de

ADP, Mg2+i K+, cu formarea acidului piruvic i a ATP.Acidul piruvic este unul dintre cei mai importani metabolii, finalul biodegradrii anaerobe i

compusul de la care ncepe biodegradarea aeroba glucidelor. El reprezint, de asemenea, opunte de legtura cu protidele i cu lipidele.

Reacia totalcare reprezinttransformarea glucozei n acid piruvic i 2 moli de ATP este:Glicoliza este reprezentatn schema de reacii urmtoare:


9/31

O

H OH

OH

H

H OH

HOH

CH

2

H

O

P

O

CH

2

O

P

CH

2OH

H

O

CH

2

H

O

P

CH

2

H

O

P

AMIDON

GLUCOZA

C

O

H

CH

2

O

P

CH

2O

P

O

esterglucozo6-fosfat

esterfru

ctozo6-fosfat

esterfructozo1,6-difosfat

COOH

HC

OH

CH

3

COOH

C

O

CH

3

COOH

C

OH

CH

2

acidenolpiruvic

COOH

C

O

CH

2

P

CHC

O

H2

C

P

OH

O

OH

CHC

OH

H2

C

OH

O

O

P

acidul2-fo

sfoenolpiruvic

acidul2-fosfogliceric

acidul3-fosfogliceric

HCO

H

Enz

HC

OH

H2

C

O

P

HC

O

HC

OH

H2

C

OP

H2

C

OH

C

O

H2

C

OP

HS-Enz

HCC

OH

H2C

OS

Enz

O

HCC

OH

H2

C

OO

O

P

aldehida3-fosfoglicerica

dihidroxiacetanfosfat

H3

PO

4

HSEnz

acidul1,3-difosfoglice

ric

-H

2O

NADP

+

NADPNH

+

NADPNH

+

NADP

+

ATP

ADP

ADP

ADP

ADP

1

2

3

4

ALDOLAZA

Acid

piruvic

10

9

11

8

7

65

P

P

SCHEMAEMBDEN-MEYERHOF-

PARNAS(EMP)

1Fos

fori

laz

a

2Gluco

kina

za

3Fos

fohexoz

izomeraza

4Fos

fofruc

tokinaza

5Aldo

laza

6Fos

fotrioz

izomeraza

7HS-

Enzim

a

8Fos

fog

licero

kinaza

9Fos

fog

liceromu

taza

10Eno

laza

11Piruva

tkin

aza

Acidlactic

ENZIME:


10/31

Biodegradarea aerob a glucidelor (ciclul acizilor tricarboxilici, ciclul aciduluicitric sau ciclul Krebs)

Biodegradarea aerob a glucidelor reprezint etapa de desvrire a biodegradriiglucidelor i decurge prin transformarea acidului piruvic, produsul final al glicolizei, nacetilcoenzima A, care va fi, n final, oxidattotal la CO2 i H2O.

Ciclul acidului citric (sau ciclul Krebs, sau ciclul acizilor tricarboxilici) reprezint calea

metaboliccomunde descompunere oxidativa glucidelor, lipidelor i aminoacizilor.Principiul de funcionare a metabolismului poate fi enunat astfel: moleculele organice complicate sunt scindate n uniti C2 (acid acetic activat) biodegradarea unitilor C2conduce la formarea a doi moli de CO2i 2 atomi de H produsul final H2O apare n lanul respirator din atomii de hidrogen de pe coenzime i

oxigen, cu depozitarea unei pri din energie sub forma compusului ATP spre deosebire de glicoliz, care decurge n citosol, reaciile ciclului Krebs decurg n

mitocondrii biodegradarea aeroba glucidelor este precedatde 2 reacii importante:

o decarboxilarea acidului piruvic cu formarea acetilcoenzimei A, compusmacroergic

o carboxilarea acidului piruvic la acid oxalilacetic, care prin reacia cuacetilcoenzima A va forma acidul citric.

Decarboxilarea acidului piruvic reprezint etapa de legtura ntre glicoliz i ciclulacidului citric. Reacia este catalizatde enzimapiruvatdehidrogenazai poate fi reprezentatastfel :

CH3 C

O

COOH + HSCoA H3C C

O

~SCoA

NAD+

NADPH

+ CO2

Decarboxilarea se produce printr-o succesiune de reacii intermediare, catalizate fiecarede cte o enzim din sistemul multienzimatic al piruvatdehidrogenazei, cu participareacoenzimelor specifice: tiaminpirofosfatul (TPP), NADP+, HSCoA, acidul lipoic, Mg2+. Primaetapconstn decarboxilarea acidului piruvic, cu producerea CO2 i a unei grupe hidroxietilataat tiaminpirofosfatului. Grupa hidroxietil este transformat n acetilcoenzima A, cureducerea NAD+, proces denumit decarboxilare oxidativ.

Conversia acidului piruvic la acetilcoenzima A este ireversibil, ca urmare acizii graisuperiori nu pot fi transformai n glucozn organismele animale, dei bacteriile i plantele opot face, printr-un mecanism special.

Atomii de H fixai de NADP+

si FAD n etapa de decarboxilare oxidativi rezultai i dinalte etape ale ciclului, se vor combina cu oxigenul, cu formarea apei (n aa numitul ciclurespirator).

Carboxilarea acidului piruvic este o etap n care are loc fixarea CO2 activat cubiotinilenzimai cu ATP la acidul piruvic, cu formarea acidului oxalilacetic.

O C COOH

H2CH+ CO2activat

O C COOH

H2C COOH+

biotinilenzimaAMP

Acid piruvic Acidul oxalilacetic


11/31

Biosinteza acidului citric decurge ireversibil, prin condensarea aldolica acetilcoenzimeiA cu acidul oxalilacetic, sub influena enzimei citratsintetaza.

Energia necesar reaciei este furnizat prin hidroliza legturii macroergice dinacetilcoenzima A.

deshidratarea acidului citric la acid cis-aconitic i hidratarea la acid izocitric (ambele etape )sunt catalizate de enzima aconitaza.

urmeaz prima din cele patru reacii de oxido-reducere din ciclul Krebs i anume,

dehidrogenarea acidului izocitric cu ajutorul enzimei izocitricdehidrogenaza, avnd dreptcoenzima NADP+ i formarea acidului oxalilsuccinic.

prima decarboxilare din ciclu, decurge la acidul oxalilsuccinic, un -acid instabil, care sedecarboxileazcu ajutorul izocitricdehidrogenazei, cu formarea acidului cetoglutaric.

a doua decarboxilare oxidativdin ciclu, a acidului cetoglutaric la succinilcoenzima A, careprin hidrolizformeazacidul succinic, decurge cu participarea aceluiai sistem enzimatic

ntlnit la etapa de decarboxilare a acidului piruvic la acetilcoenzima A (-cetoglutaricdehidrogenaza)

ultimele reacii ale ciclului constau n transformarea n trei etape a acidului succinic nacid oxalilacetic:o oxidarea (dehidrogenarea cu FAD) a acidului succinic la acid fumarico hidratarea acidului fumaric la acid malico oxidarea (dehidrogenarea cu NAD+) a acidului malic la acid oxalilacetic

Acidul oxalilacetic regenerat poate asigura continuarea aceleiai succesiuni de reacii, cueliberare de energie stocata sub forma de FADH i NAD+.

Bilantul general al ciclului Krebs poate fi reprezentat astfel :

CH3 CO~SCoA + 3H2O + 3NADP++ FAD + ADP + P = 2CO2+ 3NADPH + 3H

++ FADH2+ ATP + HSCoA Sensul metabolic al ciclului constn : oxidarea restului acetil (CH3CO-) din acetilcoenzima A rezultatdin acid piruvic, la CO2

, substan

n care carbonul este complet oxidat la C4+. din cele patru reacii de oxidare rezult 8 atomi de H, legai de coenzimele NAD+ i

FAD, care sunt participani la lanul respirator, unde de-a lungul unui sistem enzimaticspecific, sufer reacii de oxidare la H+, formsub care reacioneazcu O2-, formndH2O i elibernd energie.

Procesul de respiraie tisular( lanul respirator ) poate fi reprezentatat, sumar, astfel:

2RHsistem enzimatic

2H+ + 2e- + 2R(substrat oxidat)

2e-+ 1/2O2 O2-

2H+

+ O2-

H2O + energie Ciclul Krebs opereazn sens unic datoritcelor trei reacii care decurg ireversibil: sinteza acidului citric din acetilcoenzima A i acid oxalilacetic decarboxilarea acidului izocitric la acid -cetoglutaric dehidrogenarea acidului -cetoglutaricEnergia eliberat treptat, n cursul reaciilor este nmagazinat sub forma legturilor

macroergice ale compuilor macroergici GTP, ATP i eliberat treptat n funcie de nevoileorganismului (procese de biosintez, energie osmotic, electric, mecanic, caloric, etc.).

n urmtoarea schemeste reprezentatsuccesiunea reaciilor din ciclul Krebs.


12/31

CO COOH

H2C COOH

CHO COOH

HC COOH

CHO COOH

HC COOH

acetil - CoA H3C Co~SCoA + HOH

H2C COOH

C COOHHO

H2C COOH

forma cetonica forma enolica

acidul oxalilacetic

acid citric

CH3 C

O

COOH + HSCoA H3C C

O

~SCoA

NAD+

O C COOH

CH2H + CO2 H2C

C

COOH

O COOH

C

H2C

COOH

COOH

H2C

HO

COOH

HSCo

HC COOH

H2C

HO

COOH

Aciduloxalilacelic

Acidul citric

NADP NADPH

CH

HC

HOOC

COOH

H2C COOH

H2C COOH

Acidul malic

Acidul fumaric

Acidul succinic

C

HC

COOH

COOH

H2C COOH

HC

C

COOH

COOH

H2C COOH

H

HO

Acidul izocitricNADP

NADPH

HC

C

COOH

COOH

H2C COOH

O

Acidul cisaconitic

Acidul oxalilsuccinic

C~SCoA

CH2

O

H2C COOH

Succinil CoA

HSCoA

H2O

CH2

C COOH

H2C COOH

O CO2

CO2HSCoA

NADPH

NADP

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

CICLUL

KREBS

CO2

Acidul alfa-cetoglutaric

+ H2O- H2O

Enzime:1-citrat sintetaza, 2-acinitaza, 3-cisaconitaza, 4-izocitricdehidrogenaza,

5-oxalilsuccincarboxilaza, 6,7-complex enzimatic (-cetoglutaricdehidrogenaza), 8-complex enzimatic,9-succindehidrogenaza, 10-fumaraza, 11-L. Maliccodehidrogenaza.


13/31

Importana ciclului Krebs decurge din faptul c, constituie o cale comunde biodegradare aglucidelor, a lipidelor si protidelor (prin substanele intermediare provenite din acestea).

Cetoacizii rezultai n ciclul citric, pot servi la biosinteza aminoacizilor (corela ie ntreglucide i protide), iar prin intermediul acetilcoenzimei A se stabilete corelaia metabolicdintre glucide i lipide.

Se poate concluziona c, prin interrelaiile metabolice stabilite ntre glucide-lipide-protide,ciclul Krebs reprezint o surs de substrat i de energie necesar tuturor proceselor

metabolice.

Biodegradarea fermentativa glucidelor

Biodegradrile fermentative sunt procese de descompunere, predominant anaerob, aleglucidelor datorate activitii fiziologice a unor microorganisme. Au o importan practicdeosebit, contribuind la circuitul elementelor n natur, la fertilizarea solului, la obinerea unorcompui utilizai n industria alimentar, chimic, farmaceutic.

Fermentaiile anaerobe (n absena oxigenului )

Se pot clasifica, dupnatura substanelor finale n:- fermentaia alcoolic- fermentaia lactic- fermentaia butiric- fermentaia propionic

a) Fermentaia alcoolica glucidelordecurge sub influena drojdiilor Saccharomicescerevisiae. Mecanismul este identic cu cel al glicolizei, pn la acidul piruvic. n continuare,acidul piruvic este decarboxilat la acetaldehid, (n prezena catalizatoruluipiruvatdecarboxilaza, avnd drept coenzimtiaminpirofosfatul. Acetaldehida este apoi redusla etanol cu enzima alcooldehidrogenazai NADH + H+.

CH3 CO COOH- CO2

CH3 CHONADPH + H+

- NADP+CH3 CH2 OH

Acid piruvic Acetaldehid Etanol

n decursul fermentaiei alcoolice rezulti produi secundari: acetaldehid, acid lactic,alcool amilic, acid succinic, etc., care trebuiesc separai prin distilare fracionat.

b) Fermentaia lactic este ntlnitn mod normal n diferite microorganisme, dar inmuchi la efort intens depus in condiii de concentraii de reduse de oxigen.Mecanismul fermentaiei lactice este analog glicolizei, pn la acidul piruvic. Mai departe,

acidul piruvic se transformprintr-un proces de reducere enzimaticn acid lactic sub aciuneaenzimei lactatdehidrogenaza avnd drept coenzima NADH+H+.

CH3 CO COOHNADPH + H+

- NADP+CH3 CH COOH

OH Acid piruvic Acid lactic

Fermentaia lactic se aplic n industria alimentar la prepararea iaurtului, murturilor,panificaie, etc.).


14/31

c) Fermentaia propionic este un proces de degradare anaerob a glucidelor, care

decurge sub aciunea unor bacterii specifice, n urma cruia se obine, comparativ cufermentaia alcoolic i cea lactic, o cantitate mai mare de ATP, respectiv, cte 2 moli de

ATP/mol de glucoz.

C6H12O63 H3C CH2 COOH +4 CH3 COOH2 + CO2 + H2O2

Fermentaia propionic este utilizat, alturi de fermentaia lactic, n industriaalimentarla fabricarea brnzeturilor, pentru activarea unor procese biochimice din sol, etc.

d) Fermentaia butiric const n bioegradarea glucidelor de ctre anumitemicroorganisme, cu formarea acidului butiric.

C6H12O6 CH3 CH2 CH2 COOH + CO2 + H2O

Decurge cu descompunerea unei mari cantiti de substan organ, n solurimltinoase, n nmoluri, n bli, cu degajare de miros neplcut.

Fermentaia aerob(n prezena oxigenului)

Fermentaia aerob este un proces biochimic care decurge n prezena oxigenului.Mecanismul de reacie este similar cu cel al fermentaiei alcoolice, pnla etapa de formare aaldehidei acetice, dupcare, n urma procesului de oxidare, se formeazacid acetic. Acidulacetic poate fi biodegradat pnla CO2i H2O.

hexozeEMP

acid piruvic aldehida acetica

etanol

[O]CH3 COOH CO2 + H2O

METABOLISMUL LIPIDELOR

Biosinteza (anabolismul) lipidelor simple gliceride

Biosinteza lipidelor (simple i complexe) reprezint procese metabolice importante norganism, deoarece lipidele (sub forma trigliceridelor) prezint importan biologic casubstane de nmagazinare a energiei n organism (cldura de ardere = 39 kcal/g, ncomparaie cu cea a glucidelor = 17 kcal/g), iar lipidele complexe (fosfolipide, glicolipide,lipoproteine) intrn structura membranelor celulare sau au importanbiologicdeosebit, dereglare a funciilor celulare, reglarea colesterolului, a steridelor etc.

Biosinteza (anabolismul) lipidelor ncepe n cea de-a doua etap a fotosintezei,scotoreacia, prin formarea acidului 3-fosfogliceric, compus implicat att n biosinteza lipidelorsimple gliceride, ct i a celor complexe

Pentru biosinteza gliceridelor se biosintetizeazn prezena enzimelor caracteristiceelementele componente, glicerol i acizii grai superiori, etapurmatapoi de biosintezapropriu-zisa lipidelor simple gliceride.

Biosinteza gliceroluluiBiosinteza glicerolului decurge n strns corelaie cu metabolismul glucidic. Aldehida 3-

fosfogliceric i hidroxoacetonfosfatul, cele dou trioze fundamentale rezultate la glicoliz


15/31

(biodegradarea anaeroba glucidelor), sau la plante, n a doua etapa fotosintezei (scotoreacia)sunt reduse la 3-fosfoglicerol, din care, prin defosforilare rezultglicerolul liber.

C

C

H2C

OH

OHH

O P

NADPH

NADPH2C

C

H2C

OHH

O P

OHADP

ATPH2C

C

H2C

OHH

OH

OH

H2C

C

H2C

O

O P

OHNADPH

NADP H2C

C

H2C

OHH

O P

OHADP

ATPH2C

C

H2C

OHH

OH

OH

Triozofosfai 3-Fosfoglicerol Glicerol

Biosinteza acizilor grai superiori

Principalele locuri de biosintez a acizilor grai n organism sunt ficatul i celuleleadipoase. Urmrind etapele metabolismului (relaiile dintre reaciile de oxidare a glucidelor,lipidelor, aminoacizilor pentru producerea de energie) se poate observa c precursorulbiogenetic al acizilor grai superiori este acetilcoenzima A (CH3CO~SCoA).Transformarea acizilor grai n acetilcoenzima A poate fi parcurs i n sens invers, catransformare a acetilcoenzimeiA n acizi grai. Faptul c acizii grai sunt biosintetizai dinacetilcoenzima A, explicnumrul par de atomi de C din catena lor.

Excesul de glucide conduce la depunerea de grsimi, deoarece glucoza este transformat nacid piruvic, iar acesta, n final n acetilcoenzima A. Deoarece aceast etap este nsireversibil, acetilcoenzima A nu se poate transforma n acid piruvic, deci grsimile nu pot ficonvertite n glucozn organismele animale (spre deosebire de plante i bacterii).Biosinteza acizilor grai superiori are loc atunci cnd necesarul energetic al organismului esteacoperit i acetilcoenzima A nu mai intrn ciclul Krebs, furnizor de energie.Biosinteza acizilor grai se poate realiza pe douci metabolice :

a) calea malonilcoenzimei A (calea citoplasmatic)b) calea mitocondrial

Biosinteza acizilor grai superiori pe calea mitocondrial(calea elongaiei)

Biosinteza acizilor grai pe aceastcale decurge la nivelul mitocondriilor, pornind de la acizigrai cu catena scurt. Drept partener de reacie al componentei iniiale - radicalul hidrocarbonat-coenzima A, este n acest mecanism acetil-coenzima A (n locul malonil-coenzimei A).Reaciile sunt aceleai ca la procesul de -oxidare, cu o singurexcepie, reducerea legturiiduble decurge cu NADPH + H+n loc de FADH+H+.

Se pare caceastcale de biosintezeste mai scurtpentrul acidul acetic, comparativcu calea malonil-coenzimei A.

Etapele prin care se realizeazcreterea catenei acizilor grai sunt aceleai cu cele alecii malonil - coenzimei A, respectiv, (a) formarea cetoacidului gras activat, (b) formarea


16/31

hidroxoacidului gras activat, (c) biosinteza acidului gras nesaturat activat, (d) biosintezaacidului saturat cu doi atomi de carbon in plus n caten.

R CH2 CH2 C~SCoA

O

+ H3C CH2 C~SCoA

O

- HSCoA Acid saturat activat (Cn) Acetil-coenzima A (C2)

R CH2 CH2 C CH2 C~SCoA

OO

NADPH + H+

NADP Cetoacid activat (Cn+2)

R CH2 CH2 CH

CH2 C~SCoA

OOH

NADPH + H+

NADP Hidroxiacid activat (Cn+2)

- H2OR CH2 CH2 C

H

HC C~SCoA

O

NADPH2

Acid nesaturat activat (Cn+2)

NADPH2R CH2 CH2

H2C

H2C C~SCoA

O

Acid saturat activat (Cn+2)

Biosinteza acizilor grai nesaturai

Organismul are nevoie de acizi grai nesaturai pentru producerea lipidelor polareconstituente ale membranelor celulare i pentru alte necesiti. Acetia rezultdin acizi graisaturai, prin dehidrogenare catalizatde enzime specifice.

De exemplu, un sistem enzimatic din ficat poate introduce o singur legtur dubl, nmijlocul catenei acidului stearic, genernd acidul oleic. Sistemul enzimatic nu poate introducei alte legturi duble, de aceea acidul linoleic cu douduble legturi i acidul linolenic (cu treiduble legturi) nu pot fi sintetizai n organism ci sunt preluai numai prin alimentaie.

CH3 (CH2)7 CH2 CH2 (CH2)7 COOH CH3 (CH2)7 CHCH

(CH2)7 COOH

Acid stearic Acid oleic

n plante, creterea indicelui de iod, odat cu avansarea spre coacere, dovedeteposibilitatea transformrii acizilor grai saturai n acizi grai nesaturai.

Biosinteza acizilor fosfatidici i a gliceridelor (acilglicerolilor)

Acizii grai rezultai prin biosintez vor fi stocai n organism sub form de esteri cuglicerina, sub forma aa numitelor grsimi neutre, sau gliceride.


17/31

Legtura esteric nu se formeaz pornind de la glicerol, ci de la glicerolfosfat, formaactivatenergetic (cu ATP) i implicnd acizii grai activai cu acetil-coenzima A.

Enzima care biocatalizeazprocesul este glicerinkinazadin ficat, care reacioneazrapidcu acizii grai, dar care lipsete practic n esuturile grase i n muchi.

n prima etaprezultacizi fosfatidici (monoacil- i diacilfosfatidici). Prin defosforilare cuo enzimfosfatazi esterificare cu un alt mol de acil-coenzimA, se formeaztriacilglicerol(triglicerida), care se depoziteazca grsime neutr.

H2C OH

HC

CH2O P

OH2 R C~SCoA

O

2 HSCoA

H2C O

HC

CH2O P

OH

CO R H2C O

HC

CH2O P

O

CO R

CO R

H2C O

HC

CH2

OH

CO R

OH

RCO~SCoA

H2C O

HC

CH2

O

CO R

CO R

OH

RCO~SCoA

H2C O

HC

CH2

O

CO R

CO R

O CO R

Monoglicerida Diglicerida

Triglicerida

ADP

ATP

ADP

ATP

Biosinteza lipidelor complexe

Lipidele complexe sunt componente de baz ale membranelor celulare. Din punct devedere chimic sunt gliceroaminfosfatide, compui care prezinto legturestericla radicalulfosforil formatcu un alcool polar (bazazotat), conform formulei generale:

H2C O

HC O

H2C O

CO R

CO R

P

OH

O

O

CH2 CH COOH

NH2

H2C O

HC O

H2C O

CO

CO R

P

OH

O

O

CH2 CH2 NH2

R

Serinfosfatide Colaminfosfatide (cefaline)


18/31

H2C O

HC O

H2C O

CO R

CO R

P

OH

O

O

CH2 CH2 N

CH3

CH3

CH3 Colinfosfatide (lecitine)

Biosinteza bazelor azotate (serina, colamina, colina)

Biosinteza bazelor azotate se realizeaz pornind de la acidul 3-fosfogliceric, dup urmtoareaschemde reacii:

H2C O

C OHH

COOH

P H2C O

C O

COOH

P H2C O

C NH2H

COOH

P H2C OH

C NH2H

COOH

NADNADH

transaminare ADP

ATP

Ac. 3-glicerofosforic Ester al acidului Ester fosforic al serinei Serina

hidroxipiruvic

H2C OH

C NH2H

COOH

- CO2

H2C OH

H2C NH2

CH3IH2C OH

H2C N

CH3

CH3

CH3

+

Serina Colamina Colina

Biosinteza gliceroaminfosfatidelor

Lipidele cele mai rspndite n membranele celulelor eucariote sunt colaminfosfatidele icolinfosfatidele. Biosinteza lor se realizeazprin parcurgerea urmtoarelor etape:

- biosinteza acizilor fosfatidici- activarea bazei azotate cu compuii macroergici ATP i CTP- esterificarea acizilor fosfatidici (sau a gliceridelor) cu baza azotatactivat.

H2C O

H2C NH2

P

+

citozinaCH2 OOP-P-P

Fosfocolamina CTP


19/31

H2N CH2 CH2 O P - P O CH2 citozinaO

1 2

- CMP - CDP

H2C O

HC

CH2

O

CO R

CO R

O

diglicerida acid fosfatidic

+ P - P

P CH2 CH2 NH2 Colaminfosfatida (Cefalina)

Biodegradarea (catabolismul) lipidelor

Biodegradarea gliceridelor

Hidroliza enzimatic a trigliceridelor (triacilgliceroli) decurge sub aciunea enzimelorlipaze, care le scindeaz n etape, n diacil-, monoacilgliceroli (di- i monogliceride). Acesteenzime sunt controlate hormonal de ctre adrenalin i glucagon, care actioneaz lipolitic.Hidroliza grsimilor alimentare decurge n intestinul subire biocatalizatde lipazapancreaza,activatde srurile acizilor biliari.

Produii hidrolizei grsimilor, glicerolul i acizii grai superiori, urmeazn metabolism cidiferite.

Biodegradarea lipidelor complexe

Catabolismul lipidelor complexe se realizeaz n etape, prin hidroliz enzimatic, cu

eliberarea tuturor componentelor structurale: baze azotate, acizi fosfatidici, acid ortofosforic.Cu exceptia acidului fosforic (ortofosforic) fiecare dintre componente se biodegradeazspecific.

a) Biodegradarea bazelor azotate

Decurge sub aciunea enzimelor specifice :

H2C OH

HC NH2

COOH

-CO2

H2C OH

H2C NH

2

CH3IHI

H2C OH

H2C N(CH3)3

[O]HC O

H2C N(CH3)3

[O]

Serina Colamina Colina Aldehida betainei

C O

H2C N(CH3)3

HO C O

H2C NH2

HO

H3C NH2CO2[O] +

Betaina Glicin Metilamin


20/31

b) Biodegradarea acizilor fosfatidici decurge sub aciunea enzimelor din clasahidrolazelor, numite lipaze (fosfolipaze), care elibereazacidul fosforic, di- i monogliceridele,iar n final glicerolul.

H2C O

HC

CH2

O

CO R

CO R

O P

H2O

H3PO4

H2C O

HC

CH2

O

CO R

CO R

OH

Lipaza

H2C OH

HC OH

H2C OH- 2 RCOOH

Acid Fosfatidic Diglicerid Glicerol

c) Biodegradarea glicerolului este corelatcu metabolismul glucidic. Glicerolul poate fifosforilat sub aciunea fosfokinazei i a ATP (n ficat) la fosfoglicerol, care prin oxidare (cufosfogliceroldehidrogenazai ATP) se transformn aldehida fosfogliceric.

Aceasta poate participa la biosinteza poliglucidelor sau se poate biodegrada de-a lungulciclului E.M.P (pn la acid piruvic) i ciclului Krebs pn la CO2 i H2O, cu eliberare deenergie.

H2C OH

HC OH

H2C OH

Fosfokinaza ATP

H2C OH

HC OH

H2C O P

NADP+

NADPH2

HC O

HC OH

H2C O P

H2C OH

C O

H2C O P

Fructoza1,6-difosfat

Oligo-, Poliglucide

Glicoliza

CH3

C O

COOH

KrebsCO2

+

H2O

Glicerol 3- Fosfoglicerol Acid piruvicAldehida fosfoglicerica

d) Biodegradarea acizilor grai superiori

Biodegradarea acizilor grai superiori decurge n mitocondrii, n prezena sistemelorenzimatice specifice. Deoarece acizii grai sunt relativ ineri chimic, ei trebuie activai prin

transformare n tioesteri, cu ajutorul coenzimei A, a compusului macroergic ATP, a Mg2+

i aenzimei acil-coenzima A-sintetaza (tiokinaza).Printr-o succesiune de reacii inverse celor de la biosinteza acizilor grai superiori, catena

de acid gras superior este scindatn uniti de 2 atomi de C, sub formde acetil-coenzime A(CH3CO~SCoA).

Deoarece reaciile decurg la atomul de carbon din poziia (fa de grupa carboxil,descompunerea se numete calea -oxidrii (spirala Knoop-Lynen).

Acizii grai saturai cu numr impar de atomi de C se biodegradeaz dup acelaimecanism al -oxidrii, dupo prealabil reacie de carboxilare n prezena coenzimei A, abiotinei, a ATP i Mg2+(conversie la acid gras cu numr par de atomi de carbon).


21/31

Produsul biodegradrii acizilor grai superiori cu numr impar de atomi de carbon estensacidul propionic, nu acetil-coenzima A.

R CH2 CH2 C

O

OH ATP

P - PR CH2 CH2 C

O

O PMAHSCoA

AMP

Acid gras superior neactivat

HSCoA

AMPR CH2 CH2 C~SCoA

O

NADP+

NADPHH+R C

HCH

C~SCoA

O

HOH

Acid gras superior saturat activat Acid gras superior nesaturat activat

HOHR C

HCH2 C~SCoA

OOH

NADP+

NADPHH+R C CH2 C~SCoA

OO

- Hidroxiacil coenzima A - Cetoacil coenzima A

R' CH2 C

O

OH + H3C C~SCoA

O

Biodegradareciclica

H3C C~SCoA

OBiodegradare aeroba

ciclul KrebsCO2

+

H2O

METABOLISMUL PROTIDELOR

Cele mai multe dintre protidele organismelor superioare sunt continuu biodegradate ibiosintetizate. La om si animale, timpul de njumtire biologica albuminelor din plasmestede 20-25 de zile, cnd jumtate din cantitatea de albumineste biodegradati nlocuitcuuna nou sintetizat.

Chiar i proteinele intracelulare (enzimele) sunt supuse unor procese de biodegradare ibiosintezcontinun perioade de timp de la cteva ore la mai multe zile.

De aceea, pentru un adult, necesarul de aminoacizi este de 1 g/zi/kg corp, deoareceorganismul uman nu poate sintetiza dect jumtate din cei 20 de aminoacizi proteinogeni.

Biosinteza (anabolismul) protidelor

Etapa de biosinteza protidelor (anabolismul) ncepe cu biosinteza aminoacizilor, urmatde biosinteza protidelor, n ordinea complexitii lor:

aminoacizi peptide peptone albumoze proteine proteide(holoproteide) (heteroproteide)

Biosinteza aminoacizilor

Biosinteza aminoacizilor se realizeazn principal pe douci metabolice:


22/31

aminare reductiva cetoacizilor transaminare

Aminarea reductiva cetoacizilorreprezinto cale principalde biosinteza amino-acizilor, direct din amoniac i cetoacizii formai n organism prin degradarea aerob aglucidelor (ciclul Krebs).

Aminarea cetoacizilor decurge n prezena enzimei glutamatdehidrogenaza care are

drept coenzim NAD+ sau NADP+. Reacia decurge cu formarea intermediar a unuiiminoacid, care va fi redus enzimatic, conform reaciei:

R

C

COOH

O + NH3- H2O

R

C

COOH

NH

NADH + H+

NAD

R

HC

COOH

NH2

- Cetoacid Iminoacid Aminoacid

Se biosintetizeaz prin acest mecanism aminoacizii: alanina, acid aspartic, acidglutamic din cetoacizii respectivi: acid piruvic, acid oxalilacetic, acid cetoglutaric.

CH3

C

COOH

O

CH3

HC

COOH

NH2 C COOH

H2C

O

COOH

HC COOH

H2C COOH

H2N;

Acid piruvic - Alanina Acid oxalilacetic Acid aspartic

C COOHO

CH2

H2C COOH

CH

CH2

H2C COOH

H2N COOH

Acid - cetoglutaric Acid Glutamic

Transaminarea

Transaminarea const n transferul grupei amino -NH2 de la un aminoacid la uncetoacid, dupun mecanism care cuprinde ca etape intermediare formarea unor baze Schiff:

R1

HC NH2

COOH

+

R2

C O

COOH

R1

C O

COOH

R2

HC NH2

COOH

+


23/31

R1

HC NH2

COOH

R2

CO

COOH

- H2O

R1

HC N

COOH

R2

C

COOH

+ 2[H]

R1

HCHN

COOH

R2

CH

COOH

- 2[H]

Aminoacid 1 Cetoacid 2 Baza Schiff 1

- 2[H]

R1

C N

COOH

R2

CH

COOH

+ H2OR1

C O

COOH

R2

HC NH2

COOH

+

Baza Schiff 2 Cetoacid 1 Aminoacid 2

Transaminarea este catalizat de o enzim specific transaminaza care are dreptcoenzim piridoxalfosfatul (vitamina B6). Importana deosebit a reaciilor de transami-nare,reacii biochimice reversibile, const n realizarea corelaiei dintre metabolismul glucidic i celprotidic.

Aminoacizii sunt intermediari la obinerea altor biomolecule importante, cum ar fi:peptide, proteine, antibiotice (gramicidina), hormoni (adrenalina, noradrenalina).

Biosinteza proteinelor (poliprotidelor)

Proteinele (holoproteide superioare) se sintetizeaz din aminoacizi printr-un procescontinuu i complex, care decurge cu vitez mare, la nivelul ribozomilor din celule, cuimplicarea acizilor nucleici i a compuilor macroergici ATP, GTP care furnizeaz energianecesarproceselor biochimice.

Aminoacizii se unesc n catene macromoleculare, prin legturi peptidice, ntr-o anumitsuccesiune, conform codului genetic coninut n ADN. Succesiunea bazelor azotate din ADN

este transcris (cu respectarea principiului complementaritii) ntr-o anumit structur aacizilor mARN i traduscu ajutorul acizilor t ARN din codonii mARN pe anticodonii tARN nnoua structur proteic (limbajul bazelor azotate din acizii nucleici este tradus n limbajulaminoacizilor proteinei).

Proteinele sunt sintetizate din cei 20 de aminoacizi proteinogeni, iar secvena bazelorazotate din mARN reprezint secvena amionacizilor din protein. Fiecare aminoacid estereprezentat pe mARN printr-o tripletde baze azotate numitcodon (cu cele 4 baze azotateexist64 codoni (triplete) diferii.Etapele necesare sintezei proteinelor sunt:

reduplicarea ADN, const n desfacerea legturilor de hidrogen dintre bazele azotatecomplementare, urmat de desfurarea spiralei bicatenare, cu formarea celor doucatene polipeptidice simple de ADN;

transcrierea (transcripia) mesajului genetic, respectiv o anumit succesiune a bazelorazotate de pe ADN (matria) pe catena polinucleotidica mARN, care este sintetizatcu respectarea riguroasa complementaritii bazelor azotate din ADN, cu deosebireactimina din ADN este nlocuitn mARN cu uracil

traducerea(translaia) este o etapimportantn determinarea caracterului i nsuirilorunui organism, deoarece limbajul bazelor azotate din acizii nucleici (o anumitsecven, respectiv codul genetic) este tradus n limbajul aminoacizilor constitueni aiproteinei (o anumitsecvena aminoacizilor).


24/31

Fiecare secvende 3 baze azotate din structura acizilor nucleici constituie un codon,iar fiecrui codon i corespunde un anumit aminoacid. Conform principiului complementaritiibazelor azotate, unui anumit codon de pe ADN i corespunde un anumit codon de pe mARN iapoi un anticodon de pe tARN.

Reprezentarea acestor etape este redatschematic n figura urmtoare.

INNUCLEU

INCITOPLASMA

REDUPLICARE

TRANSCRIERE

TRANSLATIE

ADN

ADN

ARNm

PROTEINA

Structura secundara:dubla catena spiralata

Structura primara:catena polinucleotidica simpla- sediulmesajului genetic- matritapozitiva a originalului

Catena polinucleara simpla:-purtatorul mesajului genetic- matrita negativaa originalului

Repozitivarea(realizarea)mesajului genetic

A T G C A G C T A

U A C G U C G A U

A U G C A G C U A

1'

2'

3'

1'' 2'' 3''

1 2 3

AA1 AA2 AA3Metionina glicina leucina

CO R1 NH CO R2 NH CO R3 NH

Din punct de vedere biochimic, etapa de traducere (translaie) reprezint biosintezapropriu-zisa macromoleculelor proteice i cuprinde mai multe etape:

a) activarea enzimatica aminoacizilor dincitoplasmconstn aciunea ATP asupraaminoacizilor, n prezena enzimei amionoacil- ARN sintetaza i a ionilor Mg2+, cu formareacomplexului aminoacil-AMP- enzima.

R CH C

NH2

O

OH

+ P ~

P ~ P r A + Enz

ATP

R CH C

O

NH2

O P r A

Enz + P ~ P

Mg2+

Aminoacid AminoaciladenilatEnz = aminoacil ARN - sintetaza

b) formarea complexului aminoacil-tARN, prin transferul restului aminoacil de lacomplexul aminoacil-AMP-enzima la capatul C3-OH al tARN (se formeazo legturestericla C3-OH de la secvena terminala tARN a trinucleotidei CCA. Trinucleotida terminalCCA atARN are braul flexibil i poate adapta grupa aminoacil la poziia reactivdeterminatde peribozom.


25/31

R CH

NH2

C

O

O ~ P r A

a.a. AMP Enzaminoaciladenilat-Enz

O

OH OH

ADENINACH2ARNt

EnzO

OH OH

ADENINACH2ARNt

R CH

NH2

C ~

O+ P Tib A + Enz+

AMP

partea terminalaa t.RNA

complexulaminoacil t.RNA Evidenierea modului n care tARN este capabil s identifice poziia de legare a amino-

acidului n lanul peptidic, poate fi realizatcu ajutorul modelului trifoi al tARN:

CodonmRNA

anticodon al tRNA

OCH2PCC

OH OH

ADENINA

3`A

adenina riboza P O C

O

CH

NH2

R

Aminoacid activat

OCH2PCC

O OH

ADENINA

3`A

RNAt

Capatul tRNA

Complexul aminoacil RNA

CO

HC NH2

R

Legarea corect a aminoacidului cu tARN corespunztor se datoreaz specificitiiabsolute a enzimei aminoacil-ARN-sintetaza. Se asigur astfel, recunoaterea codonului dectre anticodon (i nu de ctre aminoacidul activat).

c) formarea legturii peptidice decurge pe ribozomi (particule coninnd rARN,

prezente n toate celulele) i se realizeaz ntre aminoacizii transportai fiecare de tARNcorespunztori (aflai pe codonii dictai de mesajul genetic nscris pe mARN).Ribozomii posedpe suprafaa lor dousitusuri catalitice:- situsul P (donor), pe care se va gsi complexul aminoacil 1-t1ARN- situsul A (acceptor), pe care se aflcomplexul aminoacil 2 t2ARN.

ntre cei doi aminoacizi alturai, legtura peptidic -NH-CO- se realizeaz ntre grupacarbonil a aminoacidului 1, de pe poziia donora ribozomului (corespunzator codonului 1 de pemARN) i grupa amino (-NH2) a aminoacidului 2 de pe poziia acceptor a ribozo-mului(corespunznd codonului 2 de pe mARN).


26/31

n urma formrii legturii peptidice ntre cei doi aminoacizi, molecula de t1 -ARN esteeliberatdin complexul aminoacid 1-t1ARN i poate fi din nou utilizat.

HC NHH + ARNt~*

C

R2

ARNt~

HC

R1

NH2

C O

- ARNt

ARNt~C

O

CH NH

R2

CO CH

R1

NH2

dipeptidaRIBOZOM

acceptor

donor

****

Prin deplasarea ribozomilor de-a lungul mARN (sau deplasarea mARN pe suprafa a

ribozomilor), codonii de pe mARN trec succesiv prin dreptul situsului A de pe ribozomi, dictndnatura complexului aminoacil-tARN care urmeazsfie fixat pe acest situs. Dipeptida format,sub forma complexului aminoacid 1-aminoacid 2t2ARN, trece pe poziia donor a ribozomului,lsnd liberpoziia acceptor, corespunzator codonului 3 de pe mARN.

d) elongaia (creterea lungimii lanului polipeptidic) se realizeaz dup un mecanism

identic cu cel implicat n cazul biosintezei dipeptidei. Situsul P al ribozomului este ocupat cucomplexul dipeptidil-t2ARN, iar situsul A este vacant i se poziioneaz la al treilea codon depe mARN, formnd complexul aminoacil 3-t3ARN. Dup formarea noii legturi peptidice ntregrupa carbonil legatde complexul dipeptidil-t2ARN i grupa amino de la complexul aminoacil3-t3ARN, are loc deplasarea tripeptidei formate (sub forma complexului AA1-AA2-AA3-t3ARN)pe situsul donor (situs P) al ribozomului cu eliberarea concomitenta situsului acceptor (situs

A) al ribozomului, care se va poziiona n dreptul codonului 4 de pe mARN, n vederea formriicomplexului aminoacil-4-t4ARN.Dacproteina care urmeaza fi sintetizatare, de exemplu,200 de aminoacizi, etapa finalimplic transferul peptidei coninnd 199 de aminoacizi spreaminoacidul final, legat n complexul cu tARN, cu formarea unui complex protein-tARN.Captul N-terminal al proteinei este sintetizat primul, captul C-terminal, ultimul.

e) Terminarea biosintezei lanului polipeptidic al proteineiLungimea lantului polipeptidic este determinat genetic, prin transcrierea pe mARN a

unui codon stop(nu codeaznici un aminoacid): UAG, UAA, AGA(pentru care nu existniciun tARN cu anticodoni corespunztori). Aceti codoni "non-sens" sunt ns recunoscui deproteine citoplasmatice specifice, denumite factori de eliberare (protein release factors), caredesprind proteina de pe tARN.

Lanul polipeptidic este eliberat de pe situsul P al ribozomului i de pe tnARN printr-oreacie de hidroliz. Ribozomul se detaeazde pe mARN i este apt pentru o nouetapdeiniiere. Lungimea lanului proteic este determinatgenetic, prin transcrierea pe mARN a unuicodon stop.Proteinele sintetizate (holoproteide) particip la biosinteza heteroproteidelor, a

enzimelor, la ndeplinirea unor funcii specifice organismului. Concomitent se desfori unproces invers, de biodegradare a proteinelor.

Biodegradarea (catabolismul) protidelor

Biodegradarea proteinelor

Proteinele (holoproteidele) libere sau rezultate din biodegradarea heteroproteidelor sescindeazpe cale enzimaticn aminoacizii componeni.Enzimele proteolitice (proteinazele) sunt alturi de amilaze cele mai cunoscute i importanteenzime hidrolitice (C-N hidrolaze).


27/31

Biodegradarea aminoacizilor

Aminoacizii rezultai prin biosinteza sau prin biodegradarea proteinelor pot fi utilizati ncontinuare la:

- biosinteza proteinelor noi- biosinteza altor compui cu azot n molecul- sinteza de aminoacizi (prin transaminare, aminare reductiv)

- biodegradare totalpnla: NH3, CO2, H2O.n organismele animale i vegetale biodegradarea aminoacizilor decurge preponderent prin:- dezaminri- decarboxilri simple sau nsoite de dezaminri- transaminri.

a) Biodegradarea aminoacizilor prin dezaminare

Dezaminrile sunt reactii catalizate enzimatic, care constau n eliminarea unor grupeamino (-NH2), sub formde amoniac (NH3) cu formarea unor compui ternari (C, N, O) carepot constitui punct de plecare pentru alte transformri biochimice.

Dezaminarea oxidativconstn eliberarea a doi atomi de hidrogen, cu formarea unuiiminoacid instabil, care n prezena apei hidrolizeazcu formare de NH3i cetoacid. Enzimeleimplicate fac parte din clasa oxidoreductazelor i pot fi: glutamatdehidrogenaza n prezenaNAD+ sau NADP+, alanindehidrogenaza n prezena FAD, etc. Cetoacizii rezultai pot fimetabolizai (biodegradai) la CO2 i H2O, sau pot fi transformai n monoglucide care vorparcurge n sens invers ciclul de biodegradare EMP (glicoliza). Aminoacizii care se pottransforma n cetoacizi se numesc aminoacizi cetogeni, iar cei care se pot transforma nglucozse numesc aminoacizi glucoformatori.

CH3

HC NH2

COOH

CH3

C NH

COOH

NH3+

CH3

C O

COOH

FAD+H2O

FADH2

Alanina Iminoalanina Acid piruvic

Dezaminarea hidrolitica aminoacizilor conduce la obinerea NH3 unui hidroxiacid.

CH3 CH COOH

NH2

CH3 CH COOH

OH

NH3+ CH3 C

O

[O]HOHCOOH

-Alanina Acid lactic Acid piruvic

Hidroxiacidul poate fi transformat, n prezena dehidrogenazelor n cetoacid, care poate fimetabolizat n continuare prin ciclul Krebs sau poate fi retransformat n aminoacizi.

Dezaminarea reductiva aminoacizilor conduce la obinerea NH3i a acidului saturatcu acelai numr de atomi de carbon:

CH3 CH COOH

NH2

CH3 CH2 COOHNH3+[H]

- Alanina Acid propionic


28/31

Acidul propionic format, sub forma propionil-coenzimei A este implicat n biosintezaacizilor grai superiori cu numr impar de atomi de carbon, pe calea malonil-coenzimei A.

Dezaminarea desaturant(biocatalizatde enzime din clasa liazelor) are drept produsde reacie, pe lngNH3, un acid carboxilic nesaturat cu acelai numr de atomi de carbon nmolecul:

CH3 CH COOH

NH2

CH2 CH COOHNH3+

- Alanina Acid acrilic

b) Decarboxilarea aminoacizilor

Decarboxilarea aminoacizilor este o cale de biodegradare important, biocatalizat deenzime specifice, aminoaciddecarboxilaze, care au drept coenzimapiridoxalfosfatul(vitamina B6). Ca produi de reacie, pe lng CO2, se formeaz amine primare, denumiteamine biogene. Mecanismul reaciei de decarboxilare este urmtorul:

R CH

NH2

COOH

O C H+ R CH

N

COOH

CH

-H2O -CO2

Aminoacid Enz-piridoxalfosfatul Enz-iminoacid

H2O

R CH2 NH2 O C H+

R CH2

N CH-CO2

Enz-imin Amin Piridoxal-fosfat

Unele dintre aminele biogene rezultate prezint activitate farmacologic, altele suntcomponente ale coenzimelor sau contribuie la sinteza unor heterociclii cu azot (pirol, piridina)care intrn structura unor alcaloizi.

CH2 (CH2)2

NH2

CH COOH

NH2

-CO2H2N (CH2)4 NH2 -NH3

H2C

H2C

NH

CH2

CH2

-4H

HC

HC

NH

CH

CH

Ornitina Putresceina Pirolidin Pirol

CH2 (CH2)3

NH2

CH COOH

NH2

-CO2H2N (CH2)5 NH2

H2C

H2CNH

CH2

CH2

H2C

HC

HCN

CH

CH

HC

Lizina Cadaverin Piperidin Piridin


29/31

Prin natura compuilor rezultai, reaciile de biodegradare a aminoacizilor reflectcorelaiile dintre metabolismul proteic - glucidic - lipidic.

Metabolismul amoniacului

Amoniacul rezultat prin dezaminare ca i cel preluat de ctre plante din sol n decursulprocesului de nutriie, este o substan toxic; nivele ridicate prezente n snge impiedic

funcionarea creierului, provocnd com. De aceea, amoniacul nu este transportat liber de-alungul esuturilor la ficat ci este transformat nti n amide netoxice.Cile de metabolizare a amoniacului sunt urmtoarele:

fixarea sub forma de amide(ndeosebi ale acidului glutamic i aspartic) participare la biosinteza aminoacizilor, prin aminarea reductiva cetoacizilor formarea de sruri de amoniuale acizilor organici (oxalic, citric, malonic, fumaric, etc.)

din metabolism.

a) Fixarea amoniacului sub forma de amide

R C

O

OH + HNH2 R C

O

ONH4

R C

O

OH + HNH2 R C

O

NH2- H2O

acid organic amoniac

amida

sare de amoniu

COOH

CH NH2

CH2

CO OH

COOH

HC NH2

CH2

CO O P

COOH

HC NH2

CH2

CO NH2 Acidul asparagic Asparaginfosfat Asparagina

COOH

CH NH2

(CH2)2

CO OH

COOH

HC NH2

(CH2)2

CO O P

COOH

HC NH2

(CH2)2

CO NH2 Acidul glutamic Glutaminfosfat Glutamina

Glutamina este unul din cei 20 de aminoacizi constitueni ai proteinelor i este implicatn biosinteza multor altor metabolii (este utilizatca sursde azot).

b) Metabolizarea amoniacului prin aminare reductiv(transaminare)

Peste 30% din amoniacul rezultat n muchi la biodegradarea proteinelor este trimis nficat, sub formde alanin (sau glutamin). Alanina formeazprin transaminare acid piruvic,care este convertit n ficat la glucoz, care trece apoi n snge i din nou n muchi. Secvenade reacii constituie ciclul glucozo-alaninic. Toate aceste reacii, n care amoniacul este utilizat


30/31

la sinteza amidelor sau a unor noi aminoacizi, reprezint ci de corelaie a metabolismuluiprotidic cu cel glucidic (ciclul acidului glutamic, ciclul acidului aspartic).

c) Metabolizarea amoniacului prin ciclul ureeogenetic (ciclul ornitinic sau ciclulKrebs-Henseleit)

Plantele superioare, mamiferele, pestii, ciupercile i bacteriile pot transforma amoniacul

n uree, altformnetoxicde pstrare i de transport n organism.In organismele vii, formarea ureei decurge printr-o transformare ciclic complex, denu-mitciclul ureogenetic (ciclul ornitinic sau ciclul Krebs-Henseleit).

Ciclul KREBS HENSELEIT

NH3+ CO2

dezaminari

H2Oureaza

ATP

AMP

- P P -

NH2

C

O

O

~P

carbamilfosfatul

NH2

C

O

NH2

NH2

C

OH

NH

uree

izouree

H2C NH2

(CH2)2

HC NH2

COOH

H2C NH

(CH2)2

HC NH2

COOH

C

NH2

O

COOH

CHH2N

CH2

COOH

+

COOH

CHHO

CH2

COOH

H2C NH

(CH2)2

HC NH2

COOH

C

NH2

N CH

COOH

CH2

COOH

H2C NH

(CH2)2

HC NH2

COOH

C

NH2

NH

ORNITINA CITRULINA

Acid aspartic

-H3PO4

Acid malic

ARGINA Acid arginsuccinic(suaccinil orginina)

HCHOOC CH COOH Acid fumaric

din ciclul KREBS

Ureea este produsn ficat prin scindarea hidrolitica argininei la ornitin.Amoniacul de la catabolismul aminoacizilor poate fi utilizat pentru a reface arginina din

ornitin, atomul de carbon provenind de la CO2din metabolismul glucidic.La realizarea biosintezei ureei participi un alt aminoacid, citrulina.Dioxidul de carbon activat enzimatic cu enzima carbamilfosfatsintetaza i cu aportul

energetic al ATP, reacioneazcu NH3formnd carbamilfosfatul care reacioneazcu ornitinaformnd citrulina. Citrulina reactioneaza cu acidul aspartic (provenit prin trans-aminare din acidoxalilacetic, format n ciclul Krebs), n prezena enzimei argininsuccin-sintetaza, a ATP iionilor Mg2+, cu formarea acidului argininsuccinic. Acesta este scindat de ctre


31/31

argininsuccinliaza n arginin i acid fumaric (care poate conduce la acid aspartic, n ciclulKrebs).

Arginina rezultateste scindatde ctre hidrolaza arginaza n ornitini izouree, care seizomerizeazla uree, scindabilsub aciunea ureeazei n CO2i NH3, compui care pot iniiabiosinteza aminoacizilor, glucidelor, etc.

Ciclul ornitinic (ciclul KrebsHenseleit) reprezint i el o cale de corelaie a metabolis-mului proteic, prin aminoacidul ornitina, cu metabolismul glucidic.

Corelaii biochimice se pot stabili i ntre compuii fundamentali, glucide, lipide, protide ienzime, hormoni, acizi nucleici, etc. Abordarea complez a fenomenelor biochimice impuneca, pe lng studiul transformrilor diferitelor substane, s se ia n considerare i aspecteleenergetice ale acestor procese, cu evidenierea corelrii biosintezei, consumatoare de energie,cu biodegradarea, generatoare de energie. Trebuie, n acelai timp, acordat importanacuvenit influenei factorilor de mediu n care triesc organismele vegetale i animale,condiiilor n care i procur materia prim (H2O, CO2, O2, substane minerale, etc.), ct ienergia necesar biotransformrilor, precum i influenei factorilor de mediu (clima, diferiteradiaii, etc.), asupra evoluiei normale a diferitelor organisme.

biochimia dinamica

Documents

Transcript of biochimia dinamica