OBIECTIVELEOxidarea biologic. Dehidrogenarea substratelor - sursa energetic pentru sinteza ATP - ului. Enziniele dehidrogenni.Lanul respirator (schema). Complexele enzimatice. Acceptorii principali de electroni i protoni, structura lor chimic.Potenialul de oxido-reducere a componentelor lanului respirator. Fosforilarea oxidativ. Locurile de fosforilare. Produsele finale ale oxidrii.Reglarea intensitii funcionrii lanului respirator. Coeficientul P/O, controlul respirator.Decuplarea produselor de oxidare i fosforilare, principalii ageni decuplani. Rolul biologic al produsului de decuplare, respiraia liber.Mitocondriile, structura i permeabilitatea selectiv a membranelor pentru diferii cumpui.. Sistemele-navet de transport al echivalenilor de reducere.Ipotezele principale, care explic procesele fosforilrii oxidative. Ipoteza lui Mitchell.Oxidarea microzomal, rolul citocromului P450 n reaciile de oxido-reducere. Vitaminele i rolul lor n procesele de oxidare biologic.Noiune de radicali liberi. Oxidarea peroxidic a acizilor grai nesaturai din membrane. Sistemele de protecie a celulei de acumilarea radicalilor liberi.

Oxidarea biologic Oxidarea biologic (OB) reprezint totalitatea reaciilor de oxido-reducere ce decurg n celule i esuturi. Rolul: asigur organismul cu energie accesibil n form de ATP. OB are loc prin reacii de dehidrogenare donarea atomilor de H2 sub form de protoni i electroni: H22H+ +2 . Are loc sub aciunea E dehidrogenaze, ale cror Co sunt NAD+ i FAD

Dehidrogenarea substratelor NAD dependente. Enzimele dehidrogenrii. 1. Izocitrat +NAD alfa-cetoglutarat +NADH+HE- izocitratDH2. Alfa-cetoglutarat +NAD succinil Coa +NADH+HE-alfacetoglutaratDH3.Malat +NAD OA+NADH+HE-malatDH4. DOP

Dehidrogenarea substratelor NAD dependenteLactat +NAD Piruvat +NADH+HE-lactatDH Gliceraldehidfosfat +NAD +H3PO41,3 difosfoglicerat +NADH+HE- GAP DH Hidroxiacil CoA +NAD cetoacil Co-A +NADH+HE-hidroxiacil -CoA DHDezaminarea GluOxidarea 3 hidroxibutiratuluiCatabolismul alcoolului

SUBSTRATELE FAD dependenteSuccinat +FAD Fumarat +FADH2E- succinat DHAcil CoA + FAD enoil-CoA+FADH2E- acil CoA DHGlicerol 3 P + FAD GAP+ FADH2NADH+H+ i FADH2 rezultai n reaciile de oxidare a acestor substrate transfer p i n lanul respirator.

Lanul respirator (LR). LR - un ansamblu (complex) de enzime i sisteme de oxido-reducere, ce particip la transferul H+ i de la Co reduse (NADH, FADH2) la O2 cu formarea H2O. Este ultima etap a degradrii aerobe. Este localizat n membrana intern a MC

Funcia LR:

Prin transferul protonilor i electronilor Co se reoxideaz, putnd asigura dehidrogenri n continuare.Cnd Co se reoxideaz, se elibereaz energie ce servete la sinteza ATP.

Componentele LR1. NADH+H sau FADH2

Componentele LR2. Flavoproteinele FP: preiau p i e- de la NADH+H sau FADH2

FPN (NADH DH) - ca Co FMN - preia H2 de la NADH+HFPs (succinatDH)- ca Co FAD- preia H2 de la FADH2

Componentele LR

3. Coenzima Q

Componentele LR4. Citocromii b560, b562, b 566, c1, c, a i a3

STRUCTURA CHIMIC a citocromului c

EMBED ChemDraw.Document.4.5

Heme c

_1023309912.cdx

_1023310680.cdx

Componentele LR5. Proteinele Fe-Sa. ntre FP i CoQb. ntre cit b i citc1

[2Fe-2S][4Fe-4S]

Schema LR

Potenialul oxidoreductor1. Fiecare verig a LR poate exista n 2 forme redus i oxidat, deci, Formeaz o pereche oxidoreductoareFiecare sistem redox (O/R) este alctuit dintr-un donor i acceptor Caracteristica lor principal este potenialul oxidoreductor (redox), care se msoar n voli.

El este msura valoric a capacitii de oxidare sau reducere a compusului

Potenialul redox

Cu ct potenialul redox este mai electronegativ cu att este mai nalt capacitatea de a ceda , i invers, cu ct potenialul este mai electropozitiv, cu att este mai nalt capacitatea sistemului de a adiiona electroni.Sistemele redox sunt aranjate n ordinea creterii potenialului de oxido-reducere.

Potenialul oxidoreductoral verigilor LRNAD+/NADH.H+ -0,32VFAD/FADH2 -0,05 VCoQ/CoQH2 +0,04 V cit.b (Fe3+)/cit.b (Fe2+) +0,12Vcit.c1 (Fe3+)/cit.c1 (Fe2+) +0,22Vcit.c (Fe3+)/cit.c (Fe2+) +0,25Vcit.a (Fe3+)/cit.a (Fe2+) +0,29Vcit.a3 (Fe3+)/cit.a3 (Fe2+) +0,55VO2/H2O +0,82V

Potenialul oxidoreductor transferul n trepte permite eliberarea energiei n pachete a crei valoare este n jurul lui 7,3 kcal/mol (ct necesit sinteza unui mol de ATP din ADP i H3PO4). 4 H+ + 4 + O2 2 H2O + G0G0 = 52,6 kcalCantitatea energiei eliberate depinde de potenialul redox

Energia liber standardtiind potenialul redox al fiecrei perechi se pot calcula modificarea energiei libere standard.G = -nFEn-numrul de F-constanta lui Faraday (23062 cal/Vmol)E0-diferena de potenialG = -223062[+0,82-(-0,32)] = -52,6 kcal7,3 x 3 = 21,9 calRandamentul utilizrii energiei libere 42%

Energia liber standardTorentul de e orientat n direcia micorrii energiei libere a sistemului Cu ct e mai mare diferena potenialului dintre 2 redox perechi cu att mai mare e diminuarea energiei libere la transferul .

Complexele LR

Complexul I- NADH CoQ reductaz

1mol ATPInhibat: rotenon(otrav pentru peti), Na amital (barbiturat); pericidin (antibiotic)

Complexul II- succinat - CoQ-reductazaVariaia de potenial este de 0,07V; G0 = -3,2 kcal/mol nu se sintetizeaz ATPInhibat malonat (inhibiie competitiv)

Complexul III- CoQ- citocrom c reductazaG0 = -7,75 kcal se sintetizeaz 1mol de ATP.Inhibat antimicina A

Complexul IV- citocromoxidazCatalizeaz adiia a 4 la O2 molecular (a 2 la O).O2 + 4 + 4H+ 2H2O Cderea de potenial de 0,54V. G = -24,8 kcal se sintetizeaz 1mol de ATP Inhibat: CO, ozide, cianide.

NADH+H+FMNFe-SCoQb, c1 Fe-Scaa3Cu O2FADFe-SsuccinatIIIIIIIVComplexele LR

Toate componentele LR sunt dispuse n membrana intern a mitocondriilor. CoQ i cit c funcioneaz individual, iar celelalte componente se grupeaz n complexe.

Complexul V ATP-sintazF0 canal de protoni - strbate membrana intern a MC, const din 4 tipuri de protein ce formeaz un sistem de pori transmembranari prin care trec protoniiF1- partea catalitic - se afl n intregime n matrixul MC (form de sfer). e alctuit din cinci tipuri de proteine (3), (3), , , .la acest nivel are loc reacia de condensare a ADP + Pi ATP+H2OInhibat: oligomicin, atractilatul (glicozid)

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

FOSFORILAREA OXIDATIVreprezint sinteza ATP din ADP i Pi (cuplat cu LR), pe seama energiei eliberate la transferul echivalenilor reductori n LR de la coenzimele reduse la O2.

FOSFORILAREA OXIDATIVDeoarece transferul de are loc treptat, energia se elibereaz n pachete n trepte . Pentru a se forma ATP diferena de potenial trebuie s fie nu mai mic de 0,22V.Funcionarea cuplat a LR i FO este asigurat de 5 complexe

Puncte de fosforilareLocusurile unde are loc sinteza ATP se numesc puncte de fosforilare. n LR (lanul respirator) deosebim 3 puncte de fosforilare:NADH+H----CoQCit b----citccita--cita3

Bilanul general n procesele LR-FO.

NADH + H+ + O2 + 3ADP + 3Pi NAD+ + 3ATP + 4H2O

FADH2 + O2 + 2ADP + 2Pi FAD + 2ATP + 3H2O

Ipoteze principale cu privire la procesele de FO. Ipoteza lui Mitchell Prin ce mecanism energia eliberat n LR este cuplat cu formarea ATP?Teoria chimic, numit i a intermediatorilor comuni (produi intermediatori macroergici, precursori de ATP).Teoria conformaional (energia este preluat de o protein ntr-o conformaie activ, ce stimuleaz ATP).Teoria chemiosmotic (Mitchell, 1961).

Piter D. MItchell(1920-1992)

Premiul Nobel n chimie, 1978

pentru teoria chemi-osmotic a cuplrii oxidrii cu fosforilarea n lanul respirator

Teoria chemiosmoticpostuleaz:

energia care determin sinteza ATP din ADP i Pi i are originea n gradientul de protoni ce se stabilete ntre suprafaa intern i extern a membranei interne mitocondriale n timpul transportului de electroni.

Ipoteza lui Mitchell la transferul electronilor n LR se pompeaz protonii din matrixul MC n spaiu intermembranar.Protonii nu pot reveni napoi deoarece membrana intern a MC nu este permiabilapare gradient de protonipartea extern a membranei interne a MC pozitiv, dar cea intern negativ

Gradientul de protoniGradientul protonilor din matrice n spaiul intermembranar are 2 componente :1. Electric (aprnd potenial de membran - (0,14V)2 de pH ( pH) mpreun potenialul electric i gradientul protonic alctuiesc potenialul electrochimic - +

Gradientul de protoni

determin FORA PROTON-MOTRICE (p)

p = 2,303(RT/F) pH,

unde: potenialul membranar; R constanta gazelor; T temperatura F constanta Faraday

Ipoteza lui MitchellProtonii revin din spaiu intermembranar n mitocondrii prin partea F0 (deoarece restul membranei este impermiabil). Acest flux de protoni este fora morice care determin la nivelul subunitii F1 sinteza de ATP din ADP+Pi

2Membrana intern a MC Membrana extern a MC Matrixul MC + 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ + + + + + - - - - - - DP34PP-sintaza

matrixmembrana intern

spaiulintermembranar10H+ims/4H+m = 2.5H+ per ATP

Datele experimentale ce confirm:S-a confirmat generarea gradientului de protoni n cele 3 puncte ale LR. Anume gradientul de protoni se utilizeaz la sinteza ATP.S-a demonstrat ca pH matrixului mitocondrial crete, iar cel al mediului extern al membranei MC scade (acid).S-a argumentat c transferul H+ din MC n timpul transportului de i revenirii lor prin ATP-sintetaza sunt comparabile cu viteza lor din cadrul FO n MC intacte.

CT de fosforilareRaportul ntre numrul de moli de ATP produi i O2 consumat este numit ct de fosforilare P/O. De la NADH+H pn la O2 - P/O = 3/1 ramura lung, De la FADH2 pn la O2 - P/O = 2/1 ramura medie. P/O reflect cuplarea transportului H+ i (respiraia) i fosforilarea (sinteza ATP). Coeficient indic ce cantitate de P anorganic (H3PO4) se transform n P organic (ATP) la transportul unei perechi de H+ i n LR.

Inhibitorii ai fosforilriiacioneaz asupra ATP-sintetazei. Oligomicina blocheaz ptrunderea H+ prin FO (nchide canalul) cu ncetul slbete respiraia ntrerupere.

Inhibitorii Fosorilrii de ADP

Transportul mitocondrial al ATP i ADPATP/ADP-translocazei- asigur transferul ADP din citozol n MC n schimbul ATP din MC- citozol.Fosfattranslocaza transfer Pi n MC, nsoit de deplasarea ionilor de H2.

ADP + Pi ATP matrix

lower [H+]

_ _

3 H+ ATP4 ADP3 H2PO4 H+

higher [H+]

ADP + Pi cytosol

energy

requiring

reactions

ATP4

+ +

Controlul respirator

Organismele vii sintetizeaz ATP n raport cu necesitatea lui de aceea FO cuplat cu LR este riguros controlat. Deoarece LR i FO etapa final a degradrii G, L, P controlul respirator se poate efectua att prin compui direct implicai n LR i FO, ct i prin intermediatorii degradrii celor 3 clase.

Controlul respirator

Rolul primordial i revine ADP.n lips de ADP rmne blocat F1 din ATP - sintaz nivelul ADP determin i intensitatea transferului de protoni prin F0 ADP reglator alosteric (+) pentru mai multe E ce sunt implicate n degradarea G, L i P.

Controlul respiratorLipsa de ADP - inhib respiraia i stopeaz fosforilarea. La adugarea de ADP crete brusc consumul de 02 ---- se activeaza lantul respirator i ADP se fosforileaz la ATP.

La FO contribue: Integritatea membranei interne a MC orice leziune duce la pierderea capacitii de FO (n timp ce transferul de poate continua).Impermeabilitatea membranei interne pentru ionii H+ OH- K+ Cl-.

Decuplarea produselor de oxidare i fosforilare. Ageni decuplani.FO poate fi decuplat cu ajutorul unor substane chimice, ce inhib sinteza ATP dar neafectnd LR ageni decuplani. La aciunea lor respiraia crete, iar FO este inhibat. protonoforiAD ionoforele

Protonoforii mresc permeabilitatea membranei pentru protoni(H+), lichidnd potenialul transmembranar.a.g. liberi2,4 dinitrofenolsalicilaii (antiinflamatoare)dicumarol (anticoagulant)T3 i T4 (h.gl.tiroide)

Decuplanii2,4-DinitrophenolX

Ionoforele ei leag i transfer ionii prin membran: - valinomicina ( K+) , nigericina ( K+), gramicidina A Na+, K+; H+.

Agenii decuplani mresc termogeneza

Respiraia liber are loc decuplarea FO de LR i toat energia este convertit n cldur, care nu se utilizeaz la executarea funciilor celulare. Astfel MC devin o sob, ce produc cldur. E necesar cnd necesitatea cldurii este mai mare dect ATP. n esutul adipos brun MC sunt specializate la producerea cldurii (nou-nscui, animale n hibernare) termogenina.

Respiraia liber are loc decuplarea FO de LR i toat energia este convertit n cldur, care nu se utilizeaz la executarea funciilor celulare. Astfel MC devin o sob, ce produc cldur. E necesar cnd necesitatea cldurii este mai mare dect ATP. n esutul adipos brun MC sunt specializate la producerea cldurii (nou-nscui, animale n hibernare) termogenina.

Oxidarea microsomal

Un alt tip de reacii de OB este cel oxigenazic. Acestea sunt catalizate de monooxigenaze. Lanurile monooxigenazice de oxidare sunt lanuri scurte de transport al H+ i a cror surs sunt NADPH+HSH + O2 +NADPH + H S-OH + H2O + NADP+ reducerea O2 i incorporarea lui n anumii compui chimici (include un atom de O, cellalt este redus la H2O).

un asemenea lan este microsomial - localizat n RE al celulelor hepatice i suprarenale. Rol esenial l are cit P450 (activatorul O2). El cuprinde o FP (FAD) la nivelul creia H2 este disproporionat n H+ i .

Rolul OMRolul: plastic i dezintoxicare.n ficat hidroxilarea medicamentelor, neutralizarea toxinelor, hormonilor (sunt eliminai).n medulosuprarenale sinteza noradrenalinei i adrenalinei.n corticosuprarenale sinteza colesterolului, hormonilor gluco- i mineralocorticoizi.

Noiune de radicali liberi

La reducerea incomplet a O2 se formeaz forme reactogene i agresive ale substanei cum ar fi: superoxidanionul, peroxidul; radicalul hidroxil sau peroxidul de hidrogen.

Specii incomplet reduse ale oxigenuluiO2 + O2 (anionul superoxid)

2. O2 + 2H+ + H2O2 (apa oxigenat)sau O2 + O2 + 2H+ H2O2 + O2

3. H2O2 + O2 HO + HO + O2sauH2O2 + H+ + HO + H2O (radicalul hidroxil)

Rolul biologicSinteza eicosanoizilor Rennoirea membranelor biologiceApoptozaTransmiterea semnalelor intra- i intercelular

EFECTELE NOCIVE Denaturarea proteinelorModificri n structura nucleotidelor din ANPeroxidarea lipidelor membranareModificarea permeabilitii membranareCreterea influxului intracelular pentru sodiu, ap i calciuLezarea ADN mitocondrial i afectarea integritii proteinelor din LR mitocondrial

Speciile reactive ale oxigenuluiimplicate n patogeneza:

CancerogenezInfarct miocardicAterosclerozHipertensiune arterialDiabet zaharatArtrit reumatismalet.c.

Sistemul de protecie antioxidantEnzimaticCatalazSOD superoxid dis- mutazaGlutation peroxidazaGlutation-S-transfe-razaGlutation reductazaEtc.

Neenzimatic-tocoferolul (vit.E)GSH (glutationul)Ac. Ascorbic (vit. C)PolifenoliiCarnozinaEtc.

AO enzimaticiSOD transformarea 2- n 22 2- + 2- + 2+ 22 + 2Catalaza 222 22 + 2Glutation reductazaGlutation peroxidaza

AO enzimaticiH2O2 2H2O 2G-SH G-S-S-G NADPH+H+NADP+Glutation peroxidazaGlutation reductaza

*****************************CI: complex INADHDH: NADH dehydrogenaseCII: complex IISDH: succinate dehydrogenaseCIII: complex IIICyt bc1: cytochrome bc1 complexCIV: complex IVCyt c ox: cytochrome c oxidaseMal: malateMDH: malate dehydrogenaseNAD+/NADH: nicotinamide adenine dinucleotideOAA: oxaloacetateSuc: succinateFAD/FADH2: flavin adenine dinucleotideFum: fumarateQH2: ubiquinoneCyt c: cytochrome c (oxidized or reduced)ATPase: ATP synthetaseATP: adenosine triphosphate******************