Oxidarea biologicăLanţul respirator

Fosforilarea oxidativă

Oxidarea biologică. Dehidrogenarea substratelor. Enzimele dehidrogenării.

Oxidarea biologică (OB) (respiraţia tisulară) 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. Sub acţiunea enzimelor → dehidrogenaze, ale căror cofactori sunt NAD+ şi FAD (inelul izoaloxezinic).

Enzimele NAD+-dependente: piruvat DH; izocitrat DH; α cg DH; malat DH; oxiacil CoA. Enzimele FAD+-dependente: succinat DH NADH+H+ şi FADH2 rezultaţi în reacţiile de oxidare a acestor substrate transferă p

şi ē în lanţul respirator.

Lanţul respirator (LR). Rolul. Structura.

LR reprezintă un ansamblu (complex) de enzime şi sisteme de oxido-reducere, ce participă la transferul H+ şi ē de la coenzimele reduse (NADH, FADH2) la O2. Este ultima etapă a degradării aerobe.

Este localizat în membrana internă a mitocondriilor. Funcţia LR: Prin transferul H2 pe O2 → cu formarea H2O; coenzimele

se reoxidează, putînd asigura dehidrogenări în continuare. Cînd coenzimele se reoxidează, se eliberează energie ce

serveşte la sinteza ATP.

Potenţialul de O/R

Transferul p şi ē de 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 posedă un potenţial de O/R (potenţial reducător), care se măsoară în volţi.

Potenţialul redox reprezintă capacitatea sistemului de a ceda sau a adiţiona electronii (donorul şi acceptorul cuplat de electroni acţoinează în C% 1mol, pH=7, toC=25o, formează un echilibru). Cu cît potenţialul redox este mai electronegativ cu atît este mai înaltă capacitatea de a ceda ē, şi invers, cu cît potenţialul este mai electropozitiv, cu atît este mai înaltă capacitatea sistemului de a adiţiona electroni.

În calitate de semielement standard se ia electrod de H2= -0,4V. ΔE0′ (C% - 1mol, t – 250C, pH – 7,0) NADH/NAD+ NAD+H+ --- 0,32V (NAD∙H(FMNH2 → FMN+) - -

0,30V) FADH2/FAD+ -0,05 CoQ H2/CoQ +0,04 cit b Fe2+→ Fe3+ +0,07 cit c1 +0,23 c +0,25 a +0,29 a3 +0,55 2H+ 1/2O2 → H2O +0,82

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 deē F-constanta lui Faraday (23062 cal/V∙mol) ΔE-diferenţa a potenţialului redox ΔG = -2∙23062(+0,82-(-0,32) = 52,6 kcal 7,3 x 3 = 21,9 cal Randamentul utilizării energiei libere – 42%

Fosforilarea oxidativă

reprezintă sinteza ATP din ADP şi P, cuplată cu LR, pe baza energiei eliberate la transferul ē în LR de la coenzimele reduse la O2.

Deoarece transferul de ē are loc treptat, energia se eliberează „în pachete” şi sunt ΔG0 peste 7,3 kcal/mol, suficientă pentru sinteza 1mol de ATP.

Locusurile unde are loc sinteza ATP se numesc puncte de fosforilare.

În LR (lanţul respirator) deosebim 3 puncte de fosforilare:

ADP+P ↓

ADP+P ATP

ATP Ded.S. NADH+H+ FPN CoQ cit b

ADP+P ATP cit c1 cit c a-a3 O2 Toate componentele LR sunt dispuse în membrana internă a mitocondriilor

în ordinea descreşterii potenţialului redox negativ şi creşterii celui pozitiv. CoQ şi cit c funcţionează individual, iar celelalte componente se grupează în complexe. IV şi al V-lea numit – ATP-sintetază.

Complexul I NADH → CoQ – reductază Căderea de potenţail 0,42V → ΔG0 = -

19,4 kcal/mol (suficientă pentru sinteza a 2 mol de

ATP, dar se sintetizează 1mol, restul sr degajă sub formă de căldură)

Complexul II – succinat - CoQ-reductaza

formula II Variaţia de potenţial este de 0,07V; ΔG0

= -3,2 kcal/mol.

Complexul III – CoQ-citocrom c reductaza

formula III Variaţia de potenţial este de 0,18V; ΔG0

= -7,75 kcal - 1mol de ATP. Inhibat → antimicina A

Complexul IV → citocromoxidază Catalizează adiţia a 4ē la O2 molecular (a 2ē la ½O). cit c (Fe2+) → cit a → Cu2+ → cit a3 → 1/2O2 →

H2O O2 + 4ē + 4H+ → 2H2O Căderea de potenţial de 0,54V. ΔG = -24,8 kcal → 1mol de ATP Inhibat: CO, ozide, cianide.

Complexul V – ATP-sintetază F0F1 – ATP-aza, alcătuită din F0 → străbate în

totalitate membrana internă, constă din 4 tipuri de proteină ce formează un sistem de pori transmembranari prin care trec protoni – canal protonic.

F1 e alcătuită din cinci tipuri de proteine ααα (α3) β3 γ δ ε. Se află în intregime în matrixul mitocondrial (formă de sferă). La acest nivel are loc reacţia de condensare a ADP cu Pi → factor de cuplare 1.

Funcţionarea celor 4 complexe, a CoQ şi cit c a LR, cuplate cu funcţionarea ATP-sintetazei.

Bilanţul general al conservării energiei libere în legăturile macroergice ale ATP 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. P/O = 3/1 – ramura lungă, 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.

Valoarea lui depinde de calea de oxidare: P/O (NADH + H+) = 3 mol de ATP.

Controlul respirator

Organii vii sintetizează ATP în raport cu necesit.org. – 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 atît prin compuşi direct implicaţi în LR şi FO, cît şi prin intermediorii degradării celor 3 clase.

Rolul primordial îi revine ADP. F1 din ATP sintetază rămîne blocat în lipsă de ADP. Intensitatea transferului de protoni prin F0 al ATP sintetazei

deasemenea e determinată de nivelul ADP. ADP – reglator alosteric (+) pentru mai multe enzime ce sunt

implicate în degradarea G α P.

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).

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 mitocondriilor în timpul transferului de electroni.

la transferul unei perechi de ē (energia eliberată) pompează 3 perechi de H2+ din interiorul mitocondriilor spre exterior. Astfel partea externă → pozitiv, internă – negativ.

Apare potenţialul transmembranar. Protonii revin din spaţiu intermembranar în mitocondrii prin partea F0 (deoarece restul membranei este impermiabilă).

Acest flux de protoni este cel care determină la nivelul subunităţii F1 sinteza de ATP din ADP+P.

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 med. extern al membranei mitocondr. – scade (acid).

S-a argumentat teza că transferul H+ din mitocondria în timpul transportului de ē şi revenirii lor prin ATP-sintetaza sunt comporabile cu V lor din cadrul proceselor de FO în mitocondriile intacte.

H2O rezultată în reacţia de formare a ATP din ADP+P se ionizează spontan; spaţ. intermembranar:

ADP + Pi ATP + Hint+ + OHexter¯

Decuplarea produselor de oxidare şi fosforilare, principalii agenţi decuplanţi.

La FO contribue: Integritatea membranei interne a mitocondriilor → orice

leziune duce la perderea capacităţii de FO (în timp ce transferul de ē poate continua.

Impermeabilitatea mitocondriei interne pentru ionii H+ OH- K+ Cl-.

FO poate fi decuplată cu ajutorul unor substanţe chimice, ce inhibă sinteza ATP dar neafectînd decuplanţi. La acţiunea lor respiraţia creşte, iar FO este inhibată.

protonofori AD ionofori

Protonofori → permeab.membranei pentru protoni, lichidînd potenţialul transmembranar.

a.g. liberi 2,4 dinitrofenol salicilaţii (antiinflamatoare) dicumarol (anticoagulant) T3 şi T4 (h.gl.tiroide) ______________________________

Ionoforii – ei leagă şi transferă ionii prin membrană.

Ex.: - valinomicina (↑ K+) (dar nu completă a respir. şi FO), nigericina (↑ K+), gramicidina A → Na+, K+; H+.

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

Respiraţia liberă – are loc decuplarea FO de LR şi toată energia este convertită în căldură, care nu se utilizează la executarea funcţiilor celulare. Astfel mitocondriile devin o sobă, ce produc căldură. E necesar în situaţii, cînd necesitatea căldurii este mai mare decît ATP. Pentru mitocondrii musculare producerea căldurii nu e funcţia de bază. În grăsimea brună – mitocondriile sunt specializate la producerea căldurii (nou-născuţi, animale în hibernare).

Oxidarea microsomală

Un alt tip de reacţii de oxidare biologică 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 substratele oxidate de hidrogenazele NADP-dependente.

(substr. care se hidroxilează) SH + O2 +NADPH + H+ S-OH + H2O + NADP+ reducerea O2 şi incorporarea lui în anumiţi compuşi chimici (include un atom de O2, celălalt este redus la H2O).

În sistemul de hidroxilare un asemenea lanţ este microsomial localizat în reticulul endoplasmatic al celulele hepatice şi suprarenale. Rol esenţial are cit P450 (activatorul O2). El cuprinde o FP (FAD) la nivelul căreia H2 este disproporţionat în H+ şi ē.

Rolul: plastic şi dezintoxicare. În ficat – hidroxilarea medicamentelor,

neutralizarea toxinelor, hormonilor (sunt eliminaţi).

În medulosupr. – sinteza noradrenalinei şi adrenalinei.

În corticosupr. – sinteza colesterolului h.gluco- şi minaralocorticoizi.

Noţiune de radicali liberi. Oxidarea peroxidică a a.g. nesaturat. Sistema de protecţie.

La reducerea incompletă a O2 se formează forme reoctogene şi agresive ale substanţei cum ar fi: superoxidanionul, peroxid; hidroxil sau peroxidul de hidrogen.

ēO2 O2- HO2· superoxid HO· - hidroxil anion

Aceşti produşi iniţiază OP, ce se petrece în lanţ cu generarea de peroxizi a a.g. nesaturaţi.

În condiţii fiziologice ORL şi OPL sunt implicate în reînoirea membranelor biologice, degradarea substraţilor fagocitare; biosinteza isocanoizilor.

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