ALTE SISTEME TRANSPORTOARE DE
HIDROGEN I ELECTRONI.
OXIDOREDUCERILE MICROZOMALE
1
OXIDOREDUCERILE MICROZOMALE
Localizate n reticulul endoplasmatic neted (fraciunea microzomal)
Sistem transportor de electroni care nu este fosforilant (nu este
productor de ATP)
Implicat n procesele de hidroxilare i de dehidrogenare
Sistemul cuprinde:
donorul de echivaleni reductori - NADPH2
flavoprotein
fier-sulf-protein
citocrom microzomal specific, denumit citocromul P450, care are rol de
oxidaz mixt, cataliznd concomitent procese de hidroxilare i de
formare a apei.
Hidroxilazele utilizeaz NADPH, n calitate de cosubstrat i oxigenul
molecular, cataliznd urmtoarea reacie general:
R-H + NADPH + H+ + O2
R-OH + NADP+ + H2O
2
R-H O
R-HO
2
R-H
O2
O
O2-
citP450-Fe3+
(Oxidat)
Produs
hidroxilat
citP450-Fe3+
citP450-Fe3+
citP450-Fe2+
citP450-Fe2+
Citocrom P450
reductaza
Substrat (R-H)
NADPH+H+
1e-
primul
electron
al doilea
electron
2H+
H2O
(R-OH)
R-OH
NADP+
FAD
FADH22Fe3+-Sulf
proteine
2Fe2+-Sulf
proteine
2e-
1e-
R-H + NADPH + H+ + O2
R-OH + NADP+ + H2O
Mecanismul secvenial al oxidoreducerilor microzomale
Citocromul
P450
Substrat (R-H)
Compus aromatic
Compus steroidic
Acizi biliari
Metabolit toxic endogen
Medicament
3
4Schema ilustreaz legarea substratului (R-H) de citocromul P450, transferul individual, secvenial, al celor doi electroni de la NADPH-citocrom P450 reductaz, i legarea de oxigenul activat, cu formarea substratului hidroxilat (R-OH) i a apei (H2O)
n prima etap, substratul R-H se combin cu forma oxidat (Fe3+) a P450 care este apoiredus cu un electron (ce provine de la NADPH) la forma Fe2+. Acest transfer al primuluielectron se face prin intermediul flavoproteinei (NADPH citocrom P450 reductaza). Fier-Sulf proteinele, au rolul de a separa cei doi electroni provenii de de la NADPH. Complexul format din citocromul P450 (Fe
2+) i substrat (R-H) reacioneaz cu oxigenulmolecular (O2) ntr-un asemenea mod nct unul din atomii de oxigen este redus la ap, iar cellalt este introdus n substratul organic, rezultnd substratul hidroxilat (R-OH). Ca mecanism, complexul este oxigenat i primete un al doilea electron de la NADPH, rezultnd oxigen activat sub form de anion O2-. Urmeaz o oxidoreducereintern cu formarea substratului hidroxilat i a apei (H2O), ambii produi de reacieconinnd atomii de oxigen din molecula de O2. Citocromul P450 liber este regeneratsub form de Fe3+. Transferul de echivaleni reductori de la NADPH se face n doutrepte, datorit aciunii Fe-S proteinelor.
Mecanismul secvenial al oxidoreducerilor microzomale
R-H - substratul care urmeaz a fi hidroxilat: compui aromatici,
compui steroidici, acizi biliari, medicamente, metabolii toxici
endogeni;
Un atom din molecula de O2 este ncorporat n substratul R-H iar
cellalt este redus cu formarea apei.
Flavoproteina microzomal i citocromul P450 prezint fenomenul de
inducie enzimatic: biosinteza i deci concentraia lor n ficat crete
semnificativ sub aciunea barbituricelor i a altor medicamente.
Aceti ageni stimuleaz proliferarea reticulului endoplasmatic din
celulele hepatice = > adaptare cu rol protector a celulei.
R-H + NADPH + H+ + O2
R-OH + NADP+ + H2O
5
6 componenta de baz a sistemului oxidazic cu funcii multiple (SOFM) familie multigenic de hemoproteine caracterizate prin proprieti diferite
de cataliz, de specificitate pentru substrat, i de sensibilitate la tratamentulcu diferii inductori.
denumirea de citocrom P450 este dat de complexul citocromului cumonoxidul de carbon care este un pigment (P) cu un maxim de absorbiela 450 nm
clasa proteinelor cu hem, centrul activ este alctuit dintr-un complexchelat fier-protoporfirina IX. Apoproteina are o mas molecular cuprinsntre 45.000 i 50.000 daltoni
Modelul spaial al citocromului P450 descifrat prin cristalografie de raze X. Este redat structura secundar a componentei proteice i componenteiprostetice de tip heminic. Captul N-terminal este ilustrat cu albastru, iarcel C-terminal cu rou. (dup Hamdane, 2008)
Citocromul P450 (CYP, EC: 1.14.14.1)
7 Multiplicitatea i eterogenitatea citocromilor P450 a necesitat elaborarea unei nomenclaturi bazat pe procentul de omologie al secvenelor proteice, aceast nomenclatur fiind adus la zi o dat la doi ani.
Tehnicile de biologie molecular recent descoperite au permis izolarea mai multorADNc ale citocromilor P450. Aceste secvene au fost exprimate n numeroase celuleeucariote sau procariote, iar celulele recombinante au permis studierea specificitii de substrat a acestor izoforme precum i caracteristicile lor fizico-chimice.
Anul 2014 a marcat a 60-a aniversare a descoperirii citocromilor P450, fiindidentificate la om un numr de 57 gene care codific pentru diferite izoenzime ce prezint un interes farmacologic i toxicologic.
Citocromul P450 (II)
Familie Sub-familie Enzima
CYP 1
Omologie > 40%
AB.
Omologie > 60%
123.
2 AB.
3 ..
Monooxigenazelecitocrom P450 suntdesemnate cuprescurtarea CYP urmatde o cifr arab care indic familia genic dincare face parte. Urmeazapoi o liter pentrusubfamilie i o cifr arabca numr de identificarea genei.
8 O izoform nu este specific unui singur substrat, un CYP poate metaboliza
mai multe substrate i un substrat poate fi metabolizat de mai multe
izoforme CYP.
Familia CYP metabolizeaz mii de compui endogeni i exogeni i sunt
prezente n aproape toate esuturile.
Sunt implicate n biosinteza colesterolului, a acizilor biliari, hormonilor
steroizi, i n metabolismul vitaminei D.
La om, cele mai implicate enzime n metabolismul medicamentelor sunt
izoformele: CYP3A4, CYP2D6, CYP2C9, CYP1A2, CYP2C19.
Dei membrana reticulului endoplasmic constituie principala localizare
subcelular a citocromului P450 n ficat, el este de asemenea situat n
membrana intern mitocondrial a celulelor din glandele suprarenale, din
testicule, placent i creier.
Citocromul P450 (III)
9Clasificarea CYP 450 n funcie de substrat
10
Izoforma CYP Substrate Inhibitori Inductori
Principalele clase de CYP implicate n metabolismul medicamentelor. Activarea i inhibiia cu impact asupra
eficacitii-toxicitii acestora
B. P. Sweeney and J. Bromilow, Anaesthesia, 2006, 61, pages 159177
11
Substrate Inhibitori InductoriIzoforma CYP
Principalele clase de CYP implicate n metabolismul medicamentelor. Activarea i inhibiia cu impact asupra
eficacitii-toxicitii acestora
B. P. Sweeney and J. Bromilow, Anaesthesia, 2006, 61, pages 159177
GlucideLipideProteine
VitamineMineraleH2O
XENOBIOTICE digestieabsorbtietransport
Compusi intracelulari SIMPLI
Biomolecule COMPLEXEcu rol structural si functional
Ci de biosintez Ci de stocare
Compusi de REZERV
O2
Detoxifiere siEliminare
Produsi de degradareProdusi toxici
Transformari oxidative
Energie
CO2H2O
ANABOLISM
CATABOLISM
Componente dietare
MEDICAMENTE
Aminoacizi Hexoze
Pentoze
Acizi grasi
Glicerol
Proteine Polizaharide Lipide
Acetil~SCoA
Ciclul
citratului
2H 2H 2H 2H
Oxidarea biologic
H2OCO2
O2 ATP
Stadiul I
Stadiul II
Stadiul III
Stadiul IV
MECANISME GENERALE DE TRANSFORMARE A CONSTITUENILOR ORGANICI FUNDAMENTALI AI ORGANISMELOR VII
13
Glucide
Metabolism glucidic
14
GLUCIDE Definiie i caracteristici structurale
GLUCIDE sau CARBOHIDRAI = compui naturali, alctuii din carbon, hidrogen i oxigen, care au, n general, gust dulce i caracter reductor, sau care prin hidroliz pot forma compui cu aceaste proprieti.
Biomolecule cu structuri de tip polihidroxicarbonilic (polihidroxialdehide sau polihidroxicetone).
Clasificare (I)
Clasificarea glucidelorn functie de comportarea la hidroliz
Monozaharide (nu hidrolizeaz)
Oligozaharide (hidrolizeaz n 2-10 resturi monozaharidice)
Polizaharide (glicani, glucani) - compusi cu un numr mare de monozaharide n structur
Homoglicani
Heteroglicani15
Monozaharidele
Monozaharide propriu-zise
Monozaharide derivate
n functie de numrulde atomi de carbon dinstructur
n functie de tipul grupriicarbonil din structur
-trioze-tetroze-pentoze-hexoze, etc
-aldoze-cetoze
Cu grupri amino care substituiegruprile hidroxil (aminozaharuri)
-glucozamina-galactozamina-manozamina
Acizi uronici: acidul glucuronic, acidul galacturonic, etc)
-Cu N n structur si/sau -Cu S n structur (structuri N acetilate, N sulfatate, O sulfatate)
Clasificarea monozaharidelor (II)
16
17
Structurile liniare ale unor compui polihidroxialdehidici (aldoze)i polihidroxicetonici (cetoze)
Monozaharide
reprezentative
18
D-Glucoza i cei doi epimeri.Centru chiralic (cu rou)
19
Structuri
piranozice
i furanozice
Anomerii
i
20
Conformaia scaun a glucopiranozei
Formarea structurilor ciclice i glucopiranozice
atom de carbon semiacetalic
21
Derivai de hexoze cu rol biologic
22
Dizaharide formarea legturii glicozidice
atomul de carbon anomeric
Glu(a14)Glu
Legtura glicozidic protejeaz atomul de carbon anomeric de oxidare
Formarea maltozei
23
Structurile unor dizaharide
Glc(a12b)Fru
Configuraia atomului de
carbon
anomeric
Atomi de carbon
legai prin legtur glicozidic
Structurile unor dizaharide care conin monozaharide derivate (N i O-sulfatate)
Acid glucuronic N-Acetilglucozamina
Unitile repetitive ale unor glicozaminoglicani ai matrixului extracelular
Polimeri liniari compui ai unitilor repetitive dizaharidice
25
Heteroglicani (I)
26
Heteroglicani (II)
Oligozaharidele 2-10 monozaharide, unite ntre ele prin legturi glicozidice oligozaharidele cu mai mult de trei uniti nu exist n form liber ci intr n structura unor biomolecule complexe n care sunt asociate cu lipide sau proteine
Polizaharidele, denumite glicani sau glucani biomolecule constituite din cteva zeci pn la sute sau mii de subuniti monozaharidice; unele au structuri liniare (celuloza, acidul hialuronic, heparina) altele sunt ramificate (glicogenul, amidonul)
O categorie aparte o constituie glucidele conjugate glicoproteinele i glicolipidele. Cele mai rspndite macromolecule din aceast clas sunt mucopolizaharidele, componente ale proteoglicanilor (constituite din acid hexuronic i hexozamine) i poliozidele bacteriene
27
Homopolizaharide cu rol de glucide de rezerv
Other homopolysaccharides (e.g. cellulose and chitin) serve as structural
elements in plant cell walls and animal exoskeletons.
Granule de amidon (plante)
Granule de glicogen (muchi, ficat)
Structura spaial a amilozei din molecula de amidon
Structura amidonului
29
Suspensia de amiloz n ap adopt o
conformaie helical.
Iodul molecular (I2) se poate insera n
mijlocul helixului => culoarea albastr
caracteristic
30
Structura spaial a glicogenului
31
Fragment de chitin(homopolizaharid liniar compus din resturi de N-acetilglucozamin legate b)
Exoschelet de chitin
Celuloza i chitina homopolizaharide cu rol structural
Peretele celular la bacterii i alge conine heteropolizaharide cu rol structural
Peptidoglican
(unitile de GlcNac-Mur2Ac legate b1 4 - sunt crosslinkate de peptide mici)
Structura agarozei (alge)
exact structure depends
on the bacterial speciesLizozimul distruge bacteriile prin hidroliza legturii b1 4
Agreganii= agregate de proteoglicani
Agreganii
interacioneaz puternic cu colagenul din
matrixul extracelular
contribuind la structura
rigid a esutului conjunctiv
Numerose virusuri se fixeax pe suprafaa celulelor gazd prin intermediul lectinelor virale(proteine care leag glucide) i a oligozaharidelor de pe suprafaa celulelor gazd.
Medicamente antivirale analogi structurali ai acidului N-acetilneuraminic, inhib sialidaza viral i limiteaz eliberarea virusurilor din celula infectat(Tamiflu) (Relenza)
Celulele de Helicobacter pylori ader la suprafaa mucoasei gastrice cu ajutorul unor interacii dintre lectinele bacteriene i oligozaharide specifice ale celulelor gastrice.
Rolul biologic al glucidelor
surse directe de energie
substane de rezerv ex: la animale glucoza se depoziteaz sub
forma glicogenului muscular i hepatic, iar la plante sub form
de amidon
substane cu rol structural i de susinere ex: celuloza, chitina,
mucopolizahridele din esuturile cartilaginoase.
funcii specifice glicoproteinele intr n structura proteinelor
de grup sangvin, particip la procesele imunitare, intr n
structura heparinei cu rol anticoagulant, etc.
37
38
Digestia i absorbia glucidelor
Digestia = transformrile mecanice,
fizice i chimice pe care le sufer
alimentele n tubul digestiv, pentru
a le face capabile s strbat
mucoasa acestuia i s ajung n
limf i snge
DIGESTIA I ABSORBIA GLUCIDELOR ALIMENTARE
Absorbia = procesul de trecere a
substanelor din intestin prin
peretele intestinal n capilarele din
snge, i apoi n vena port
DIGESTIE = ansamblul cailor metabolice ce permit transformarea alimentelor in nutrimente
39
Polizaharide : amidonul, glicogenul,Dizaharide : zaharoza, maltoza, lactozaMonozaharide: glucoza, fructoza, riboza, etc
1. Cavitatea bucal: -amilaza
salivar (-1,4-glucan-4-
glucanhidrolaza, EC:3.2.1.1)
secretat glandele salivare,
hidrolizeaz amidonul => dextrine
i eventual maltoz, transformare
limitat de timpul scurt pe care
alimentele l petrec n cavitatea
bucal => bolul alimentar.
DIGESTIA GLUCIDELOR
40
2. Stomac: n sucul gastric nu exist
enzime amilolitice, iar amilaza
salivar ce a acionat pn la acest
nivel este inhibat de acidul
clorhidric secretat n stomac =>
chimul gastric.
41
3. Intestin: hidroliz sub aciunea
enzimelor pancreatice i intestinale.
-Amilaza pancreatic hidrolizeaz
amidonul i glicogenul alimentar
netransformate => dextrine i maltoz.
Alfa-glicozidazele hidrolizeaz maltoza i
alte dizaharide => dou molecule de
glucoz
-fructozidaza (zaharaza sau sucraza)
hidrolizeaz zaharoza => glucoz i
fructoz
-galactozidaza (lactaza) hidrolizeaz lactoza =>glucoz i galactoz
n urma digestiei glucidelor, n
intestinul subire rezult o serie de
monozaharide, dintre care predomin
glucoza, galactoza, fructoza, manoza,
precum i unele pentoze.
42
Alfa-glicozidazele - int terapeutic
Alfa-glicozidazele de la nivelul peretelui intestinal hidrolizeaz oligozaharidele la glucoz i alte monozaharide.
Inhibiia acestor enzime reduce rata de digestie a carbohidrailor i reduce astfel cantitatea de glucoz disponibil pentru absorbie
Acarboza, miglitolul inhibitori competitivi ai alfa-glicozidazelor utilizai pentru tratarea diabetului zaharat de tip II
Efecte secundare datorit inhibiiei alfa-glicozidazelor, oligozaharidele nedigerate ajung la nivelul colonului unde sunt transformate de bacteriile saprofite, determinnd apariia de tulburri locale (flatulen, diaree)
43
OCH2-OH
OH
OH
O
CH2-OH
OH
OH
O
CH2-OH
OH
OH
O
CH2-OH
OH
OH
O
CH2-OH
OH
OH
OOH
OH
CH2
O
CH2-OH
OH
OH
OHO
OO
O
CH2-OH
OH
OH
O O
O O O O
capt
reductor
1
24
4
5
6
1
2
31
6
3
5
1
a - amilaz
b- amilaz
Enzima R
1 4
OOH
OH
CH2-OH
OH
O
CH2-OH
OH
OH
OHO
14
5
6
2
3
4
aMaltoz (glucoz - - 1,4-glucoz)
Maltaz (EC: 3.2.1.20)
O
CH2-OH
OH
OH
OH O
O
CH2-OH
OH
OHOH
2
3
4
5
6
bLactoz (galactoz -
12
3
4
5
6
1
- 1,4-glucoz)
- galactozidaza (EC: 3.2.1.23)b
O
CH2-OH
OH
OH
OHO
O
CH2-OH
OH
OH
HO-H2C
a
b
- D glucoz
-D fructoz
14
5
6
1
2
3
45
6
Zaharaz
(EC: 3.2.1.26)
Sucroz (glucoz-a - 1,2-fructoz)
Aciunea amilazelor asupra moleculei de amidon
44
45
FICAT I PANCREAS DE IEPURE (disecie)
46
Unele polizaharide (celuloza,
pentozanele) NU sunt transformate n
tubul digestiv al omului (nu conine
enzimele necesare).
Ele trec, ca atare, n intestinul gros,
unde sunt degradate n mic msur
sub aciunea florei intestinale i sunt
eliminate prin fecale.
Aceste polizaharide NU AU ROL IN
NUTRITIE, fiind utile pentru digestie,
deoarece contribuie la reglarea
peristaltismului intestinal.
47
ABSORBIA GLUCIDELOR are loc
la nivelul peretelui intestinal sub form
de monozaharide. Viteza de absorbie
depinde de:
- natura compusului glucidic
- unii factori anatomo-fiziologici:
regiunea intestinal, starea de
funcionare a intestinului, prezena unor
vitamine (tiamina, piridoxina, acidul
pantotenic), i a unor hormoni
(tiroxina).
Dac pentru glucoz viteza de absorbie se noteaz arbitrar cu 100, pentru
alte monozaharide se obin urmtoarele valori: - galactoza 110
fructoza 43 manoza 19 xiloza 15 arabinoza 9 48
Structura mucoasei intestinului subire
Mucoasa intestinala formeaza cute transversale - valvule conivente.Pe valvule se gasesc vilozitatile intestinale (4 milioane).Vilozitatile intestinale reprezinta unitatea morfofunctionala a aparatului de absorbtie intestinala.Printre vilozitati se deschid glandele intestinale. 49
Structura mucoasei intestinului subire50
ABSORBIA MONOZAHARIDELOR
- Mecanisme fizice sau biochimice
- Pentozele i unele hexoze : difuzie simpl, fr consum energetic
- Absorbia majoritii hexozelor se desfoar, prin difuzie facilitat sau printr-un
proces activ, cu ajutorul unor transportori. Reacia are loc n prezena hexokinazei i
este stimulat de hormonii corticosuprarenali. Hexozele se absorb sub form de
esteri fosforici, care sunt apoi hidrolizai n prezena fosfatazelor corespunztoare
- Dup absorbie, monozaharidele ajung pe calea venei porte la ficat, unde pot fi
depozitate temporar sub form de glicogen, sau trec n circulaia general, ajungnd
pe cale sangvin n toate celulele diferitelor organe i esuturi unde sunt necesare
pentru desfurarea proceselor metabolice
51
Digestia i absorbia glucidelor n intestinul subire
52
Catabolismul glucidic
53
54
Repere cronologice n elucidarea catabolismului glucidic
Louis Pasteur1822 - 1895
1860 L. Pasteur a descoperit c microorganismele erau responsabile de procesele de fermentaie
1897 E. Buchner a descoperit c un extract de Saccharomyces poate fermenta zahrul 1918 G. Embden tumorile maligne prezint o intensificare a procesului de glicoliz
(utilitate n diagnosticul cu PET) 1930 O. Warburg & H. Von Euler-Chelpin au elucidat procesul de degradare a glucozei la
SaccharomycesG. Embden & O. Meyerhof au elucidat reaciile glicolizei n muchi
Eduard Buchner1860 - 1916
CATABOLISMUL GLUCIDIC
GLICOLIZA
FERMENTAIILE
DEGRADAREA AEROB
DEGRADAREA PE CALEA PENTOZO-FOSFAT
DEGRADAREA PE CALEA ACIZILOR URONICI
ALTE CI DE DEGRADARE
55
Schema general a catabolismului glucozei n
condiii anaerobe i aerobe
GLICOLIZA (GLUCOLIZA)
DEGRADAREA ANAEROB
CALEA EMBDEN - MEYERHOFF - PARNAS (1930) Procesul prin care o molecul de glucoz se transform anaerob n 2 molecule de acid lactic 11 etape, catalizate de enzime specifice (localizate n faza solubil a citoplasmei) 2 stadii:
STADIUL I cu consum de ATPSTADIUL II proces cuplat cu formare de ATP
STADIUL I Reaciile cu consum de ATP
1. Fosforilarea (activarea) glucozei
O O
O
O
CH2
OH
OH
HO
OH
OH
+ ATP
hexokinaza
Mg2+
CH2
OH
HO
OH
OH
P OH
OH+ ADP
glucoza glucozo-6-fosfat(glucokinaza) FICAT 57
2. Izomerizarea - conversia glucozo 6-fosfat n fructozo 6-fosfat
O
O O
O
CH2
OH
OH
OH
P
glucozo-6-fosfat
HO
glucozo-6-fosfatizomeraza
EC: 5.3.1.9
Mg2+
Mn2+
- fructozo-6-fosfatb
CH2
OH
OHP
HO
CH2 OH1
2
3
45
6
3. Fosforilarea fructozo 6-fosfat
O
O
O
O
- fructozo-6-fosfatb
CH2
OH
OHP
HO
CH2 OH1
2
3
45
6
fosfofructokinaza + ATP + ADP
fructozo-1,6-bisfosfat
CH2
OH
OHP
HO
CH2 O1
6
P
58
3. Scindarea fructozo 1,6-bis-fosfat
O
O
O
O
CH2 P1
2
3
4
5
6
C
CH
HC
HC
O
HO
OH
OH
CH2 P
fructozo 1,6- bis fosfataldolaza
CH2 P
C O
CH2 OH
fructozo-1,6-bisfosfat
dihidroxiacetonfosfat
+ HC OH
CH2 P
C
O
H
89%10,5% 0,5%
gliceraldehid 3 - fosfat
echilibrul reaciei este deplasat spre dreapta
59
OO
HC
OH
O
HC
CH2 P
gliceraldehid 3- fosfat
triozo izomerazaC
CH2
O
OH
CH2 P
dihidroxiaceton 3- fosfat
STADIUL II Oxidarea gliceraldehid 3-fosfat acid lactic, cu formare de ATP
5. Oxidarea fosforilant a gliceraldehid 3-fosfat
O
HC O
CH2 P
C
O
H
gliceraldehid 3 - fosfat
ENZ - SH
NAD+
O
HC OH
CH2 P
HC S - ENZ
OH
NAD+
NADH + H+
O
HC OH
CH2 P
S - ENZC~O
tioester "macroergic"
O
P OH
OH
HO
HS - ENZ
O
O
acid 1,3-bisfosfogliceric
OH
CH2 P
C~O
HC
PReacia global este:
OC
O
HR
aldehida
+ NAD+ + Pi C
O
R ~ P + NADH + H+
ester fosforicmacroergic
Compus fosforilat macroergic !
Complex activat ESGliceraldehid 3-fosfat-DH
60
Funcia aldehidic este oxidat la funcia acid corespunzatoare
Energia eliberat n procesul de oxidare este conservat sub forma leg. fosfatmacroergic din ac 1,3-bisfosfogliceric
Gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza
6. Transferul radicalului fosforil pe ADP
7. Izomerizarea - conversia acidului 3-fosfogliceric n acid 2-fosfogliceric
O
O
O
acid 1,3-bisfosfogliceric
OH
CH2 P
C~O
HC
P
+ ADP
fosfogliceratkinaza
OH
CH2 P
COOH
HC+ ATP
FOSFORILARE DE SUBSTRAT
acid 3-fosfogliceric
O
OOH
CH2 P
COOH
HC
fosfogliceratmutaza
(izomeraza)
Mg2+OHCH2
P
COOH
HC
acid 3-fosfogliceric acid 2-fosfogliceric
61
8. Deshidratarea intramolecular i oxidoreducerea acidului 2-fosfogliceric
O O
OHCH2
P
COOH
HC
acid 2-fosfogliceric
enolaza
CH2
P
COOH
C~
acid fosfoenolpiruvic
H2O
Mg2+
9. Transferul gruprii fosforil la ADP
O
CH2
P
COOH
C~
acid fosfoenolpiruvic
+ ADP
piruvatkinaza
Mg2+
CH2
COOH
C
acid enolpiruvic
OH + ATP
FOSFORILARE DE SUBSTRAT
acid fosfoenol piruvic = compus macroergic, care prin hidroliz
elibereaz 14,8 kcal/mol
62
10. Izomerizarea acidului enol piruvic la acid piruvic
CH2
C
acid enolpiruvic
OH
COOH
CH3
C
acid piruvic
O
COOH
11. Reducerea acidului piruvic la acid lactic
CH3
C
acid piruvic
O
COOH
lactatdehidrogenaza
NADH + H+
NAD+
CH3
HC
acid lactic
OH
COOH Produsul final al degradrii anaerobe a
glucozei
tautomerie ceto-enolic
63
IZOENZIMELE LACTAT-DEHIDROGENAZEI (LDH)Izoenzimele = forme enzimatice diferite ale aceleiai enzime (izoforme).- Acioneaz asupra aceluiai substrat- Structur primar diferit,- Proprieti fizico-chimice diferite:
gradul de afinitate pentru variate substrate; sensibilitatea la activatori i la inhibitori; mobilitatea n cmpul electroforetic; stabilitatea la cldur; sunt elaborate de organe diferite; permit o modulare a activitii lor n esuturi diferit i intevin astfel n
reglarea activitii tisulare.
Exist 5 izoenzime LDH ce pot fi evideniate n serul uman prin electroforezEnzima activ LDH - tetramer - dou tipuri de protomeri (2 lanuri): tipul H (de la heart- inim)
tipul M (de la muscle- muchi). -Subunitile M i H sunt codificate de gene diferite: LDH-A (cromozomul 11 ) i
LDH-B (cromozomul 21)Asocierea celor dou tipuri de protomeri n structura tetramer a condus la formarea a 5 izoenzime:- dou omogene: H4 i M4- 3 hibrizi: M1H3, M2H2, M3H1. 64
OCOOH
CH3
C
Acid piruvic
LDH5
NADH +H+NAD+
Acid L-lactic
COOH
CH3
HHOC
LDH1
NADH +H+ NAD+
Structura tridimensional a LDH
Izoenzimele LDH pot fi separate prin electroforez, obinndu-se zimograme
Markeri de lezare tisular: semnificaie clinic diferit!
Ex: LDH1 i LDH2 infarct miocardic acut
LDH2 i LDH5 hepatit acut65
muchi cardiac
muchi scheletic
Muchi cardiac i Eritrocite
Leucocite
Plmni
Rinichi
Muchi scheletic i Ficat
LDH1 (H4)
LDH2 (M1H3)
LDH3 (M2H2)
LDH4 (M3H1)
LDH5 (M4)
BILANUL CHIMIC I ENERGETIC AL GLICOLIZEI
Stadiul - I
Glucoz + 2 ATP 2 Gliceraldehid -3-P + 2 ADP
(2 triozo-3-P)
2 Gliceraldehid -3-P + 2 Pi + 2 NAD+ 2 Acid 1,3-bis fosfo-gliceric + 2 NADH2
2 Acid 1,3-bis fosfo-gliceric + 4 ADP 2 Acid piruvic + 4 ATP + 2 H2O
2 Acid piruvic + 2 NADH2 2 Acid lactic + 2 NAD+
LDH
Stadiul - II
Glucoz + 2 Pi + 2 ADP 2 Acid lactic + 2 ATP + 2 H2O
Glicoliza e formatoare de ATP prin fosforilare
de substrat66
C6H12O6
CH3
HC
acid lactic
OH
COOH
2
BILANUL CHIMIC I ENERGETIC AL GLICOLIZEI
Go = - 47 kcal/mol
47 .......................10014 ........................x = ~30%
Glicogen fosforilaz
Glucozo -1-fosfat
izomerizare
Glucozo -6-fosfat
izomerizare
Fructozo -6-fosfat
+ ATP
Fructozo -1,6-bisfosfat
Pi
67
(2ATP)
n esutul muscular glicoliza ncepe de la glucozo-1 fosfat, deci nu se consum dect o molecul de ATP n Stadiul I:
GLICOLIZA COMENTARII - CONCLUZII
1.) Este procesul prin care o molecul de glucoz se transform anaerob(n condiii de hipoxie celular) n dou molecule de acid lactic.
2.) Deci procesul de desfoar fr participarea oxigenului.NADH + H+ nu trece n lanul respirator ci particip la reducerea acidului piruvic.
3.) Din punct de vedere energetic concomitent cu degradarea glucozei din punct de vedere chimic are loc eliberare de energie Go = - 47 kcal/mol (cldura de formare a acidului lactic)
4.) Pe baza energiei eliberate de formeaz: -2 molecule de ATP cnd reaciile ncep de la glucoz- 3 molecule de ATP cnd reaciile ncep de la glicogen (n esutul muscular)
5.) Procesul decurge n dou stadii:-Primul stadiu consumator de energie (ATP)-Al doilea stadiu este interesant din punct de vedere energetic deoarecese genereaz ATP prin fosforilare de substrat (adic prin oxidarea direct a unui substrat aa cum este gliceraldehid 3-fosfatul, cu participarea enzimei gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza). 68
GLICOLIZA COMENTARII - CONCLUZII
6.) Randamentul energetic este ~ 30%.
7.) Complexul de enzime care sunt implicate n glicoliz sunt localizate n citoplasm.
8.) Reglarea glicolizei:Procesul de glicoliz depinde de urmtorii parametri:a) concentraia de fosfat anorganic (Pi) din sistemul de reacieb) concentraia n esteri hexozo- i triozofosfai c) Raportul dintre ATP i ADP
9.) Aceti parametri, printr-un mecanism de feed-back pot stimula sau inhiba lanul de reacii din glicoliz.
De exemplu: cnd are loc o solicitare de ATP, n condiiile unui consum energetic, se elibereaz ADP i Pi. Aceasta duce la mrirea vitezei reaciilor are loc stimularea procesului glicolitic.
69
GLICOLIZA COMENTARII - CONCLUZII
Pe de alt parte, n lips de ADP i Pi - deci n condiii aerobe cnd este intensificat fosforilarea oxidativ i se formeaz ATP - glicoliza este inhibat.
10.) Exist particulariti privind eficiena procesului n funcie de esuturi.Astfel, glicoliza predomin n eritrocit dar i n muchiul cardiac i creier (deci n esuturi extrahepatice).
11.) Glicoliza reprezint mijlocul prin care organismul ateapt revenirea unor condiii de oxigenare adecvat. Mecanismul este denumit datorie de oxigen.DECI:- Meninerea unor anumite concentraii de oxigen i de dioxid de carbon n celule este esenial pentru funcia normal a celulelor.
70
Medicine: High Rate of Glycolysis in Tumors SuggestsTargets for Chemotherapy and Facilitates Diagnosis
CT scan
PET scan18F-2-fluoro-2-deoxyglucose
72
Detection of cancerous tissue by positron emission tomography (PET). Cancerous Tissue Has Deranged Glucose Catabolism (Lehninger Biochemistry, 5e, 2013)
73
Detection of cancerous tissue by positron emission tomography (PET). Cancerous Tissue Has Deranged Glucose Catabolism
Glucose uptake and glycolysis proceed about ten times faster in most solid tumors than in noncancerous tissues. Tumor cells commonly experience hypoxia (limited oxygen supply), because they initially lack an extensive capillary network to supply the tumor with oxygen. As a result, cancer cells depend on anaerobic glycolysis for much of their ATP production. They take up more glucose than normal cells, converting it to pyruvate and then to lactate as they recycle NADH. The high glycolytic rate may also result in part from smaller numbers of mitochondria in tumor cells; less ATP made by respiration-linked phosphorylation in mitochondria means more ATP is needed from glycolysis. In addition, some tumor cells overproduce several glycolytic enzymes, including an isozyme of hexokinase that associates with the cytosolic face of the mitochondrial inner membrane and is insensitive to feedback inhibition by glucose 6-phosphate. This enzyme may monopolize the ATP produced in mitochondria, using it to convert glucose to glucose 6-phosphate and committing the cell to continued glycolysis. The hypoxia-inducible transcription factor (HIF-1) is a protein that acts at the level ofmRNA synthesis to stimulate the synthesis of at least eight of the glycolytic enzymes. This gives the tumor cell the capacity to survive anaerobic conditions until the supply of blood vessels has caught up with tumor growth.
CATABOLISMUL GLUCIDIC
GLICOLIZA
FERMENTAIILE
DEGRADAREA AEROB
DEGRADAREA PE CALEA PENTOZO-FOSFAT
DEGRADAREA PE CALEA ACIZILOR URONICI
ALTE CI DE DEGRADARE
74
DEGRADAREA AEROB
Implic mai multe stadii:
I. TRANSFORMAREA GLUCOZEI N ACID PIRUVIC
II. FAZA INTERMEDIAR
III. FAZA AEROB PROPRIU-ZIS
a) Acetil~ScoA + Acid oxalilacetic Ciclu Krebs CO2
b) Cuplare cu lanul respirator H2O + Energie
Acid piruvic
Acid oxalilacetic
Acetil-CoA
CH3
C O
COOH
C O
COOH
CH2
COOH
O
CH3 C~SCoA
76
OO
CH3
C OTPP
Acid lipoicHSCoAFADNAD+
1
2
3
4
5
L-alanin
acid
- cetoglutaric
+ acidglutamic
transaminare
CO2
+ ATP
ligaz
acid oxalilacetic decarboxilaresimpl
TPP
alcool etilic
acid acetic
FERMENTATIILE
decarboxilareoxidativ
LDHNAD+
Glucoz
Glicogen
COOH
CH3 C~SCoA
NADH2
reducere
CH3
HC OH
COOH
NADH2FADH2
Ciclul Krebs
acid lactic
acid piruvic
CO2
CH3 CH
acetaldehida
NADH2
NAD+
CH3 CH2 OH
CH3 COOHNAD+
NADH2
PLP
a+
CH3
CH
COOH
H2N
carboxilare
BIOTINA
+ "CO2"
C O
COOH
CH2
COOH
acetil-CoA
ALT
(microorganisme)
+ H2O
aldehid-DH
alcool-DH
TRANSFORMRILE ACIDULUI PIRUVIC
n metabolismul intermediar
CO2
77
DECARBOXILAREA OXIDATIV A ACIDULUI PIRUVIC
Mecanismul reaciei:
5coenzime
TPPacid lipoicHSCoAFADNAD
3enzime
piruvat dehidrogenaza
dihidrolipoil transacetilaza
dihidrolipoil dehidrogenaza
COMPLEX MULTIENZIMATIC
N
S
N
N
C
H2
CH3
CH2CH3 NH
2CH
2O PP E1
TPP(tiamin pirofosfat)
+
CH3
C
acid piruvic
O
COOH
+
78
NS
CH3
CH2-CH
2-PP
OH
CH3
COOH
E1
R
C
"lactil derivat"
CO2N
S
CH3
CH2-CH
2-PP
OH
CH3
E1
R
C
"hidroxietil derivat"
H
S S
(CH2)4 CO-Lys+ E2
acid lipoic(forma ox.)
E1 TPP
O
+ HSCoA
CH3 C~SCoAacetil-CoA
SH
(CH2)4 CO-Lys
HS
E2
acid lipoic(forma red.)
acid lipoic(forma ox.)se reface
FADH2
FAD E3 NADH2
E2NAD+
(CH2)4
S
CH3
CO - Lys E2
CO
SH
79
++
DEGRADAREA AEROB A GLUCOZEI
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O
Go = - 688 kcal/mol
Bilan chimic i energetic global
+ 38 ATP
80
OO
STADIUL I
STADIUL II
STADIUL III
a) Ciclul Krebs
b) Lantul respirator H2 .....................1/2 O2 .....................1 H2O
12 H2 ....................6 O2 .....................12 H2O
Glucoza
2 Acid piruvic
Glucoza + 2 ATP 2 Triozo 3-fosfati - 2 ATP
2 Triozo 3-fosfati + 4 ADP + 4 Pi + 2 NAD+
2 Acid piruvic + 2 NADH2 + 4 ATP
+ 6 ATP
+ 2 H2O + 4 ATP
(fosforilare de substrat)
Total I + 8 ATP
2 Acid piruvic
2 CH3 C ~acetil-CoA
SCoA
Decarboxilarea oxidativa a acidului piruvic2 CO2
CH3
C O
COOH
2 2 CO2 + 2 NADH2 ...................... + 6 ATP
+ 2 Acetil-CoA
4 H2O
2 CH3 C ~acetil-CoA
SCoA6 NADH2 ............6 NADH2 ................18 ATP
2 FADH2 ............2 FADH2 ................ 4 ATP
2 GTP ..............................................+ 2 ATP (fosforilare de substrat)
Total III 24 ATP
TOTAL GENERAL 38 ATP
Total II + 6 ATP
TPPacid lipoic
HSCoAFAD; NAD+
+ O2
4 CO2
Go = - 688 kcal/mol
688 ..................................100266 (38 x 7) ........................x = 39%
81
DEGRADAREA AEROB A GLUCOZEI
82
DEGRADAREA AEROB A GLUCOZEI
83